[Каждый] случай, когда растение или животное становится жертвой паразита, отражает их неумение приспособиться.
Молодой шимпанзе немного отстал от своей группы. Он слышит своих сородичей – они метрах в ста от него, – но это западноафриканский лес, и сотни метров достаточно, чтобы потерять друг друга из виду. Он залезает на дерево, заметив многообещающее дупло где-то на середине высоты ствола, и вскоре улавливает запах мочи леопарда. Шимпанзе интуитивно знают этот запах – это то, чего следует избегать, а если нет такой возможности, об этом нужно шумно сообщить: леопарда можно отогнать, но только совместными усилиями. Детеныш продолжает карабкаться наверх. Он не издает ни звука и не выказывает страха – им движет только любопытство. Когда его голова оказывается на одном уровне с дуплом, оттуда раздаются шипение и ворчание: самка леопарда оставила там своего детеныша, уйдя на охоту. Шимпанзе в восторге. Он наклоняет голову, намереваясь сунуть руку в дупло, но едва это делает, как тут же получает удар лапой от звереныша и отдергивает руку. Увлекшись, он не замечает приближения самки леопарда до тех пор, пока ее зубы не смыкаются на его шее.
Поведение этого шимпанзе сформировалось под сильным давлением отбора – в чем есть реальная польза – и с эволюционной точки зрения представляет собой нечто новое. Когда-то в далеком прошлом ни один шимпанзе так бы не поступил: распознав запах, он осознал бы опасность и позвал на помощь сородичей. Но прошло достаточно много времени, чтобы подобное проявление любопытства возникло и было поддержано естественным отбором. В результате некоторые шимпанзе словно утратили страх, и их роковое любопытство – продукт эволюции. Оно явно идет кому-то на пользу.
И это, определенно, не шимпанзе.
Выгоду от данной ситуации получает простейшее под названием токсоплазма (Toxoplasma gondii). Простейшие – одноклеточные организмы[39], а T. gondii – очень распространенный их представитель. Кроме того, это паразит. Вызываемое им заболевание называется токсоплазмоз, оно довольно хорошо известно, особенно беременным женщинам, у которых есть кошки; их, скорее всего, предупреждали, что во время беременности не стоит менять наполнитель в кошачьем лотке, чтобы не подхватить инфекцию. Токсоплазма редко приносит вред взрослым людям, но часто опасна для плода. Изредка встречающиеся вредные последствия у взрослых бывает трудно распознать, так как многие симптомы совпадают с симптомами других распространенных инфекционных заболеваний, таких как ОРВИ и грипп, и они обычно сами проходят через несколько месяцев. Оценки распространенности токсоплазмы в человеческой популяции варьируют, но можно с достаточным основанием полагать, что, если в вашей семье больше трех человек, один из них инфицирован. Несмотря на эту очевидную склонность заражать людей (и многих других животных), токсоплазма тем не менее целиком и полностью зависима от кошачьих.
Кошки необходимы для последней стадии жизненного цикла паразита. Для полового размножения токсоплазмы нужна линолевая кислота, которую она сама не вырабатывает; это вещество редко встречается в высоких концентрациях в клетках большинства животных – особенность кошек в том, что у них не хватает фермента, который ее расщепляет. Паразиты живут в кишечном эпителии кошек, где образуются половые гаметы (гаметоциты), которые сливаются и формируют зиготы-ооцисты. После этого эпителий кишечника разрывается, и ооцисты выходят с кошачьими экскрементами. Кошки заражаются токсоплазмой, поедая животных – в случае с домашними кошками обычно мышей, – в тканях которых паразит размножается бесполым путем (простым делением клетки), а также формирует цисты, хорошо защищенные собственной оболочкой. Сами животные заражаются, поедая растения, загрязненные кошачьими экскрементами, и таким образом поддерживается цикл развития токсоплазмы.
В общем, довольно хорошее решение, но паразит не готов полностью полагаться на то, что кошка съест зараженную им мышь, – в конце концов, у мышей есть неудобная привычка стараться избегать участи быть съеденными. Поэтому он незаметно подыгрывает кошке. Зараженные мыши ведут себя не так, как остальные: они гораздо меньше боятся кошек, реже прячутся и убегают, их не настораживает запах кошачьей мочи. Одним словом, они сами напрашиваются на то, чтобы их съели.
То же самое, по-видимому, происходит с шимпанзе, хотя у них это явление исследовано гораздо хуже. Небольшая зарисовка, с которой начинается глава, представляет собой в некотором роде полет воображения – все, чем я располагаю, это исследование, которое Клеманс Пуаротт и ее коллеги из Центра эволюционной и функциональной экологии в Монпелье провели на шимпанзе, содержащихся в неволе, в Габоне. Особи, зараженные токсоплазмой, гораздо живее интересовались запахом мочи леопарда, чем неинфицированные особи; в отношении человеческой мочи (использовавшейся в контрольном эксперименте) такого различия не наблюдалось. Данное исследование, проведенное на шимпанзе, не единственное в своем роде. Помимо большого числа работ, посвященных воздействию токсоплазмы на поведение зараженных ею грызунов, имеются также данные, подтверждающие, что зараженные гиены меньше боятся львов, и целый комплекс исследований, указывающих на то, что заражение токсоплазмой коррелирует со склонностью к рискованному поведению у людей. Есть даже предположение, что киты и дельфины могут выбрасываться на берег из-за этой инфекции, которая, вероятно, попадает в морскую среду с кошачьими экскрементами из канализации. Инфекция, безусловно, влияет на здоровье китообразных, но пока еще не доказано, что а) токсоплазмоз чаще встречается у выбросившихся на берег особей, чем у тех, кто этого не делает; б) частота выбрасываний на берег повышается именно из-за возросшей склонности к рискованному поведению, а не из-за более общей, связанной с этой болезнью потери физических сил и/или координации.
