Ученые выяснили, откуда берутся аномалии конечностей у лягушек и жаб

Исследователи выяснили, что заражение плоским паразитическим червем Strigea robusta вызывает массовые аномалии конечностей у лягушек и жаб. Открытие позволит разобраться в жизненном цикле гельминтов, которые в том числе могут вредить организму человека. Работа выполнена специалистами подведомственного Минобрнауки России Института цитологии (ИНЦ) РАН.

В середине XX века в нескольких странах было обнаружено множество случаев массовых аномалий конечностей у лягушек. Причины таких изменений первоначально связывали с радиацией, химическим загрязнением водоемов или заражением вирусами. Однако потом было обнаружено, что появление деформаций конечностей связано с заражением гельминтами. Одним из таких паразитов оказался широко распространенный плоский червь Strigea robusta.

Жизненный цикл этого червя включает трех хозяев. Взрослая особь живет в кишечнике уток. Из кишечника птиц яйца гельминтов в составе фекалий попадают в водоемы, где их поедают улитки-катушки.

Моллюски становятся переносчиками зародышей до тех пор, пока из них не образуются личинки паразитов (метацеркарии). После этого метацеркарии готовы искать нового носителя — они прорывают кожу улитки и вырываются на свободу. Причем во время этого процесса улитка может погибнуть, если личинок слишком много.

Затем личинки гельминтов ищут себе следующего хозяина, которыми становятся лягушки. Метацекарии находят в водоеме головастиков и, прорывая их кожу, проникают внутрь организма, образуя цисту (пузырь).

Чтобы жизненный цикл паразитов замкнулся, личинкам требуется время на развитие, а также на то, чтобы зараженных лягушек съели утки. Для этого Strigea robusta в процессе эволюции выработала специальный механизм — паразиты, внедрившись в головастика, выделяют особый субстрат (обычно ретиноевую кислоту), который вносит изменение в работу ряда генов у головастика лягушки, вызывая нарушение развития его конечностей (так называемая «аномалия П»). Проходя такую метаморфозу, лягушка становится медлительной, и утке проще ее поймать.

«Мы решили выяснить, почему из всех амфибий, которые обитают в тех же водоемах, что и Strigea robusta, эти паразиты поражают только лягушек, а не жаб, тритонов и прочих организмов. Для этого мы провели несколько сравнительных экспериментов с головастиками жаб. У первых в природе мы находили «аномалию П», а у вторых — нет», — рассказывает руководитель лаборатории стабильности хромосом и микроэволюции генома ИНЦ РАН Спартак Литвинчук.

Ученые провели пять экспериментов, в каждом из которых приняли участие по 30 головастиков трех видов жаб из трех различных регионов Евразии. Головастиков заражали метацеркариями Strigea robusta, дозу паразитов определяли с помощью методов микроскопии.

Результаты показали, что в лабораторных условиях черви способны поражать головастиков жаб с такой же вероятностью, что и личинок лягушек, вызывая схожие аномалии конечностей. Однако в природных условиях исследуемые виды жаб, как правило, не подвергаются влиянию Strigea robusta.

Это связано с тем, что сроки развития головастиков жаб намного короче, чем у лягушек, и составляют около двух месяцев.

Поэтому, когда метацеркарии появляются в водоеме в поисках нового хозяина, обычно это происходит в конце июня — августе, личинки жаб уже отсутствуют. Для развития же головастиков лягушек требуется более 3-х месяцев. Этой разницы достаточно, чтобы метацеркарии не успели попасть в жаб, но успели поразить головастиков лягушки.

«Наши эксперименты показали, что Strigea robusta может заражать разных амфибий, но возможность для проникновения паразитов в организм носителя зависит от сроков развития головастиков. Результаты исследования могут использоваться для понимания того, почему в каких-то водоемах у амфибий возникают аномалии, а в других нет. Важно понимать, что это естественный процесс, а не следствия нарушения экологии в водоемах. Кроме того, нужно знать, как и почему распространяются черви-паразиты, ведь некоторые опасные виды используют в качестве носителя организм человека», — поясняет Спартак Литвинчук.

