English
Biolog z Velké Británie Athol McLachlan testoval v roce 1999 hypotézu, že parazitický roztoč mlžovka ypsilonová (Unionicola ypsilophora) snižuje pářící schopnosti infikovaných pakomárů druhu Paratrichocladius rufiventris. Zdálo se to přirozené. Samci pakomára utvářejí pářící hejna, do kterých vlétají samičky a v nichž si samci konkurují. Velcí ektoparaziti jako mlžovka ypsilonová by tudíž měli snižovat letové a manévrovací schopnosti hostitelů a v důsledku toho jejich schopnost v konkurenci obstát. Experiment však ukázal pravý opak. Množství infikovaných samců v hejnech bylo výrazně nižší (okolo 4 %) než množství infikovaných samců v utvořených párech (okolo 15 %), a tak měli infikovaní samci mnohem větší šanci na spáření než samci neinfikovaní. Co se stalo?
Foto: MARIE L. SCHMIDT, Archiv autorky
Pářící se mandelinky Libidomera clivicollis; jeden z druhů, u kterého bylo pozorováno infekcí vyvolané zvýšení reprodukce.
Ukazuje se, že jde o adaptivní manipulaci hostitele parazitem. Podobně jako například houby rodu Ophiocordyceps nutí napadené mravence vystoupat na vrcholky stonků rostlin, aby zemřeli a efektivněji rozšířili vytvořené spóry, jeví se pro sexuálně přenosné parazity přirozené, aby hostitele nutili k častějšímu sexu. Biologové však takových parazitů v přírodě objevili jen velmi málo. Kromě výše uvedeného roztoče mlžovky ypsilonové vlastně jen dva. Samci mandelinky Labidomera clivicollis infikovaní roztočem Chrysomelobia labidomera dokázali vytlačit samčí rivaly z pářících se dvojic častěji než neinfikovaní. Samice škodlivého motýlka Helicoverpa zea infikované pohlavně specifickým virem produkují více pohlavního feromonu než samice neinfikované, čímž zvyšují svou schopnost přilákat samce. Proč se takových systémů (prozatím) našlo jen málo?
Společně s Danielem Maxinem z Valparaiso University v Indianě, USA, jsme se pokusili tuto otázku zodpovědět, k čemuž jsme využili matematické modelování. Co si za tím představit? Cílem mnoha (nejen) vědeckých oborů je pochopit, předpovídat a/nebo kontrolovat vývoj a chování reálných systémů. Jak se letadlo udrží ve vzduchu? Bude o víkendu pršet? Kolik populace je třeba očkovat, abychom viditelně snížili možné dopady očekávané epidemie? Jistě relevantní otázky, avšak experiment, který by nám je pomohl zodpovědět, by byl stěží uskutečnitelný. Musíme využít jiných technik. Sestavíme model systému neboli zjednodušenou verzi systému obsahující jen části podstatné pro zodpovězení dané otázky. Pokud má model formu rovnic popisujících procesy, které daný systém ovlivňují, mluvíme o matematickém modelu; potvrzení toho, že matematické modely fungují, můžeme vidět na obloze či v epidemiologických plánech mnoha vyspělých zemí.
Matematické modely slouží i v populační ekologii a evoluční biologii, tj. v oblastech biologie s velkým aplikačním potenciálem. Představme si například, že se snažíme co nejlépe bojovat s domácími (kůrovec) či zavlečenými (bolševník) škůdci a následně předpovídat potenciál pro vznik adaptivní rezistence na některá kontrolní opatření, jako je třeba použití pesticidů. V těchto i jiných situacích se pokoušíme nejprve popsat přirozenou dynamiku dané populace. Často se tak děje pomocí diferenciálních nebo diferenčních rovnic popisujících vliv demografických či behaviorálních procesů na rychlost, s jakou se početnost dané populace mění v čase. Zkoumáním vlastností řešení těchto rovnic získáváme představu o přirozené populační dynamice. Přirozená dynamika však není až tak „přirozená“, neboť téměř každá populace s něčím interaguje, ať už je to lidský zásah, dravec, konkurent či parazit. Uvažujeme-li o parazitu, můžeme si hostitelskou populaci rozdělit na dvě ovlivňující se skupiny – na zdravé a infikované jedince. Při setkání (u pohlavně přenosných nemocí pářením) se může s jistou pravděpodobností přenést infekce, infikovaní jedinci mohou mít zvýšenou pravděpodobnost úmrtí a také pozměněné reprodukční schopnosti.