Подобный же скептицизм, пожалуй, следует приберечь и для оценки результатов многочисленных исследований, связывающих человеческое поведение с токсоплазмозом. Например, повышенный риск самоубийств среди зараженных людей, возможно, лучше объясняется простой корреляцией с тем, что люди держат дома кошек, чем инфекцией как таковой. Допустим, если одинокие люди чаще других заводят кошек и если одиночество коррелирует с риском самоубийства, то ожидаемо обнаружится положительная корреляция между самоубийствами и токсоплазмозом, даже если причинно-следственная связь отсутствует. В данном случае я просто рассуждаю, но, надеюсь, основную мою мысль вы поняли – эти исследования можно интерпретировать по-разному, и не следует делать скоропалительные выводы, основанные лишь на корреляциях.
Но как бы ни обстояли дела с токсоплазмой, мы можем быть абсолютно уверены в том, что многие паразиты в ходе эволюции приобрели способность влиять на поведение хозяина так, чтобы повысить вероятность передачи своих потомков другому хозяину. Если все это кажется слишком фантастичным, вспомните, что всякий раз, когда вы простужены, вас одолевают приступы чихания, которые вызваны вирусом, – это и есть манипуляция хозяином, поддерживаемая естественным отбором, так как она помогает передавать заразные вирусные частицы из ваших дыхательных путей в чужие. Вирус бешенства (Rabies lyssavirus) тоже меняет поведение своего хозяина, делая того одновременно гиперактивным и гиперагрессивным, в результате чего он принимается кусать других животных, передавая вирус новым хозяевам.
Когда сталкиваешься с примерами такого коварства, возникает искушение увидеть здесь чей-то замысел – бешенство кажется делом рук злого гения. Реальность, однако, гораздо прозаичнее. У нас более чем достаточно доказательств того, что поражение мозга – вызвано ли оно инфекционным заболеванием, физической травмой или генетической предрасположенностью – может повлиять на характер и поведение, и так как этот вирус поражает нервные клетки, то он неизбежно будет вызывать по крайней мере какое-то аномальное поведение. Нетрудно представить себе предковые линии вируса, вызывавшие у хозяев целый спектр разнообразных расстройств, от замкнутости и антисоциальности до безумия и агрессии; линии, которые просуществовали дольше всего, оказались попросту теми, которые без всякого собственного намерения вызывали изменения поведения, способствующие их передаче. Патогену, который заставляет своего носителя резко менять поведение и уединяться где-нибудь в горах или пустыне, едва ли суждено долгое существование.
Манипуляция поведением лишь одно из многих свойств паразитов, снижающих качество жизни хозяина. На самом деле наличие паразитов относится к числу наиболее очевидных особенностей существования животных, свидетельствующих о, как минимум, некоторой степени дисгармонии и несовершенства в мире природы, где паразитизм весьма широко распространен. Возьмем, например, амфиприонов (их еще иногда называют «рыбы-клоуны»), род, состоящий примерно из 26 видов мелких, зачастую ярко окрашенных рыб, обитающих на коралловых рифах Индийского и западной части Тихого океанов. Чаще всего их видят плавающими среди щупалец актиний (морских анемонов), вооруженных стрекательными клетками – книдоцитами, которые выстреливают крошечными ядовитыми гарпунами в любого, кто их коснется, включая мелких рыб. Но рыбы-клоуны кажутся неуязвимыми. Более того, у них с актиниями развились тесные симбиотические отношения, выгодные обоим партнерам. Так как на этих рыбок не действует нейротоксин анемонов, они могут жить среди них в относительной безопасности от хищников; взамен рыбки помогают анемонам бороться с их собственными хищниками и паразитами, одновременно обеспечивая питательные вещества в виде экскрементов и остатков трапезы. Несомненно, рыбы-клоуны – один из примеров эволюционного успеха, но теперь вы, возможно, уже не удивитесь, услышав, что их в равной мере можно считать также и жертвами эволюции.
Позвольте представить вашему вниманию первый экспонат – фотографию трех рыб-клоунов, сделанную Цинь Линем, которая прошла в финал конкурса «Лучший фотограф дикой природы года» (Wildlife Photographer of the Year) за 2017 г. Вот они – плавают рядком на мелководье у побережья Индонезии, их оранжево-белые бока сияют на фоне извивающихся вокруг них лиловых щупалец актинии. У всех рыб открыты рты, и из каждого рта выглядывает пара черных глазок. Перед вами Cymothoa exigua, двухсантиметровый паразит, уютно устроившийся там, где прежде был язык.
C. exigua относится к группе равноногих ракообразных, или изопод, включающих также мокриц[40]. Их извращенная, но несомненная фотогеничность обеспечила им в последние годы место в бесчисленных медийных публикациях, посвященных паразитизму. Личинки C. exigua свободно плавают в поисках рыбы-хозяина, а затем забираются к ней в жаберные щели. На этой стадии они бесполы, но вскоре развиваются в самцов. Позже, достигнув полной зрелости, они могут превратиться в самок, но только если в хозяине еще нет самки; если самка есть, самец не развивается до конца. Если два самца окажутся в одном и том же хозяине, лишь один из них станет половозрелым (и, соответственно, самкой). Взрослая особь перебирается из жабр в рот, где прикрепляется к основанию языка и высасывает из него кровь, пока тот не атрофируется, таким образом замещая его собой. Паразит продолжает питаться кровью и слизью всю жизнь, которую проведет в одном и том же хозяине, пока кто-нибудь из них не умрет.
