Запах крови – как комары выбирают себе жертву
В конце 2018 года в журнале «Экспериментальная биология» вышла статья, внесшая серьезную лепту в исследования крови людей и послужившая началом целого ряда дальнейших изысканий. Основным ее вопросом было – почему комары выбирают себе в жертву то или иное животное и какова же роль в этом человека1.
Мы приведем ее перевод ниже, с определенными купюрами, обусловленными форматом издания.
Почему важно изучать межвидовую передачу инфекции
Приматы часто служат резервуаром для возбудителей человеческих заболеваний, а нарушения среды их обитания и все более тесное взаимодействие с людьми приводит к тому, что межвидовая передача патогенов в будущем станет еще более масштабной.
Наиболее известными заболеваниям, которыми нас «одарили» обезьяны, являются желтая лихорадка и малярия. О последней мы и поговорим более подробно.
Причина малярии – плазмодии, паразиты, которые переносятся комарами. В природе существует большое разнообразие плазмодиев, многие из них имеют «предпочтения» в выборе жертвы. Так, у людей только пять видов этих паразитов вызывают малярию (все они переносятся представителями комаров рода Анофелес), но самый распространенный и смертельный из них, Plasmodium falciparum, почему-то крайне редко заражает живущих в неволе обезьян. При этом плазмодии, идентичные или очень близкородственные человеческим (Plasmodium vivax, Plasmodium ovale и Plasmodium malariae), были обнаружены у обезьян-ревунов, бонобо, шимпанзе и горилл, что говорит о том, что эти паразиты совершенно спокойно передаются от вида к виду. Также известно, что обезьяний Plasmodium knowlesi способен инфицировать людей и что малярия, обусловленная его наличием, очень распространена в Малайзии.
В свою очередь, от выбора комарами объекта атаки зависит распространение заболевания.
Так, чем больше комар «любит» человека, тем более заболевание, которое он переносит, имеет шансов распространиться среди людей. Высокоантропофильные комары часто являются переносчиками серьезных заболеваний человека: Anopheles coluzzii «отвечает» за передачу малярии человеку, а Aedes aegypti переносит возбудителей желтой лихорадки и лихорадки денге; оба вида комаров имеют ограниченный круг антропофильных хозяев.
Направляют же комаров особые летучие вещества, которые выделяет человеческая кожа. В выработке этих веществ важную роль играют кожные бактерии – что было доказано, например, в исследовании, изучавшем взаимосвязь между составом микробиоты кожи человека и привлекательностью этого человека для Anopheles coluzzii.
Вещества, обуславливающие такой «интерес» комаров, вырабатываются железами, находящимися в коже и обеспечивающими наш запах – при этом у людей и обезьян их количество и состав разительно отличается. Даже у близкородственных человеку шимпанзе и горилл гораздо меньше эккринновых (то есть выделяющих секрет без повреждения клетки) потовых желез, чем у людей, но больше апокринных (у которых при секреции отделяются апикальные участки клеток) желез. Интересно, что исследование, которое изучало микробиом кожи приматов и людей, показало, что люди имеют более низкое бактериальное разнообразие кожи – вероятно из-за личной гигиены и отсутствия волос. Обезьяны из этого исследования демонстрировали более высокую относительную численность семейства Staphylococcaceae – а именно стафилококки (как и коринебактерии) производят летучие вещества, привлекающие антропофильных комаров. Также в предыдущих исследованиях было обнаружено, что Anopheles coluzzii «любят» людей с большим количеством Staphylococcus spp. на коже.
Поэтому понятно, почему ученые из исследования 2018 года задались вопросом, привлекают ли антропофильных комаров приматы, близкородственные человеку, и какую роль в этом играют летучие вещества, продуцируемые стафилококками или другими участниками микробиома кожи. Другими словами, зависит ли выбор комаром жертвы от ее запаха.
Ход исследования
Чтобы узнать, имеют ли схожие с человеческими кожный бактериальный профиль и запах близкородственные человеку приматы, ученые изучили бактериальный профиль кожи и запах тела пяти различных видов приматов, включая человека. Также они проверили привлекательность образцов летучих соединений, образующих запах тела, для антропофильных комаров Anopheles coluzzii и зоофильных комаров Anopheles quadriannulatus.
