Семельпария независимо эволюционировала в хищных сумчатых как минимум пять раз. Это происходило как у австралийских, так и у южноамериканских видов. Какое уникальное свойство может отличать этих животных от всех остальных млекопитающих с аналогичным образом жизни? Если структуры популяций не могут объяснить эту аномалию, возможно, сумчатые имеют некие уникальные иммунные особенности или страдают от болезней, которые отсутствуют у плацентарных хищников? Удивительно, но ответ может заключаться в… эпизоотиях трансмиссивного рака.

В 1996 году в популяции крупнейшего сумчатого хищника, тасманийского дьявола (Sarcophilus harrisii), была обнаружена эпизоотия странных опухолей. Эти опухоли, как правило, находились на голове, деформировали челюсти, закрывали глаза и в конечном итоге убивали животных. В районах, затронутых болезнью, количество дьяволов сократилось в десять раз. Когда ученые собрали образцы, чтобы выяснить, что вызывает эти опухоли, их ждало невероятное открытие: раковые клетки передавались от одного животного к другому и были возбудителем эпизоотии! Генетический анализ показал, что лицевая опухоль тасманийского дьявола (devil facial tumor disease, DFTD) впервые появилась около 1986 года у самки дьявола и продолжала распространяться в популяции в течение долгого времени после ее смерти. Больные животные являются химерами, содержащими клетки разных особей, причем иногда даже от разных полов 53.

DFTD передается с укусами во время драк. Заражение наиболее часто происходит в сезон размножения, когда самцы соревнуются за самок и особенно когда самцы и самки уединяются для спаривания. Сопоставимое число инфекций приходится на остальную часть года, когда дьяволы борются за туши животных, которыми питаются [129]. Инкубационный период болезни составляет несколько месяцев, а смерть обычно наступает в течение года после заражения.

Эта болезнь очень удивила ученых, поскольку трансмиссивные раковые заболевания у млекопитающих очень редки. Одним из немногих других известных примеров является трансмиссивная венерическая опухоль собак (canine transmissible venereal tumor, CTVT), которая, согласно генетическому анализу, возникла около десяти тысяч лет назад. CTVT обычно передается половым путем, но также может передаваться через укусы. В отличие от DFTD и обычных видов рака, CTVT редко приводит к смерти хозяина. Возможно, она эволюционировала в доброкачественный патоген подобно вирусу миксомы (см. главу 27). Таким образом, недавнее появление DFTD давало ученым уникальную возможность отслеживать раннюю эволюцию этого редкого класса заболеваний.

Удивительно, но в дальнейших исследованиях была открыта вторая линия DFTD! В то время как оригинальная линия DFT1 появилась у самки около 1986 года, DFT2 появилась у самца около 2011 года! Таким образом, половина известных трансмиссивных раков млекопитающих 54 — это недавно возникшие опухоли тасманийских дьяволов! Похоже, что дьяволы особенно восприимчивы к трансмиссивным опухолям. Является ли это их общей чертой с другими сумчатыми? И если да, то может ли быть так, что именно этот уникальный вид заболевания отвечает за эволюцию семельпарии? Попробуем собрать вместе все кусочки этой головоломки.

Во-первых, может ли DFTD или похожий трансмиссивный рак благоприятствовать эволюции семельпарии? Инфекции достигают пика во время сезона размножения. Болезнь обычно длится менее года, и поэтому у инфицированных животных мало шансов дожить до следующего спаривания. В районах, затронутых DFTD, дьяволы уже функционально семельпарны: хотя они не имеют убивающего их генетического механизма, большинство из них размножаются только один раз и не доживают до своего второго сезона из-за болезни.

Гипотеза, что DFTD может привести к эволюции генетически запрограммированной семельпарии, уже обсуждается в научной литературе [130], хотя до сих пор аргументы, связывающие DFTD с семельпарией, строились вокруг стратегий инвестирования энергии. Если вероятность дожить до следующего сезона размножения очень мала, то имеет смысл вложить все имеющиеся ресурсы в максимизацию репликативного успеха в этом сезоне. Согласно этой гипотезе, смерть в результате семельпарии является следствием недостаточных инвестиций в репарацию. Однако если эта модель верна, то семельпария должна была развиться у всех животных с сезонным размножением и высокой смертностью — но это не так. Семельпария среди млекопитающих наблюдается исключительно у хищных сумчатых!