Я привел примеры с токсоплазмой, вирусом бешенства и C. exigua как своего рода затравку для одной из ключевых идей этой главы, а именно что весь спектр ужасов паразитизма в сочетании с его повсеместным распространением выглядит чуть ли не как фаворитизм со стороны естественного отбора. Чем пристальнее мы вглядываемся в мир природы, тем больше находим паразитов, и не только их самих, но и бесконечное разнообразие способов, которыми они причиняют страдания своим хозяевам. Легко можно привести примеры, когда животные развивают, на первый взгляд, чудесные адаптации, но если воздавать должное эволюции за то, что она наделила рыб-клоунов неуязвимостью против стрекательных клеток актинии, то на нее следует также возложить вину за замену их языка вампиром-квартирантом. Эти два «дара» не слишком хорошо сочетаются. В главе 1 я утверждал, что любой высший хищник, которого вы назовете, как правило, терпит неудачу в погоне за добычей – теперь же я добавлю, что он также, скорее всего, кишит глистами и блохами. Это всего лишь прописная истина, однако комплексы взаимодействий между паразитом и хозяином, определяющие, в какой форме реализуется паразитизм, сложны и разнообразны (и, как я надеюсь убедить вас, довольно интересны). И все же фаворитизм, пусть бессознательный и непреднамеренный, несомненно, существует.
В среднем среди всех эволюционных ветвей животных на планете есть паразиты. Это просто вопрос статистики; у всех непаразитических животных (и большинства паразитических) в любой данный момент есть хотя бы один паразит (а скорее всего, их сотни, тысячи или даже миллионы). То же самое, хотя и в меньшей степени, верно и для видов; если взять список всех известных биологических видов, завязать себе глаза и воткнуть в лист булавку, она, скорее всего, попадет в название паразита. Паразиты имеются у людей, кошек, собак, пауков и пчел – даже у бактерий. Паразитические виды есть практически на всех ветвях и веточках родословного древа животных (и на родословных древах многих других организмов, например кинетопластид[41], а также таких существ, как вирусы, по поводу которых даже нет общего мнения, считать ли их живыми существами в сколь-либо значимом смысле). Существуют паразитические моллюски, паразитические ракообразные, паразитические рыбы, паразитические насекомые, паразитические млекопитающие[42] и паразитические птицы, наряду с целым рядом не столь широко известных таксонов, таких как трематоды, ленточные черви и т. д.
Паразиты различаются как по своему происхождению, так и по образу жизни, но для удобства их можно разделить на три основных группы по их способу нападения. Во-первых, паразитоиды, которые, как правило (хотя и не всегда), поедают большую часть хозяина, в результате чего тот умирает; в этом смысле они составляют естественное промежуточное звено между прямым хищничеством и паразитизмом. Самые известные паразитоиды принадлежат к нескольким семействам ос[43]. Они откладывают яйца внутрь или поверх другого животного (обычно насекомого или паукообразного) и оставляют все на волю природы. На случай, если вы еще не поняли, – «воля природы» состоит в том, что вылупившаяся личинка поедает хозяина изнутри. Трудно сказать, что хуже – быть хозяином, внутрь которого ввели яйца, или тем, которого попросту обездвижили с помощью паралитического яда, а яйца удобно уложили сверху. К последней категории жертв относятся тарантулы, на которых охотятся ужасающе огромные (до 5 см длиной) осы под весьма подходящим названием тарантуловые ястребы[44] из семейства Pompilidae. Личинки этой осы вылупляются из яиц и вгрызаются в свою живую кладовую. Они будут кормиться, стараясь как можно дольше не затрагивать жизненно важные органы и таким образом сохранять обреченное создание в живых.
Вторая группа – эктопаразиты, живущие на хозяевах снаружи и питающиеся кровью, шерстью, кожей, плотью или телесными выделениями. В нее входят многие хорошо известные паразиты, такие как комары, блохи и клещи. Эти членистоногие[45] составляют большую часть разнообразного мира эктопаразитов, но они далеко не единственные. Эктопаразитами являются летучие мыши-вампиры, а также миноги (рыбоподобные бесчелюстные с круглыми ртами-присосками, полными роговых зубов) и бразильская светящаяся акула, которая по-английски называется cookie-cutter shark – «акула – формочка для печенья», так как она имеет привычку выкусывать у своих жертв идеально круглые куски мяса. Хотя отдельный эктопаразит обычно забирает у хозяина пренебрежимо малое количество крови, накопительный эффект от множества паразитов может быть фатальным. Энтони Мусанте и его коллеги из Университета Нью-Гэмпшира изучали воздействие клещей на лосят. По их оценкам, умеренное заражение клещами на протяжении двух недель может привести к потере 27–48 % от всего объема крови. Неудивительно, что вызванная клещами анемия – распространенная причина высокой смертности лосей и других крупных млекопитающих в те сезоны и в тех местах, где клещи наиболее активны.
Анемия, если не считать смертельные случаи, далеко не худшее, чем могут наградить хозяина клещи: как многие другие кусачие членистоногие, они служат переносчиками куда более мелких паразитов. Это третья группа – эндопаразиты, проводящие всю жизнь или часть ее внутри хозяина. В тех случаях, когда они становятся причиной заболевания, их называют патогенами (буквально «порождающими болезнь»). Например, триатомовые клопы (получившие также очаровательное название «поцелуйные клопы» за далеко не очаровательную привычку кусать спящих людей в лицо) передают в качестве патогена трипаносому (Trypanosoma cruzi). Заболеванием, которое он вызывает (болезнь Шагаса), страдает, по некоторым оценкам, 8 млн человек в 21 стране (главным образом в Латинской Америке). В хронической форме она приводит к сердечно-сосудистым заболеваниям едва ли не у половины пациентов.