В исследовании приняли участие комары Anopheles coluzzii из Суакоко, Либерия, и Anopheles quadriannulatus из Сангве, Зимбабве, которых растили, соответственно, на «диете» из человеческой крови и крови крупного рогатого скота. Приматы были представлены взятыми от людей, западных равнинных горилл, бонобо, шимпанзе, кольцехвостых лемуров образцами кожного микробиома и набора летучих веществ, определяющих личный запах. Для контроля образцы были взяты также у коров. При этом в выборку обезьян и коров попали как самцы, так и самки, а людей – только европеоидные мужчины, которым, с целью избавления от «примесей» в их естественном запахе, было предложено воздержаться от употребления алкоголя, чеснока, лука или острой пищи, принятия душа, использования мыла или парфюмированных косметических средств накануне и в течение 24 часов после взятия проб. Все эти мужчины не имели хронических заболеваний и не принимали никаких лекарств на регулярной основе. Выбор мужчин обуславливался тем, что менструальный цикл влияет на запах тела, а также на бактериальный профиль кожи женщин и, соответственно, на их привлекательность для комаров.
Запаховые предпочтения комаров определялись очень просто: в камеру из поликарбоната размером 1,60 × 0,66 × 0,43 м, которая содержала два небольших отверстия на наветренной стороне, через которые можно было выпускать запахи и куда помещалась ловушка для комаров, с подветренной стороны запускали группы из 20–30 самок комаров (поскольку кровь сосут у комаров исключительно самки). Запахи разгонялись через полетную камеру сжатым воздухом, который фильтровался через уголь, нагревался и увлажнялся. Воздушный поток направлялся в сторону места выпуска комаров со скоростью 0,15–0,21 м/с. Через 15 мин ученые прекращали опыт и подсчитывали комаров в ловушке.
Каждый новый эксперимент начинался с новых образцов запаха, новых комаров и пустых ловушек. Эксперименты повторялись шесть раз, и образцы чередовались, чтобы свести к минимуму позиционные эффекты. После опыта комары утилизировались.
После окончания экспериментов полученные данные были проанализированы с помощью обобщенной линейной модели для исследований различий в привлекательности между стандартным запахом человека и запахом животного. Относительная привлекательность выражалась как количество комаров, пойманных в одно устройство-ловушку, деленное на общее количество комаров, пойманных в два устройства-ловушки вместе. Относительная привлекательность использовалась для исследования того, привлекает ли комаров запах человека больше, чем запах животных, при прямом сравнении друг с другом.
Результаты
При сборе микробиома выяснилось, что у человека самый бедный микробный состав из всех участников. Более 90% обнаруженных в ходе эксперимента бактерий принадлежали к Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria и Bacteroidetes с одинаковым распределением среди видов животных, за исключением лемуров, у которых доля Firmicutes была ниже. Наибольшим бактериальным разнообразием отличалась коровья кожа. Кроме того, индекс филогенетического разнообразия образцов бактерий кожи бонобо также был выше, чем у образцов человека.
Так как предыдущие изыскания показали, что летучие субстанции, вырабатываемые Staphylococcus epidermidis, привлекают комаров, а летучие субстанции, вырабатываемые Pseudomonas aeruginosa – нет, а относительное преобладание Staphylococcus spp. на коже человека положительно коррелирует с повышением интереса к этой особи Anopheles coluzzii, в данном исследовании особый интерес был проявлен именно к этим двум родам.
Оказало, что у людей была самая высокая относительная численность Staphylococcus и Pseudomonas, а относительная численность стафилококков на коже человека, шимпанзе и горилл была значительно выше относительной численности этих бактерий на коже коров. Также на коже человека наблюдалось значительно большее количество Pseudomonas spp., чем на коже шимпанзе и горилл.