Гипотеза контроля патогенов предполагает альтернативный сценарий отбора. Животные, инфицированные DFTD, имеют мало шансов дожить до следующего сезона размножения. В то же время они могут заражать окружающих особей во время драк, связанных не со спариванием, а с конкуренцией за пищу и территорию, которые происходят круглый год. Поэтому животные, переносящие болезнь, могут заразить своих соседей, часть из которых — их родственники. Смерть инфицированных особей на ранних стадиях болезни может спасти жизни их родственников и тем самым способствовать успеху генов инфицированных организмов!

Самцы передают DFTD чаще, поскольку они обычно более агрессивны и во время сезона размножения могут кусать как друг друга, так и самок. Это объясняет, почему у семельпарных видов сумчатых она проявляется преимущественно у представителей мужского пола. Хотя дьяволы в настоящее время итеропарны, у самцов наблюдается обратимая потеря веса и ухудшение здоровья после спаривания. Эти последствия не приводят к смерти, как у сумчатых куниц или сумчатых мышей, но их существование указывает на сходные физиологические черты. Возможно, они являются рудиментом утраченной семельпарии: предки тасманийских дьяволов тоже могли быть семельпарны. Хотя DFTD обнаружили совсем недавно, можно предположить, что трансмиссивные опухоли периодически возникали в популяциях сумчатых хищников и уже неоднократно приводили к эволюции семельпарии.

Но почему нашей модели обязательно нужны трансмиссивные опухоли? Можно легко представить вирусные или бактериальные заболевания с похожими свойствами: длительный инкубационный период, высокая смертность и высокая инфекционность. Почему они не могут вызывать эволюцию семельпарии у своих хозяев? В главе 27 мы выяснили, что эпидемии болезней с высокой вирулентностью 55 и высокой инфекционностью приводят к эволюции устойчивости хозяина и эволюции более мягких штаммов патогенов. Таким образом, период времени, в течение которого эпидемия тяжелой болезни может стимулировать эволюцию семельпарии, ограничен — коэволюция хозяина и патогена быстро устранит факторы селекции.

Повторное введение исходного «тяжелого» штамма патогена (скажем, путем его переноса из другого вида хозяев) не поможет изменить ситуацию: хозяева уже сталкивались с родственным адаптированным доброкачественным вирусом и могли стать невосприимчивыми ко всем вирусам этой группы (та же идея лежит в основе вакцинации). Следовательно, они могут стать защищенными от смертельно опасных исходных штаммов 56. Поэтому классические патогены могут быть не очень хорошими селективными факторами семельпарии млекопитающих, поскольку их эволюционная устойчивость ограничена. Если же патоген — в данном случае трансмиссивный рак — возникает снова и снова и если устойчивость к нему не вырабатывается или вырабатывается, но не защищает от других линий рака, то на длительном эволюционном интервале семельпария может оказаться оптимальной эволюционной стратегией.

Почему хищные сумчатые могут быть особенно чувствительны к возникновению трансмиссивного рака? Может ли их иммунная система по каким-то причинам быть неэффективной в распознавании раковых клеток, полученных от другой особи? К сожалению, мы мало что знаем об иммунной системе сумчатых. Однако в литературе есть некоторые указания на то, что эта гипотеза может быть верной. Причина может заключаться в особенностях эмбрионального развития сумчатых.

Во время беременности у плацентарных млекопитающих, таких как люди, мыши или собаки, формируется плацента, обеспечивающая эмбрион кислородом и питательными веществами. Плацента построена из клеток эмбриона и потенциально может быть атакована иммунной системой матери как чужеродная ткань. Однако плацентарные млекопитающие разработали механизмы подавления иммунной реакции, благодаря которым предотвращается отторжение плаценты.