В тех случаях, когда эктопаразит выполняет функцию передачи возбудителя болезни, он называется переносчиком, и список таких переносчиков большой и разнообразный. Большинству читателей знакомы некоторые из основных заболеваний, которые переносят комары (малярия, лихорадка денге, лихорадка Западного Нила, лихорадка Зика), клещи (болезнь Лайма, клещевой энцефалит, клещевой риккетсиоз) и блохи (бубонная чума), но есть также болезни, распространяемые такими насекомыми, как мокрецы (мансонеллез), мухи цеце (сонная болезнь), мошки Simulium damnosum (онхоцеркоз, или речная слепота) и москиты (лейшманиоз, флеботомная лихорадка).
Переносчики не просто переносят возбудителя заболевания; их собственная жизненная история претерпевает существенные изменения в результате заражения. Иногда, по-видимому, эти изменения идут на пользу переносчикам. Например, клещи, зараженные Borrelia burgdorferi – бактерией, вызывающей болезнь Лайма у человека, – демонстрируют бо́льшую устойчивость к высыханию, чем незараженные. Так как основным препятствием, сдерживающим клещей в поисках хозяина, является наличие влажного микроклимата вблизи поверхности земли, они приобретают потенциально важное преимущество. Впрочем, чаще всего эти отношения носят менее взаимовыгодный характер. Как мы убедились, эндопаразиты часто манипулируют поведением своих хозяев, поэтому неудивительно, что они используют те же приемы в отношении переносчиков, чтобы максимально увеличить вероятность своей передачи основному хозяину.
Эти манипуляции могут быть сравнительно безвредными. Возьмем, например, тлю Rhopalosiphum padi; насекомые, уже являющиеся носителями вируса желтой карликовости ячменя, предпочитают кормиться на еще не зараженных растениях. Это полезно для вируса, а тле, по-видимому, все равно. Столь удачно взаимоотношения патогенов и переносчиков складываются далеко не всегда, так как их интересы обычно не совпадают. Например, патоген «хочет» заразить как можно большее число хозяев, и один из способов этого добиться – заставить переносчика кормиться часто и понемногу, все время меняя хозяина. Для переносчика это означает, что ему приходится затрачивать больше энергии на перемещения и меньше времени посвящать еде.
Хороший пример – комары. Якоб Кёлла и его коллеги из Орхусского университета в Дании собрали образцы комаров Anopheles gambiae в домах округа Киломберо в Танзании и проанализировали содержимое их кишечника, определив наличие в нем следов человеческой ДНК, а также Plasmodium falciparum, возбудителя малярии. Сопоставив следы ДНК из крови, которой питались комары, с ДНК местных жителей, исследователи обнаружили, что 22 % комаров, зараженных плазмодием, кормились на более чем одном человеке, тогда как из незараженных так делали лишь 10 %: возбудитель инфекции, как говорилось выше, заставлял переносчика кормиться часто и понемногу, меняя хозяев. Другие исследования показали, что P. falciparum, часть жизненного цикла которого проходит именно в организме человека, заставляет комара A. gambiae предпочитать людей другим млекопитающим, тем самым гарантируя, что меньше укусов будет «потрачено» на неподходящих хозяев. Различные виды плазмодиев также повышают свои шансы на успех, делая своих хозяев более привлекательными для любых комаров, изменяя запах их тела.
Нет ничего загадочного в привлекательности паразитического образа жизни – особенно для эндопаразитов, хозяева которых обеспечивают им не только пищу, но и среду обитания. Для них серьезную проблему представляет только смена жительства (поскольку место их обитания рано или поздно исчезает с неизбежной смертью хозяев). Поэтому эндопаразитам приходится искать пути передачи от одного хозяина к другому, и, как мы уже видели, у них в процессе эволюции развилось множество способов достижения этой цели – в особо изощренных случаях они заставляют хозяина совершить самоубийство или привлекают промежуточные организмы (переносчиков) в качестве службы доставки. Удивительнее другое – почему хозяева все это терпят?
Короткий ответ на этот вопрос состоит в том, что они, конечно, предпочли бы этого не делать. Чтобы ответить на него более подробно, необходимо вспомнить некоторые из тех механизмов, которые уже встречались нам в главе 1, когда мы рассматривали взаимоотношения хищника и жертвы, а также один важный дополнительный фактор, смещающий баланс в пользу нахлебника. И начать можно с базового положения, что отбор оказывает разное давление на паразита и хозяина. Как это соотносится с гепардами и газелями? Для начала задумаемся о том, насколько приспособленность (т. е. репродуктивный успех), скажем, бизона снизится, если он не сможет защититься от укусов комара – или даже тысячи комаров. На самом деле не так уж сильно. Положение может стать потенциально более серьезным, если паразитом окажется клещ, а тем более тысяча клещей, каждый из которых выпивает гораздо больше крови, чем комар; как следствие – у многих видов-хозяев развились те или иные формы защиты от клещей, начиная с обычной очистки своего тела (или простого избегания территорий, зараженных клещами) и кончая иммунными реакциями, мешающими клещам успешно кормиться. Даже комары, если они налетают одновременно в большом количестве, могут порой привести к смертельному исходу в результате кровопотери. Но, как правило, эктопаразиты не угрожают жизни хозяев.
Соотношение «паразит – хозяин» противоположно тому, которое складывается при взаимодействии хищника и жертвы, когда поедающий при проигрыше страдает меньше поедаемого. В обоих случаях для поедающего (хищника/эктопаразита) потери сопоставимы – некоторое количество потраченных впустую усилий и необходимость новой попытки, – однако если поедаемая жертва теряет все, то (частично) поедаемый хозяин, как правило, теряет совсем немного (а в некоторых случаях вообще не замечает этого взаимодействия). Таким образом, эктопаразит в случае неудачи рискует большим, чем хозяин, и, следовательно, подвержен большему давлению отбора, а значит, у него имеется эволюционное преимущество.
