Лягушки, больные хитридиомикозом, умирают из-за нарушения осмотической регуляции
|
Численность земноводных на всей планете в последние десятилетия стремительно сокращается. Одна из причин этого сокращения — кожная болезнь хитридиомикоз, вызываемая патогенным хитридиомицетом. Исследования хитридиомикоза продолжаются уже не один год, но до сих пор было непонятно, почему земноводные гибнут от этого заболевания. Опыты, проведенные группой австралийских исследователей на голубых австралийских квакшах, показали, что смерть зараженных животных наступает от остановки сердца, вызванной нарушением транспорта ионов через кожные покровы, приводящим к снижению концентрации ионов натрия и калия в крови. Однако некоторые земноводные устойчивы к хитридиомикозу, поскольку у них на коже присутствуют симбиотические бактерии, которые вырабатывают вещество, подавляющее рост патогенного грибка. Возможно, что впоследствии таких бактерий удастся использовать для борьбы с хитридиомикозом.
В последние десятилетия наблюдается стремительное сокращение численности и даже вымирание целых видов амфибий (земноводных). И хотя другие наземные позвоночные в наши дни также подвержены ускоренному вымиранию, прямо или косвенно связанному с деятельностью человека, у земноводных его темпы существенно выше, чем у млекопитающих и птиц. Из почти 6000 известных науке видов амфибий нуждающимися в охране считаются около 2000, из которых больше 400 находятся на грани исчезновения. Численность снижается почти у половины известных видов, а из тридцати с лишним видов, вымирание которых было отмечено за последние 500 лет, около десятка вымерли после 1980 года.
Одной из причин наблюдаемого у земноводных всей планеты упадка, наряду с уничтожением и нарушением природных экосистем человеком, является получившая всесветное распространение болезнь хитридиомикоз (chytridiomicosis), вызываемая патогенным грибком Batrachochytrium dendrobatidis (сокращенно Bd). Вспышки хитридиомикоза вызывают массовую гибель амфибий многих видов на всех континентах (кроме Антарктиды, где представители этого класса не встречаются). Возбудитель хитридиомикоза был описан в конце XX века. Неясно, когда именно этот патоген получил всесветное распространение и с чем связано наблюдаемое бедствие: с расселением Bd по планете, с усилением его патогенности, со снижением устойчивости к нему амфибий или с сочетанием каких-то из этих факторов. Судя по некоторым данным, наблюдаемому сегодня триумфу Bd способствовало всесветное распространение африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) — популярного домашнего питомца и одного из важнейших модельных объектов биологических исследований.
Многолетние исследования хитридиомикоза позволили многое выяснить о распространении и течении этой болезни. Было установлено, что хитридиомикоз поражает лишь верхние слои кожи, но оставалось загадкой, как именно он может приводить к гибели зараженных особей. Ответ на этот вопрос был получен Джейми Войлс (Jamie Voyles) и ее коллегами, большинство из которых работают в группе, изучающей экологию заболеваний земноводных, в Университете Джеймса Кука (James Cook University) в Таунсвилле (Квинсленд, Австралия). Исследователи провели серию экспериментов на голубой австралийской квакше (Litoria caerulea); результаты исследования были опубликованы недавно в журнале Science. (Название этого вида может показаться странным: «caerulea» означает «голубая», но спинная сторона тела этой лягушки окрашена в зеленый, а вовсе не в голубой цвет. Дело в том, что экземпляры, по которым этот вид был описан, в фиксирующей жидкости изменили свой цвет на голубой, и автор первоописания ошибочно полагал, что живые лягушки тоже голубые.)