Хотя сумчатые не формируют настоящую плаценту, их эмбрионы прикрепляются к стенкам матки и питаются за счет этого прикрепления. Иммунного подавления здесь не происходит, и поэтому прикрепление эмбриона сопровождается воспалением, которое может потенциально повредить эмбрион [131]. Поэтому у сумчатых может существовать эволюционный конфликт между продолжительностью прикрепления эмбриона в матке и эффективностью иммунного распознавания чужеродных тканей. Чтобы увеличить время прикрепления эмбриона, эволюция может ослаблять иммунитет, что, в свою очередь, может сделать животных восприимчивыми к трансмиссивным раковым заболеваниям.

Исследования показали, что сумчатые действительно могут иметь дефекты в некоторых аспектах распознавания чужеродных тканей. Так, если смешать лейкоциты (иммунные клетки крови), взятые из двух плацентарных животных одного вида, то они будут убивать друг друга. А вот белые кровяные тельца домового опоссума (Monodelphis domestica) не проявляют таких свойств, что говорит о том, что некоторые компоненты распознавания чужеродных тканей у сумчатых действительно отсутствуют. Тем не менее здоровые транспланты тканей — аллографты — отторгаются у опоссумов, подобно тому, как это происходит у плацентарных [132]. Таким образом, несмотря на частично обнадеживающие результаты, требуется более детальное исследование, чтобы подтвердить и расширить эти выводы для выяснения того, предрасположены ли сумчатые к трансмиссивным ракам и какова роль особенностей иммунной системы в этом феномене.

Если гипотеза верна, то почему только плотоядные сумчатые приобретают семельпарию? Почему этого не происходит с кенгуру и коалами? Возможно, ответ заключается в том, что инфекционные раковые заболевания распространяются преимущественно при укусах, то есть для их эффективной передачи необходимы не только особенности иммунной системы, но и острые зубы, способные проникать через кожу и отсутствующие у других сумчатых. У плацентарных хищников, таких как тигры или медведи, тоже есть острые зубы, однако их иммунная система более совершенна и не допускает трансмиссивных опухолей.

Таким образом, гипотеза, объясняющая независимую параллельную эволюцию семельпарии у сумчатых хищников, основанную на парадигме контроля патогенов, предполагает нарушение иммунного распознавания чужеродных тканей у сумчатых, а также способность передавать опухолевые клетки с укусами, что делает их восприимчивыми к трансмиссивным ракам. Эти экзотические заболевания, в свою очередь, определяют эволюцию адаптивной смерти хозяина, цель которой — удалить инфицированных животных. Изучение распространенности трансмиссивных раковых заболеваний у сумчатых, а также особенностей иммунной системы этих видов может послужить хорошей проверкой для предсказаний модели контроля патогенов.

Подводя итоги нашей попытки рационализировать семельпарию в контексте гипотезы контроля патогенов, два фактора кажутся определяющими: во-первых, структура сетей передачи патогенов, во-вторых, наличие высоковирулентных болезней, чья передача сопряжена с размножением. В случае с проходными лососевыми эта передача связана с высокой плотностью рыбы в реке во время нереста, в случае сумчатых хищников — с пиком заражений трансмиссивными раками во время брачного сезона.

53 В главе 18 мы уже обсуждали, что клетки самцов млекопитающих (причем не только половые, но абсолютно все) содержат XY-хромосомы, а клетки самок — ХХ. Можно представить себе изумление ученых, когда они обнаружили опухоли с XX-генотипом у XY-самцов!

54 Всего у млекопитающих описаны четыре случая трансмиссивных опухолей. Помимо упоминавшейся выше болезни собак и двух линий DFTD, известна инфекционная опухоль у сирийских хомячков.

55 Высокая вирулентность означает, что болезнь смертельна или сильно истощает организм. Напомним, что вирулентность — это абстрактный термин, используемый для описания тяжести симптомов.

56 В этом заключается и идея трансмиссивных вакцин: нишу занимает доброкачественный патоген, который не позволяет вирулентному патогену в ней обосноваться.