Как и ожидалось, бактериальный состав кожи коров отличался от такового у пяти отобранных видов приматов, включая людей. Бактериальные профили кожи лемуров не более отличались от людей, чем профили других приматов, хотя лемуры принадлежат к другому филогенетическому подотряду.
Что касается летучих веществ – компонентов запаха тела, то оказалось, что три основные компонента данных объяснили 51% вариации данных и показали четкое разделение профилей летучих веществ у разных животных. Было определено 5 летучих соединений, которые оказали наибольшее влияние на формирование отличий в запахе у животных – ( E )-2-пентеналь, кетамин, ( E )-2-бутеналь, геранилгераниол и 2-гексанон.
Все использованные методы анализа показали, что профили запаха человека более тесно связаны с профилями лемуров и коров, чем профили других животных. Ни одно из соединений, идентифицированных в этом исследовании, не было специфичным для одного вида животных, хотя PLS-DA выявил некоторые соединения, которые были связаны с одним видом животных больше, чем с другими.
Исследование показало, что на предпочтения Anopheles coluzzii значительно влияла комбинация предлагаемых летучих веществ – человеческий запах нравился ему больше коровьего, но при сравнении с обезьянами обнаружился неожиданный результат – Anopheles coluzzii отдавал предпочтение летучим веществам бонобо, а не человека. Запах человека, шимпанзе, гориллы или лемура нравился ему одинаково.
Предпочтение зоофильных Anopheles quadriannulatus также зависело от предлагаемых летучих веществ, но запах горилл нравился комарам больше.
Выводы
Таким образом, гипотеза о том, что микробный профиль кожи человека больше похож на профиль других приматов, была подтверждена тем фактом, что микробиом кожи коровы явно отличался от микробных сообществ человека и обезьян. Разнообразие микробного сообщества кожи человека было намного ниже, чем микробное разнообразие кожи других протестированных животных, что, как ранее и предполагалось, связано с отсутствием волосяного покрова на людском теле и соблюдением правил личной гигиены.
Исследования предыдущих голов показывали, что микробные профили кожи шимпанзе и горилл более похожи на таковые у людей, чем профили макак-резус и бабуинов. Поэтому ученые предполагали, что и в их исследовании микробные профили обезьян (а участвовали, напомню, как раз шимпанзе, гориллы, бонобо) будут более похожи на профили людей, чем лемуров – однако этого не произошло. Также не подтвердились данные о более низком содержании, по сравнению с обезьянами, Staphylococcus spp. в профилях кожи человека.
Считается, что наличие стафилококков а коже человека связано с обилием эккриновых желез и, следовательно, преобладает на стопах и ладонях. У нечеловекообразных приматов количество эккриновых желез гораздо меньше, хотя и выше, чем у большинства других животных. Эти различия могут объяснить распределение Staphylococcus spp. в образцах микробиома животных и человека, выявленных в исследовании.
Также неожиданной оказалась высокая относительная численность Pseudomonas spp. в образцах человека по сравнению с образцами других животных. Pseudomonas spp . также в обилии встречается в почве, поэтому ученые ожидали, что микробиом кожи коров покажет относительное преобладание Pseudomonas spp., по сравнению с другими животными.
Что касается образцов запахов, то в них ожидаемо наблюдалась большая внутривидовая вариативность по количеству летучих веществ, так и по их комбинации у каждой особи, что одновременно обусловлено как истинной межиндивидуальной вариацией, так и вариацией, вызванной методом сбора образцов (так, ватные диски, которыми пользовались в данном исследовании, собирают не только летучие, но и полулетучие вещества; другие методы сбора аромакомпозиций также имеют свои ограничения).
Летучие вещества наподобие аммиака и молочной кислоты также не были учтены – поскольку их трудно собрать на большинстве адсорбентов.
Интересно, что карбоновые кислоты – специфичные для человека летучие вещества и аттрактанты для антропофильных комаров – оказались представлены в образцах человека в практически таком же количестве, что и в образцах других животных. В общей сложности ученые идентифицировали около 30 штук летучих соединений, которых было значительно больше в образцах кожи животных, чем в контрольных образцах.