Do hry nakonec vstupuje evoluce. Nejprve je nutné zvolit vhodný dědičný znak; v případě naší práce zvýšení pářící schopnosti infikovaných hostitelů relativně vůči hostitelům zdravým. Na počátku je kmen parazita, který nijak pářící schopnosti hostitele neovlivňuje. Pokud však nastane mutace, jež může tuto schopnost snížit či naopak zvýšit, původní, hojně zastoupený kmen si nyní v rámci hostitelské populace konkuruje s několika mutanty. Zajímá nás, zda mutantní kmen vyhyne, nebo se bude šířit a nahradí kmen původní.
Nahradí-li mutantní kmen svého předchůdce, vstoupí do děje mutant další. Znovu sledujeme konkurenční boj, znovu vneseme nového mutanta a tak dále. Proces se jednou zastaví a výsledný parazitární kmen napoví, co lze v přírodě očekávat. Pokud náš dědičný znak odpovídá snížení pářící schopnosti infikovaných hostitelů relativně vůči hostitelům zdravým, pozorujeme jev, který A. McLachlan při svém pokusu očekával. Pokud však odpovídá naopak zvýšení této schopnosti, jde o jev, který skutečně pozoroval.
Ve většině případů se mutanti nevyvinuli způsobem, že by zvýšili pářící schopnosti infikovaných hostitelů. Místo toho se tato schopnost snížila nebo parazit vymřel v procesu zvaném evoluční sebevražda. V některých situacích však zvýšení pářící schopnosti infikovaných hostitelů přece jen nastalo, a to zejména u velmi plodných hostitelů a snadno přenosných parazitů. Ukázali jsme také, že pokud parazit ovlivňuje pářící schopnosti infikovaných hostitelů pouze u jednoho pohlaví (jak naznačují všechny tři existující studie), potenciál pro „kontrolu sexuální mysli“ hostitele parazitem roste s vyšší mírou polygynie hostitelské populace.
Zdá se tedy, že naše výsledky korespondují s malým množstvím studií demonstrujících parazitární zvýšení pářící schopnosti infikovaných hostitelů. Co je však příčinou tohoto malého množství? Co limituje výskyt tohoto zvýšení? Jedním ze zásadních prvků modelu je předpoklad pozitivní závislosti mezi rychlostí pohlavního přenosu infekce z infikovaných na zdravé hostitele a zvýšenou pravděpodobností úmrtí hostitele vlivem infekce. Předpoklad, považovaný za poměrně obecný, vlastně znamená, že „kontrola sexuální mysli“ hostitele je pro něj příliš škodlivá. Hostitel může být například tak jednostranně zaměřený na sex, že mu nezbývá mnoho času, aby získal dostatečné množství potravy, nebo je parazit pro hostitele jednoduše příliš letální.
Výsledky naší práce mohou epidemiologům pomoci pochopit, jak se pohlavně přenosné nemoci šíří, jaké jsou jejich limity a jaké vlastnosti tyto nemoci mají. Popis vlastností parazita a hostitele, které zvyšují pářící schopnosti infikovaných hostitelů, může také pomoci biologům najít více takových parazitů. I když toho, který by významně pozitivně ovlivňoval sexuální apetit nás lidí, mezi nimi zřejmě nenajdeme.
LUDĚK BEREC,
Entomologický ústav,
Biologické centrum AV ČR, v. v. i.