Это, впрочем, еще не вся история, если мы вспомним, насколько часто эктопаразиты действуют еще и как переносчики эндопаразитов (т. е. патогенов), воздействие которых потенциально куда серьезнее, чем быстрый укус и потеря капли крови. Следовательно, можно предположить, что у хозяев возникнут по крайней мере некоторые защитные реакции против эктопаразитов – в результате давления отбора, оказываемого не самим кровососущим паразитом, а тем, что он передает вместе с укусом. Эти дополнительные затраты теоретически могли бы склонить чашу весов в пользу хозяина, но только в том случае, если защита последнего от патогенов будет как-то мешать переносчику; чаще эти баталии разыгрываются на молекулярном уровне в клетках хозяина. Поэтому давайте будем исходить из того, что эктопаразит выигрывает собственную маленькую битву, и рассмотрим положение с точки зрения патогена.
Нетрудно сообразить, что для патогена хозяин даже важнее, чем для эктопаразита. Если клещу не удалось покормиться на олене, которого он пытался укусить, он всегда может отвалиться и попытать счастья на ком-нибудь другом. Неудачи, конечно, накапливаются, а клещи, по сравнению с теми же комарами, малоподвижны, поэтому они могут кормиться только на том животном, которое случайно оказалось рядом (или до которого они, хоть и с трудом, смогли доползти); каждая упущенная возможность, таким образом, достаточно значима. Даже комар, подвижный и способный находить других хозяев, если не удалось укусить первого попавшегося, тратит существенное количество энергии и времени из своей короткой жизни всякий раз, когда ему приходится перелетать с одного хозяина на другого. Для эктопаразитов цена времени, затраченного на неподходящего хозяина, высока. Между тем в сравнении с положением патогена его риски все-таки сравнительно невелики. Как только патоген очутился внутри организма хозяина, все его возможности исчерпаны, и поражение в борьбе для него буквально смерти подобно. Хозяин – это не просто передвижной буфет, это еще и единственная среда обитания патогена, поэтому все адаптации последнего направлены на выживание и размножение в этом эксклюзивном пространстве.
Особенно зависят от других организмов вирусы, ведь у них нет даже приспособлений для самовоспроизводства; все, чем они располагают, это генетические инструкции. Вирион (так называется отдельная вирусная частица) – не более чем пакет ДНК или РНК в белковой оболочке, окруженной оберткой из липидов. Эти поверхностные молекулы взаимодействуют с мембранами клеток хозяев, заставляя тех пропускать вирион в клетку, чтобы он мог воспользоваться клеточными механизмами репликации ДНК или РНК. Точные детали этого процесса зависят от типа вируса, но в результате хозяйская клетка всегда подчиняется и начинает производить новые вирионы, которые проникают в другие хозяйские клетки, завладевая ими, и это продолжается снова и снова, пока их либо не уничтожает иммунная система, либо не иссякает запас живых клеток для заражения. Каков бы ни был итог, вирус полностью зависим от клетки хозяина, которая обеспечивает ему не только среду обитания, но и механизм для размножения. Если ему не удастся заразить нового хозяина, он обречен на гибель. Между тем хозяин лишь в какой-то степени рискует своим здоровьем (хотя иногда в очень большой степени, а в крайних случаях – и самой жизнью). Назовем для краткости и удобства эту дихотомию давления отбора на хозяина и патоген или паразита принципом «здоровье/дом».
Принцип «здоровье/дом» – первый механизм, склоняющий чашу весов в пользу патогена (или паразита). Следует учесть все же, что «здоровье» не бинарное состояние; нельзя быть просто «здоровым» или «нездоровым» – всегда существует целый спектр состояний. Это означает, что сила давления отбора на хозяина будет варьировать в зависимости от тяжести заболевания – чем тяжелее симптомы, тем сильнее давление. Это важно, и вскоре мы еще вернемся к этому вопросу. А сейчас рассмотрим второй механизм, который тоже имеет разную степень выраженности: речь пойдет о разнице между хозяином и патогеном в продолжительности жизни одного поколения. Эволюция не происходит в течение жизни одной особи – это процесс постепенного накопления различий между среднестатистическими особями в череде поколений. Так как изменения возможны только тогда, когда животные производят потомство, потенциально непохожее на них самих (благодаря мутациям, ошибкам копирования и т. п.), чем быстрее сменяются поколения у данного вида, тем больше у него возможностей для эволюционных изменений.
Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная скорость эволюции обратно пропорциональна интервалу между поколениями (т. е. возрасту первого размножения) – и конечно, чем быстрее может эволюционировать та или иная линия, тем лучше она способна противостоять изменениям в линиях своих врагов. Вернемся к аналогии с гонкой вооружений, когда две страны разрабатывают оборонительное и наступательное оружие так быстро, как только могут, чтобы опередить противника; отчасти этот процесс включает в себя испытания различных идей и технологий, но подобные эксперименты стоят времени и денег. Если страна А в состоянии провести десять испытаний в неделю, а страна Б – только десять в год, то А очень скоро победит в гонке вооружений, так как будет быстро догонять любые достижения Б, одновременно создавая собственные технологические инновации, на которые Б дать ответа не сможет.
Давайте посмотрим, как это работает в случае с патогенами и хозяевами. У человека интервал между поколениями составляет примерно 25 лет (он варьировал на протяжении всей истории человечества и различается в настоящее время в разных странах мира, но нам достаточно и приблизительной цифры); за это время у Mycobacterium tuberculosis, бактерии, вызывающей – как следует из ее названия – туберкулез, сменится около 9000 поколений. То есть будет проведено гораздо больше «экспериментов»[46]. В каждом поколении те бактерии, которые лучше всего способны заражать человеческие клетки, будут выживать и размножаться гораздо успешнее, так что среднестатистическая бактерия последующего поколения окажется чуть лучше приспособленной. Избирательное отсеивание плохо приспособленных линий – которое можно представить как экспериментальное испытание технологии атаки на хозяина – происходит у M. tuberculosis 9000 раз за то время, пока у человека сменяется всего одно поколение.