Исследования проведены по гранту РНФ «Механизмы индукции тератогенеза у амфибий под действием трематоды Strigea robusta».

Руководитель гранта, заведующий новой молодёжной лабораторией экологической генетики и метагеномики Института экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) ТюмГУ Антон Свинин рассказал о следующем этапе реализации проекта: «В данный момент проводится исследование молекулярного ответа у зараженных паразитом головастиков на воздействие личинок трематоды Strigea robusta и определяется спектр экспрессии генов, задействованных в таком ответе».

Новая лаборатория была создана в ТюмГУ по гранту раздела «Поиск и изучение микроорганизмов и микробных сообществ почв, животных и растений» Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий в Российской Федерации на 2019-2027 гг. (руководитель проекта академик РАН Андрей Лисица).

В исследовании также приняли участие сотрудники подведомственных Минобрнауки России Пензенского государственных университетов, Российского государственного аграрного университета (МСХА имени К. А. Тимирязева) и Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН. Его результаты опубликованы в одном из международных изданий.

Микрофотография цисты гельминта Strigea robusta (синий цвет), окруженной тканями головастика (зеленый и красный).

Размер лягушачьих глаз связали со средой обитания и суточной активностью

Размер глаз бесхвостых амфибий зависит от среды обитания. К такому выводу пришла команда герпетологов, изучив 220 видов лягушек, жаб и их родственников. Оказалось, что самые большие глаза принадлежат древесным, наземным и полуводным амфибиям, а самые маленькие — роющим и водным. Кроме того, на размер глаз влияет среда, в которой происходит спаривание, а также время активности. Это свидетельствует, насколько важную роль играет зрение в жизни амфибий, отмечают авторы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B. 

Большие глаза — одна из самых узнаваемых черт внешности лягушек, жаб и их родственников. Зрение действительно очень важно для этих амфибий: оно позволяет находить пищу, замечать хищников и оценивать потенциальных партнеров для спаривания. Ученые предполагают, что, как и у других позвоночных, размер глаз у различных видов лягушек зависит от образа жизни и среды обитания, однако в целом эта тема изучена довольно слабо.

Команда герпетологов во главе с Кейт Томас (Kate N. Thomas) из лондонского Музея естественной истории решила определить важнейшие факторы, от которых зависит, насколько велики глаза у того или иного вида лягушек. Для этого исследователи собрали данные о размерах глаз у 220 видов бесхвостых амфибий из всех 55 семейств, известных на сегодняшний день. Их сопоставили с информацией о суточной активности и среде обитания взрослых особей, наличии и среде обитания головастиков, а также среде спаривания и половом диморфизме в окраске для каждого вида.

Анализ показал, что абсолютный и относительный размер лягушачьих глаз зависят от образа жизни на разных стадиях жизненного цикла.

Например, диаметр глаза взрослых особей коррелирует со средой обитания вида (p <0,0001): самые маленькие глаза характерны для роющих, полуроющих и водных видов, а самые большие — для лазающих, полуводных и наземных. Похожие закономерности ранее были выявлены у других позвоночных животных. Кроме того, у лягушек с ночной активностью абсолютный размер глаз больше, чем у тех, кто ведет дневной образ жизни, хотя различия в данном случае не столь велики.

Стратегия размножения также влияет на величину глаз бесхвостых амфибий. Лягушки, которые спариваются и откладывают икру в растительности или в проточной воде, отличаются более крупными глазами, чем те, что предпочитают делать это на суше или в стоячей воде. Вероятно, среди густых растений лягушкам требуется более острое зрение, чтобы найти партнера. В то же время видам, спаривающимся в быстрых реках и ручьях, труднее услышать друг друга из-за шума воды, так что они сильнее полагаются на зрение. Наконец, наличие головастиков и среда их обитания оказывают намного менее значительное влияние на размеры глаз амфибий, а половой диморфизм в окраске и вовсе никак на них не сказывается.