Цветение цианобактерий, которые каждое лето поражают западную часть озера Эри, является одновременно неприглядной неприятностью и потенциальной опасностью для здоровья населения, поскольку они производят токсины для печени, которые могут быть вредны для людей и их домашних животных.
Но токсины, образующиеся при цветении цианобактерий, могут также оказывать защитное действие на озерных животных размером с песчинку, которые их проглатывают, так же, как токсины в растениях молочая защищают бабочек-монархов от паразитов, согласно новому исследованию Университета США. Экологи Мичигана.
Лабораторное исследование показывает, что крошечные, похожие на креветок, пресноводные ракообразные, называемые дафниями, могут защититься от грибковых паразитов, потребляя токсины, вырабатываемые цветущими цианобактериями. Известные как водяные блохи, дафнии играют ключевую роль в пресноводных пищевых сетях и являются жизненно важным источником пищи для многих рыб.
Исследователи UM планируют последующие исследования, чтобы выяснить, проявляются ли защитные эффекты, которые они наблюдали в лаборатории, в озерах. Они также изучат потенциал разработки противогрибковых препаратов для человека.
Исследование запланировано к публикации 15 января в журнале Proceedings of the Royal Society B. Первым автором является Кристель Санчес, которая работала над своей магистерской диссертацией на факультете экологии и эволюционной биологии UM. Среди соавторов ее преподаватели, экологи UM Марк Хантер и Меган Даффи.
«Эта статья показывает, что дафния, живущая в озерах Мичигана, может получить защиту от грибковых паразитов с помощью токсинов, которые присутствуют в формирующих цветки цианобактериях», - сказал Хантер, который изучал монархов на биологической станции Университета Мексики в течение более чем десятилетие.
"Это удивительная водная параллель бабочек-монархов, которые получают защиту от своих паразитов с помощью токсинов молочая. Это говорит о том, что лекарства для животных могут быть даже более распространены, чем мы думали, распространяясь на водную сферу."
На протяжении десятилетий известно, что такие животные, как шимпанзе, ищут лекарственные травы для лечения своих болезней. В последние годы список зоофармацевтов стал намного длиннее, и теперь оказывается, что практика «самолечения» животных гораздо более распространена, чем ученые знали ранее.
Но большинство исследований самолечения животных были сосредоточены на наземных экосистемах. Относительно мало известно о том, как диета животного служит источником лекарств в водных системах.
Чтобы было ясно, текущее исследование не показывает, что дафнии занимаются самолечением в дикой природе. Чтобы продемонстрировать самолечение, исследователи должны были показать, что дафнии питаются преимущественно цианобактериями и водорослями, вырабатывающими токсины, чтобы снизить риск заболевания. Исследователи будут искать доказательства этого типа избирательного поиска пищи на следующем этапе исследования.
Но текущее исследование дает убедительные доказательства защитных свойств растительных токсинов, потребляемых дафниями.
«Грибковые патогены оказывают разрушительное воздействие на сельскохозяйственные культуры, дикую природу и даже людей», - сказал Даффи. «Для меня идея о том, что составы для борьбы с ними могут находиться прямо под поверхностью наших местных озер, действительно захватывающая».
Санчес выращивал Daphnia dentifera, обычное травоядное животное в озерах Северной Америки, в лаборатории и кормил людей одним из восьми видов зеленых водорослей или цианобактерий (ранее известных как сине-зеленые водоросли). В дикой природе дафнии питаются водорослями и бактериями, плавающими в толще воды; они являются частью группы крошечных водных животных, известных как пастбища зоопланктона.
Использовались пять видов зеленых водорослей и три вида цианобактерий, которые различались по своей пищевой ценности и выработке токсинов. Зеленые водоросли, как правило, более питательны для дафний, чем цианобактерии, вырабатывающие токсины.
Цианобактерии, использованные в исследовании, включали один вид Microcystis, группу обычных колониеобразующих цианобактерий, которые во многом виноваты в ежегодном летнем цветении озера Эри. Некоторые виды Microcystis продуцируют печеночные токсины, называемые микроцистинами. В своем эксперименте Санчес добавила чистый микроцистин к некоторым культурам Microcystis, чтобы приблизить уровни токсина, обычно наблюдаемые во время цветения цианобактерий.
Выращенные в лаборатории дафнии в исследовании UM были затем подвергнуты воздействию одного распространенного грибкового паразита и одного распространенного бактериального паразита. В дикой природе дафнии заражаются, поедая споры паразитов в воде.
Исследователи обнаружили, что диета оказала поразительное влияние на распространенность инфекции грибкового паразита, но не бактериального паразита.
Две диеты с цианобактериями, включая диету, в которой чистый микроцистин добавляли в стаканы, содержащие культуры Microcystis, полностью предотвращали грибковые инфекции. Диета только Microcystis без дополнительного микроцистина привела к очень низкому уровню грибковой инфекции.
Грибковые инфекции также полностью предотвращались, когда дафния питалась зеленой водорослью хлореллой. В целом, четыре из девяти диетических процедур продемонстрировали убедительные доказательства противогрибковой активности.
«Я думал, что, вероятно, выберу одну диету из девяти, которая показала какой-то лечебный эффект», - сказал Санчес. «Тот факт, что почти половина диетических процедур показала какой-то лечебный эффект, был действительно удивительным и свидетельствует о том, что мы не уделяем достаточно внимания механизму самолечения в водных экосистемах».
Напротив, ни одна из диетических процедур не предотвратила заражение бактериальным паразитом. Кроме того, неинфицированные дафнии, которые питались зелеными водорослями, давали в два-три раза больше потомства, чем те, которые питались цианобактериями, что подтверждает более высокое качество питания зеленых водорослей. Да и в целом при заражении паразитами рост уменьшился.
Санчес планирует продолжить работу над своим докторским исследовательским проектом под руководством Даффи. Исследователи будут искать доказательства самолечения и дополнительно изучат антимикробные свойства трех токсинов, которые показали противогрибковую активность в первоначальном исследовании: микроцистин-LR, анатоксин-а и хлореллин. К проекту присоединятся исследователи из Миннесоты и Джорджии.
«Многие исследования натуральных продуктов проводятся путем скрининга тонн растительного или водорослевого материала и использования различных биотестов в надежде, что вам повезет и вы найдете новое соединение или что-то активное», - сказал Санчес. «Но почему бы не посмотреть на то, что уже происходит в природе? Думаю, это то, что меня действительно привлекло, и почему я решил работать над этим проектом».
Исследователи говорят, что работа имеет широкие экологические последствия, отчасти потому, что глобальное потепление климата, как ожидается, увеличит частоту цветения цианобактерий в некоторых регионах. Это изменение может изменить динамику заболеваемости среди дафний, что, в свою очередь, «может иметь важные последствия для озерных пищевых сетей, поскольку дафнии являются ключевыми пастбищами, а вспышки заболеваний в популяциях дафний могут влиять на процессы на уровне экосистемы», - пишут авторы..