Так же, как и в случае с микробиомом кожи, запах лемуров был более похож на запах людей, чем запах других приматов. При этом предыдущие исследования не показали корреляции между микробиотой кожи животных, живущих в зоопарке, и микробиотой работников зоопарка. Кроме того, не было физического контакта между лемурами и людьми в зоопарках, где были взяты эти образцы.
Не подтвердилось и предыдущее наблюдение о том, что комары могут выбирать определенные места для укусов на теле. Исследование с образцами запаха, взятыми с рук, ног и подмышек, не выявило каких-либо различий в привлекательности для Anopheles coluzzii.
Еще одним интересным открытием оказалось то, что, несмотря на то, что предыдущие эксперименты показали корреляцию между бактериальным составом кожи людей и запахами, которые они издают, в этом исследовании не удалось установить четких корреляций между микробными профилями кожи и запахами разных животных. Этим различиям может быть несколько объяснений:
- обнаруженные летучие вещества, по крайней мере частично, не бактериального происхождения, а производятся самой кожей;
- использование ватных дисков в качестве адсорбента и последующие процедуры не позволило идентифицировать весь профиль летучих веществ;
- секвенирование ампликона гена 16S рРНК, которым определялся бактериальный состав, не делает различий между мертвыми бактериями и активной фракцией микробиоты кожи, которая способствует выработке летучих веществ.
Частично была подтверждена и гипотеза о том, что антропофильных комаров будут больше привлекать летучие вещества человека, чем летучие вещества коровы, но они не будут делать различий между летучими веществами человека и нечеловеческих приматов. Anopheles coluzzii действительно предпочитал летучие вещества человека летучим веществам коровы и не делал особого выбора между человеком и другими приматами (за исключением бонобо) по запаху. Однако в предыдущих исследованиях зоофильные Anopheles quadriannulatus предпочитали коровьи запахи человеческим запахам, а в этом стойкого предпочтения не было обнаружено.
Результаты исследования показывают четкие различия между профилями микробных сообществ и летучих веществ, находящихся на коже, у разных животных. Хотя учеными и не было обнаружено корреляции между степенью «любви к человеку» у изученных комаров и профилями микробиома и летучих соединений кожи их жертвы, комары с разными предпочтениями по-разному реагировали на запахи тестируемых животных.
Вероятно, высокая плотность эккриновых желез в коже человека и связанная с этим высокая численность разнообразных стафилококков приодит к образованию летучих веществ, которые привлекают именно антропофильных комаров.
Ограничения исследования и перспективы
Первым ограничением служит выбор только мужчин как представителей людей. Хотя для эксперимента он логически обусловлен, в природе комары кусают как мужчин, так и женщин, что может предполагать наличие еще какого-то неизвестного компонента, определяющего привлекательность человека для того или иного вида комаров.
Во-вторых, в природе выбор жертвы комарами не зависит только от летучих веществ на коже, но и, например, от обнаружения комарами источника выделения углекислого газа. Так как корова выделяет больше углекислого газа, она более привлекательна с точки зрения жертвы.
Кроме того, могут оказывать влияние и другие сигналы: цвет, температура тела, масса тела и защитное поведение. На данный момент известно, что в условиях с низкой численностью предпочтительных жертв предпочтения комаров характеризуются высокой пластичностью, что позволяет им находить других жертв.
Так, науке мало что известно о лесных комарах, которые могут способствовать передаче болезней между обезьянами и людьми, и о том, насколько важна роль предпочтения жертвы в этой передаче. В 2017 году одно исследование продемонстрировало, что комары анофелес, имевшие обезьяний плазмодий в своих слюнных железах, также кусали и людей, что указывает на возможность межвидовой передачи. На данный момент масштаб этого феномена неизвестен.
Различия в предпочтениях выбора жертв разными видами комаров потенциально влияют на их роль как переносчиков человеческих заболеваний. Лучшее понимание причин, по которым комар выбирает ту или иную жертву, приведет к лучшему пониманию межвидовой передачи трансмиссивных болезней, поэтому исследования в этой области продолжаются и сейчас.