Но не стоит отчаиваться. Есть по крайней мере одна веская причина считать, что совокупное преимущество, получаемое бактериями, будет не так уж велико, – а именно тот факт, что у людей каждое поколение появляется на свет в результате полового размножения, а у бактерий – нет. Это важно, поскольку именно секс за счет комбинативной изменчивости создает генетическое (немутационное) разнообразие потомства; более того, одна из ведущих теорий, выдвигавшихся, чтобы объяснить загадочное появление в процессе эволюции полового размножения (в противоположность бесполому, т. е. клонированию), – это быстрое получение генетического разнообразия, а следовательно, и защита от патогенов.
Стоит сделать коротенькое отступление и обсудить эту тему – не в последнюю очередь потому, что она долго считалась одним из самых трудных вопросов в эволюционной биологии. Под сексом я подразумеваю процесс, в ходе которого две особи соединяют свой генетический материал, чтобы получить потомство, не являющееся клонами ни одной из них; в этом смысле «секс» не синоним «размножения» вообще, так как последнее может запросто осуществляться без первого. Причина, по которой этот вопрос был (и все еще до некоторой степени остается) спорным, в том, что появление разных полов и полового размножения влечет за собой ряд вполне очевидных недостатков[47]. Во-первых, – и это самое банальное – для секса необходимо найти партнера противоположного пола, а это требует времени и энергии, которые можно было бы потратить на питание или размножение (другим способом). Во-вторых, разделение на самцов и самок фактически сразу сокращает вдвое количество потомков, ведь теперь только 50 % популяции действительно воспроизводит себя[48]. Однако более серьезным, чем снижение эффективности размножения, является потенциальный вред, причиняемый разрушением комплексов генов (геномов), которые – до появления разных полов и первого полового процесса – сформировались под действием естественного отбора за бесчисленное число поколений, адаптируясь к слаженной совместной работе. Взять два генома и внезапно перемешать их – это все равно, что взять автомобиль и мотоцикл и поменять местами их детали. У машины теперь слишком маленький двигатель, чтобы она могла ездить, и слишком узкие и большие передние колеса, а у мотоцикла – опасно мощный двигатель и широкие колеса, которые не втискиваются в вилку. В данной аналогии транспортное средство соответствует геному, а его части (мотор, колеса) – генам. Эти гены имеют различные варианты – аллели, – так что геном автомобиля содержит «автомобильно-колесный» аллель гена колеса, а геном мотоцикла несет «мотоциклетно-колесный» аллель гена колеса (и так далее применительно ко всем прочим частям). Пока мотоциклетные аллели находятся в геноме мотоцикла, а автомобильные в геноме автомобиля, те и другие работают оптимально; перемена аллелей местами неизбежно снижает шансы на то, что все гены будут работать согласованно.
Так зачем было это делать? Теория сопротивления патогенам, объясняющая происхождение полового размножения, начинается с наблюдения, что определенные хозяева способны сопротивляться только определенным патогенам, а не всем вообще. Если использовать простую аналогию, аллели хозяина можно представить себе как замки́, а аллели патогена – как ключи. Возьмем линию хозяев, размножающихся без секса (например, партеногенезом), которых заражает патоген. Так как они размножаются партеногенетическим путем (клонированием), все хозяева генетически идентичны (плюс-минус небольшое количество случайных мутаций). Если среди патогенов существует изменчивость по признаку способности успешно заражать хозяев, тогда эта способность окажется существенным преимуществом. Естественный отбор очень быстро приведет к тому, что все патогены станут обладателями нужного ключа к замку хозяина. Тогда хозяева окажутся в критической ситуации, так как все они будут беспомощны перед всеми патогенами.
В такой ситуации и может прийти на помощь «классическое» (с оплодотворением яйцеклетки сперматозоидом) половое размножение. Первое поколение, воспроизведенное таким путем, сразу же получит преимущество, так как будет не похоже ни на одну из родительских линий, а значит, сможет сопротивляться по крайней мере некоторым патогенам. Возможен даже такой вариант, что ни у одного патогена не окажется подходящего набора ключей, это зависит от того, сколько аллелей связано с каждым замком. Спустя бесчисленные поколения и среди хозяев, и среди патогенов будет наблюдаться большое разнообразие, так что очень немногие хозяева будут в безопасности, но такое половое размножение фактически исключает вариант, при котором у всех патогенов разовьются наборы ключей, в точности подходящие к замкам хозяев, ведь замки постоянно меняются. Со временем защита будет все усложняться, задействуя все большее и большее число генов, что в свою очередь повышает количество возможных уникальных комбинаций аллелей в популяции хозяев, а значит, и разнообразие замков.
Все это не просто досужие размышления. Стюарт Олд и его коллеги из Университета Стерлинга использовали элегантный эксперимент, чтобы продемонстрировать немедленную пользу от секса при столкновении с патогеном. Рачок Daphnia magna размножается и с участием самцов, и без (посредством партеногенеза[49]), причем в первом случае только тогда, когда это полезно. Дафнии особенно подвержены заражению бактериями Pasteuria ramosa, вызывающими у хозяев бесплодие, а так как стерильность фактически означает смертный приговор для линии, то существует сильное давление отбора, направленное на избегание инфекции. Олд и его команда позволили инфекции распространяться в партеногенетической популяции дафний на протяжении года, затем взяли бактерии, все это время эволюционировавшие совместно с данным родительским поколением, и попытались заразить ими дафний следующего поколения, появившихся на свет как обычным половым, так и партеногенетическим путем. При сравнении их способности противостоять инфекции оказалось, что рачки, появившиеся благодаря сексу, справились с этой задачей в среднем лучше, чем их сестры-«клоны»; таким образом, секс победил.
