Letzte Aktualisierung: August 2024
ParasitismAncestral state reconstruction
Zombieland – Geschichte
Die Geschichte eines Pilzes, der eine Ameise befällt und manipuliert
Hintergrund
Vielleicht haben Sie schon vom „Zombie-Ameisenpilz“, mit richtigem Namen Ophiocordyceps unilateralis, gehört, der im Videospiel und in der Fernsehserie „The Last of Us“ als eine große Bedrohung für das Überleben der Menschheit dargestellt wird?
In diesem fiktionalen Werk tragen die mit dem Klimawandel verbundenen höheren Temperaturen zur Entwicklung dieses Pilzes bei. Der Pilz wird dann die Menschen infizieren und ihr Verhalten manipulieren, um seine eigene Fortpflanzung und sein Überleben zu fördern.
Im wirklichen Leben ist O. unilateralis ein parasitärer Pilz, der bestimmte Ameisen infiziert und ihr Verhalten verändert. O. unilateralis infiziert vor allem Zimmermannsameisen, die in tropischen Wäldern leben.
Index
- Parasiten – oft unerwünschte Organismen
- Einige berühmte Parasiten
- Das Leben der Zimmermannsameisen und des Pilzes O. unilateralis
- + Die Wirt-Parasit-Beziehung auf molekularer Ebene
- Die Ko-Evolution von Wirt und Parasit
- + Wie kann man die Koevolution von Wirt und Parasit untersuchen? Wie rekonstruiert man den Zustand der Ahnenmerkmale?
- Nähert sich die Zombie-(Pilz-)Apokalypse?
- + Pilze und die chinesische Medizin
- Weitere Zombiegeschichten
Parasiten – oft unerwünschte Organismen
Ein Parasit ist ein Organismus, der von einem anderen Lebewesen (dem Wirt) profitiert, um zu leben und sich zu vermehren.
Diese Beziehung zwischen Parasit und Wirt ist für den Parasiten von Vorteil: sie kann neutral sein, ist aber für den Wirt oft schädlich und kann zu Krankheiten oder sogar zum Tod führen.
Parasiten können Tiere, Pflanzen, Pilze, Protozoen oder Bakterien sein. Viren werden als eine besondere Klasse von Parasiten angesehen.
Einige Parasiten leben im Inneren ihres Wirts, wie z. B. Darmwürmer. Andere leben auf der Oberfläche ihres Wirts, wie Läuse oder Zecken, Misteln oder Efeu.
Fast alle Arten können eines Tages als Wirt für einen Parasiten dienen. Die Fortpflanzungszyklen der Parasiten umfassen manchmal mehrere aufeinanderfolgende Wirte, was ihrer Lebensweise eine faszinierende Komplexität verleiht.
Die Welt der Parasiten ist ein reiches und vielfältiges Universum. Sie veranschaulicht die unglaubliche Anpassungsfähigkeit von Organismen und die Vielfalt der Fortpflanzungsstrategien … Vielleicht finden Sie das spannend, aber nur solange Sie selbst nicht einem Parasiten zum Opfer fallen, genau wie die Zimmermannsameise!
Das Leben der Zimmermannsameisen und des Pilzes O. unilateralis
Die Kolonien der Zimmermannsameisen befinden sich meist hoch oben in den Bäumen der tropischen Regenwälder. Diese Ameisen nutzen Luftstraßen, um nach Nahrung zu suchen, und steigen nur bei Bedarf auf den Boden hinab.
Wenn sie sich am Boden befinden, können sie mit einer Spore des Pilzes O. unilateralis infiziert werden. Der Pilz dringt in die Ameise ein, vermehrt sich und organisiert sich im Körper der Ameise zu einer Kolonie.
Der Pilz setzt Substanzen frei, die in das Gehirn und die Muskeln der Ameisen gelangen. Unter dem Einfluss dieser verschiedenen „Drogen“ verändern die infizierten Ameisen ihr Verhalten.
Hätten sich die infizierten Ameisen normal verhalten, hätten sie bis ans Ende ihrer Tage in der Kolonie gelebt. Nach ihrem Tod wären sie von den Arbeiterameisen, die ihre Umgebung gewissenhaft säubern, schnell eliminiert worden. Der Pilz hätte seinen Reproduktionszyklus nicht beenden können.