Чтобы установить, как именно Bd вызывает гибель лягушек, исследователи поймали в Таунсвилле несколько десятков здоровых австралийских голубых квакш и заразили часть из них хитридиомикозом, оставив остальных здоровыми для контроля. С обеими группами лягушек провели ряд опытов, измеряя различные физиологические параметры и отмечая изменения, происходящие в организмах лягушек по ходу развития заболевания. Учитывая, что кожа амфибий играет важную роль в газообмене и осморегуляции, Джейми Войлс и ее коллеги предположили, что гибель зараженных хитридиомицетом лягушек наступает в результате нарушения одной из этих функций. Чтобы установить, какие именно изменения убивают больных лягушек, исследователи измеряли показатели интенсивности транспорта ионов в препаратах кожи животных на разных стадиях развития хитридиомикоза и следили за изменениями биохимических показателей крови и мочи. Кроме того, они постоянно снимали электрокардиограммы с помощью вживленных в брюшную полость электродов-передатчиков у незараженных, аклинических (зараженных, но не демонстрирующих симптомов заболевания) и больных лягушек.
В крови амфибий концентрация ионов натрия и калия намного выше, чем во внешней среде. Основной механизм, позволяющий поддерживать осмотическое давление крови на должном уровне, состоит в транспорте ионов через эпидермис (наружный слой кожи), в частности за счет работы натриевых каналов и натрий-калиевой АТФ-азы. Опыты с препаратами кожи показали, что у больных лягушек, в отличие от незараженных и аклинических, транспорт натрия и калия через покровы значительно снижается, по-видимому под действием выделяемого Bd токсина или непосредственного повреждения этим грибком клеток эпидермиса. Нарушение ионного транспорта приводит к снижению концентрации ионов натрия и калия в крови, причем степень снижения коррелирует со степенью развития инфекции (количеством патогена в коже зараженных животных).
|
За несколько часов до смерти на кардиограммах тяжелобольных лягушек наблюдались симптомы, предвещающие остановку сердца, от которой эти лягушки и умирали. Кроме пониженной концентрации ионов остановку сердца могут вызывать гипотермия (переохлаждение), гиповолемия (снижение объема крови) и гипоксия (недостаток кислорода). Однако лягушки содержались при постоянной температуре и едва ли могли умереть от переохлаждения, масса тела и концентрация белков в крови больных животных достоверно не изменялись, а значит, и объем крови оставался на прежнем уровне, а существенное снижение концентрации кислорода в крови наблюдалось уже после того, как кардиограмма демонстрировала нарушения работы сердца (то есть было скорее следствием, чем первопричиной этих нарушений).
|
Таким образом, остановка сердца у больных лягушек была вызвана, по-видимому, именно пониженной концентрацией ионов в крови, причиной которой было нарушение проводящей способности эпидермиса. Этот вывод был подтвержден результатами еще одного опыта: когда умирающим от хитридиомикоза лягушкам, которые уже не могли даже перевернуться, если их положить на спину, вводили через рот раствор, содержащий ионы натрия и калия, их самочувствие улучшалось, и к ним возвращалась способность активно двигаться.
Исследования хитридиомикоза проводились ранее и на других видах земноводных. Разные виды и разные особи одной популяции могут сильно различаться по степени устойчивости к этому заболеванию. Недавние исследования другой группы ученых, работающей в США, показали, что устойчивость к хитридиомикозу может быть связана с присутствием на коже амфибий симбиотической бактерии Janthinobacterium lividum, вырабатывающей фиолетовый пигмент виолацеин, который останавливает рост Bd на питательных средах и может защищать амфибий от заражения этим патогеном и препятствовать развитию хитридиомикоза. Лягушки и саламандры, на кожу которых наносили этих бактерий, демонстрировали повышенную устойчивость к Bd.
|
Теперь, по крайней мере, известно, каким образом Bd убивает земноводных и какие природные механизмы могут обеспечивать устойчивость к этому патогену. Есть надежда, что эти сведения помогут рано или поздно найти способ защитить природные популяции от хитридиомикоза и хотя бы замедлить наблюдаемое в последние десятилетия по всей планете вымирание земноводных.
Источники:
1) Jamie Voyles et al. Pathogenesis of chytridiomycosis, a cause of catastrophic amphibian declines // Science. 23 October 2009. V. 326. P. 582–585.
2) Elizabeth Pennisi. Amphibian decline: Life and death play out on the skins of frogs // Science. 23 October 2009. V. 326. P. 507–508.