Вот что, в двух словах, можно сказать о преимуществе обычного полового размножения в связи с патогенами, и теперь мы можем вернуться к вопросу об эволюционной гонке вооружений между быстро размножающимися патогенами и медленно размножающимися хозяевами. Половое размножение чаще встречается у хозяев, чем у патогенов, что дает первым дополнительное очко. Тем не менее чаша весов все еще заметно склоняется в пользу патогена. Хотя бактерии, например, не размножаются половым путем, у них все же имеются различные механизмы горизонтального переноса генов (т. е. переноса генов между особями одного и того же «поколения», а не от материнских клеток к дочерним, через размножение, при котором происходит «вертикальная» передача генов от одного поколения к другому). К таким механизмам, например, относится конъюгация, когда бактерии (обычно одного и того же вида, но не обязательно) фактически меняются друг с другом участками ДНК. Поэтому генетические изменения могут происходить достаточно быстро, несмотря на отсутствие комбинативной изменчивости, характерной для полового размножения. Когда это свойство бактерий сочетается с их фантастически быстрой скоростью размножения, хозяевам остается лишь бесконечно играть в догонялки.
Кажется, что хозяева обречены на неудачу. И в самом деле, перечень преимуществ патогенов перед хозяевами заставляет задуматься, почему патогены еще не победили. Или, точнее: если эволюционное преимущество на стороне микроорганизмов, почему они не всегда убивают хозяина, преодолев его защиту?
Мы говорим о так называемой вирулентности. В разных контекстах значение этого слова может слегка различаться, но в эпидемиологии[50] оно обычно определяется как степень вреда, который патоген (не обязательно вирус – просто у этих слов один и тот же латинский корень) наносит хозяину. Как правило, существует сильная корреляция между вредом, причиняемым хозяину, и непосредственной выгодой для патогена; данный вывод следует из простого наблюдения, что единственные ресурсы, доступные последнему для размножения, необходимо забирать у первого – это во многом игра по принципу «кто кого».
Размножение все же не единственная важная задача для патогена: как мы убедились, ему также необходимо передаваться от хозяина к хозяину. Если размножение (а следовательно, и вирулентность, обусловленная потреблением ресурсов хозяина) настолько интенсивно, что хозяин умирает прежде, чем патоген получит возможность распространиться дальше, то вирулентность становится фатальной проблемой для самого патогена. Это сложная проблема для патогена, и именно в этом смысле принцип «здоровье/дом» качественно отличается от принципа «жизнь/обед». При обоих сценариях более важный ресурс (дом или жизнь соответственно) оказывает большее давление на того из противников, для которого он жизненно важен: линия кроликов «выигрывает» у линии лисиц потому, что первым нужно спасать жизнь, а не просто получить обед; линия патогена «выигрывает» у линии хозяина потому, что ей нужно обеспечить себе доступ в новый дом, а не просто в какой-то степени сохранить здоровье. Однако для патогена существует опасность, что давление отбора, направленное на формирование способности преодолевать защиту хозяина, станет настолько сильным, а эволюционные ответы настолько эффективными, что сам дом окажется уничтожен. Излишне говорить, что с кроликами такого никогда не случится – никакая защита против лис им не повредит. Для патогена излишняя вирулентность явно самоубийственна, и тем не менее это происходит достаточно регулярно.
Рассмотрим этот механизм более внимательно, взяв в качестве примера простую форму патогена: вирус, который распространяется с капельками слюны, вылетающей изо рта при чихании[51]. Как все вирусы, сначала он пройдет через многочисленные циклы смены поколений внутри каждого отдельного хозяина[52], для чего он проникает в клетки хозяина и заставляет их производить новые вирионы. Эти отдельные вирусные частицы в основном идентичны, но среди них будут время от времени попадаться частицы с ошибками копирования, так что со сменой поколений вируса появляется генетическая изменчивость, что приводит к возникновению конкурирующих линий – обычно именуемых штаммами – изначального вируса. Отметим, что мы все еще говорим о процессах, происходящих внутри одной и той же особи-хозяина, и допустим, что с момента заражения эта особь не контактировала ни с кем другим – значит, вирус еще не передавался. Предположим, что один из новых штаммов оказывается агрессивнее других и проникает в клетки хозяина в ускоренном темпе, причиняя каждой клетке намного больше повреждений. Хозяину сразу становится слишком плохо, чтобы передвигаться, и он находит безопасное место и отлеживается, ограничив контакты с другими возможными хозяевами и перекрывая таким образом вирусу любую возможность для распространения. Опасный штамм толкает себя (и все другие штаммы в том же организме) на путь самоуничтожения, но, так как он наиболее успешно размножается, над ним не могут одержать верх более безобидные штаммы, у которых больше шансов на долгое существование. Естественный отбор не заглядывает в будущее – в каждом поколении отбирается вариант, который наиболее успешно размножается. Таким образом, в границах этой временной и единственной среды выживание самых приспособленных оборачивается тем, что не выживает никто, естественный отбор не придет на помощь. К счастью для потенциальных хозяев, история смертельного штамма на этом и закончится, что является слабым утешением для хозяина, сыгравшего (временно) роль живой лаборатории для неудачного эксперимента в эволюции вирусов.
Здесь проницательный читатель может задаться вопросом, почему я описал данный сценарий как реально возможный, хотя при обсуждении взаимоотношений хищника и жертвы не предложил идею, что может появиться сверхбыстрая линия гепардов, которые убьют всех газелей в Серенгети и вымрут от голода. И в самом деле, почему? Есть несколько причин полагать, что последний сценарий маловероятен. Во-первых, интервалы между поколениями у гепардов и газелей приблизительно одинаковы, а это значит, что полезные генетические изменения в линии гепардов, произошедшие только в одном поколении, могут остаться без ответа со стороны газелей. Каждое небольшое изменение в популяции хищника вызывает противодействующее изменение в популяции добычи, поэтому гепарды просто не успевают накопить значительное преимущество. Напротив, у вируса могут смениться тысячи поколений – и в результате накопятся всё более полезные мутации – без всякого эволюционного ответа со стороны хозяина. Во-вторых, вирус устроен намного проще, чем позвоночное животное; как я уже отмечал, неочевидна даже принадлежность вирусов к живым организмам. Вирусная ДНК (или РНК), соответственно, очень мала, и поэтому даже единственная мутация может привести к куда более существенным изменениям структуры каждого вириона – а значит, и его потенциальной способности вести себя иначе, чем предковая линия, вместе с тем не разрушая сложных биологических систем, необходимых для выживания.
Все это не меняет того факта, что излишняя вирулентность является проблемой для патогенов: ни один вирус, разрушающий свой дом прежде, чем ему удастся найти новый, не сможет просуществовать достаточно долго, чтобы распространиться в популяции хозяев. Другую крайность представляет собой патоген, который почти не вредит хозяину, но это может быть достигнуто только путем минимизации его собственного размножения, так как именно для этого патоген использует ресурсы хозяина, принося ему вред. Безвредный патоген неизбежно будет не слишком широко распространен в организме хозяина, и, соответственно, у него окажется мало возможностей быть переданным другим носителям. Очевидно, для любой системы «хозяин – патоген» существует золотая середина (золотая, конечно, для патогена), при которой приспособленность патогена достигает оптимума, уравновешивая потребность в размножении за счет ресурсов нынешнего хозяина и потребность благополучно передавать свое потомство другим хозяевам.
Достигнет ли какой-либо штамм патогена такой оптимальной вирулентности – это уже другой вопрос, и тут многое зависит от обстоятельств. Возьмем наш гипотетический вирус, распространяющийся при чихании. Оптимальная вирулентность зависит от поведения хозяина, и в особенности от того, с какой вероятностью каждый носитель вируса вступит в контакт с другими людьми. В частности, вирус может позволить себе быть более вирулентным на территории с более плотным населением, чем с менее плотным, поскольку в первом случае контакты между хозяевами более вероятны, а значит, каждому инфицированному хозяину не обязательно жить долго, чтобы гарантированно передать инфекцию. Таким образом, при прочих равных условиях плотность популяции хозяев определяет частоту контактов между ними, что, в свою очередь, определяет скорость передачи патогена, а значит, и оптимальную вирулентность.
Прочие условия тем не менее редко бывают равными, и это ограничение на вирулентность, налагаемое частотой контактов между хозяевами, можно обойти – например, задействовав переносчика, в особенности крылатого. Переносчики повышают частоту передачи патогена при любой плотности популяции хозяев просто в силу того факта, что физический контакт между хозяевами для передачи уже не нужен. То есть, вернувшись к принципу «здоровье/дом», можно сказать, что переносчики облегчают переезд. Это не только упрощает проблему (для патогена), связанную с низкой плотностью популяции хозяина, но также снижает затраты на поддержание здоровья отдельного хозяина. Как правило, чем хуже себя чувствует животное-хозяин, тем менее нормально его поведение, а у социальных видов[53] это может означать сокращение числа контактов с другими особями, а значит, и вероятности передачи. Но переносчик кусает и больных, и здоровых хозяев, смягчая таким образом ограничения на то, насколько здоровым должен оставаться хозяин, чтобы сохранять способность передавать патоген. В результате оптимальная вирулентность повышается.
Будучи ненаправленной, эволюция патогенов тем не менее происходит настолько быстро и оперативно, что хозяевам, как правило, до них далеко. Это не означает, что они не пытаются противостоять патогенам или что все их попытки безуспешны, – все-таки некая версия гонки вооружений, безусловно, существует. На самом деле сложно найти другой продукт эволюции, который отличался бы такой же сложностью и изощренностью, как иммунная система позвоночных. Но динамика взаимоотношений патогена и хозяина зачастую не столь сбалансирована, как у хищника и жертвы, и куда более непредсказуема. Это можно представить как войну на истощение между двумя армиями, одна из которых современная, хорошо организованная, вторая архаичная, неуправляемая и время от времени склонная совершать безрассудные, самоубийственные атаки на врага.
Взаимодействия между хозяином и паразитом, которые в широком смысле определяются принципом «здоровье/дом», приводят к менее предсказуемой динамике, чем взаимодействия между хищником и жертвой. Самое важное различие заключается в том, что паразиты (особенно быстро размножающиеся эндопаразиты) потенциально способны преуспеть в гонке вооружений вопреки интересам собственного вида. Это не только приводит к массовым локальным вспышкам смертности хозяев, но также затрудняет прогнозы в отношении распространения патогенов в популяциях хозяев. В долгосрочной перспективе у новых патогенов вирулентность обычно снижается, так как более безобидные штаммы в конечном итоге начинают численно преобладать над более агрессивными благодаря более успешной передаче (до тех пор, пока остаются хозяева, еще не зараженные более вирулентными штаммами), но при этом вирулентность будет скорее стабилизироваться на неких промежуточных значениях, чем упадет до нуля. В краткосрочной же перспективе может произойти все что угодно. Но как бы то ни было, невозможно изменить тот факт, что паразиты никуда не денутся. Для любого животного, к какому бы виду оно ни принадлежало, наличие паразитов – это суровая реальность жизни, и эволюция никогда не избавит от него животных полностью. В следующей главе мы рассмотрим еще более странные последствия другого неизбежного факта жизни – секса (и стремления к нему).