Unter dem Einfluss der verschiedenen vom Pilz freigesetzten „Drogen“ werden die Ameisen die Kolonie endgültig verlassen und sich an Blätter in Bodennähe klammern.
In diesem Ökosystem sind die Feuchtigkeit und die Temperatur ideal für die Vermehrung des Pilzes. O. unilateralis produziert dann Verbindungen, die die Kiefermuskeln der Ameise verkümmern lassen, so dass die Ameise sich nicht mehr lösen kann und an das Blatt gefesselt stirbt. Man spricht von einer tödlichen Bindung (death grip).
Einige Stunden nach dem Tod der Ameise produziert der Pilz eine Art Stiel, der aus dem Kopf der Ameise herauswächst. Dieser Stiel wird Sporophor genannt: Er ist der sichtbare Teil des Pilzes.
Dieser Stiel gibt Sporen auf den Boden ab. Diese Sporen können dann andere Ameisen infizieren.
Dies ist der Beginn eines neuen Zyklus.
O.unilateralis hat also im Laufe der Evolution optimale Mittel erworben, um sich effektiv zu vermehren:
(1) Der Pilz besiedelt und verändert das Verhalten der Ameise so, dass sie an einem für ihn idealen Ort stirbt.
(2) Der Pilz verwertet den Körper der toten Ameise, um seinen Fortpflanzungszyklus abzuschließen.
Die Wirt-Parasit-Beziehung auf molekularer Ebene
Was passiert während der Infektion im Pilz und im Körper der Ameise? Welche biologischen Prozesse werden verändert?
In einer Studie aus dem Jahr 2015 haben Forscher das Genom von O. unilateralis sequenziert (hier ein kleiner Ausschnitt aus dem Genom dieses Pilzes).
Das Genom von O. unilateralis enthält etwa 10.000 Gene, die für Proteine kodieren. Die Autoren schätzen, dass 13 % dieser Proteine spezifisch für diesen Pilz sind. Einige Proteine ähneln bakteriellen Toxinen. Sie könnten von dem Pilz zum Zeitpunkt der tödlichen Bindung produziert werden und für den Muskelschwund der Ameise verantwortlich sein.
Die Forscher untersuchten auch die Veränderungen der Genexpression, insbesondere zum Zeitpunkt der tödlichen Bindung. Sie analysierten etwa 18 Millionen Stücke Boten-RNA, die sie aus den Köpfen infizierter Ameisen extrahiert hatten.
- Ameisen: Die Expression von etwa 1.900 Genen wird während des Prozesses verändert (etwa 10 % der Gene). Die Anwesenheit des Pilzes führt zu einer verminderten Immunantwort. Die Expression von Genen, die an Stressreaktionen, chemosensorischer Kommunikation (die Ameisen sind weniger empfindlich gegenüber Umweltsignalen) und Apoptose (Zellselbstmord) beteiligt sind, wird verändert. Nach der tödlichen Bindung werden die Apoptose-Gene der Ameise im Gehirn aktiviert: Die Gehirnzellen zerstören sich nach und nach selbst.
- Pilz: Die Expression von etwa 1 400 Genen (ca. 14 % der Gene) wird zum Zeitpunkt der tödlichen Bindung verändert. Diese Gene sind an Redoxprozessen (Modulation des Entzündungszustands der Ameise) und an der Interaktion mit Pathogenen beteiligt.
Diese Ergebnisse müssen durch weitere Studien bestätigt werden.
Quelle : Gene expression during zombie ant biting behavior reflects the complexity underlying fungal parasitic behavioral manipulation (2015)
Die Ko-Evolution von Wirt und Parasit
Die Untersuchung der Entwicklung der Beziehungen zwischen Parasiten und ihren Wirten ist ein wichtiger Aspekt der Evolutionsökologie: Sie ermöglicht insbesondere das Verständnis der komplexen Mechanismen, die beim Überleben der Arten und ihrer gegenseitigen Anpassung eine Rolle spielen.
Eines der Ziele der Evolutionsökologie ist es, zu rekonstruieren, was im Laufe der Evolution der „Wirts“- und „Parasiten“- Populationen passiert ist.
Die „Rekonstruktion des Zustands der Ahnenmerkmale“ (ACSR) ist eine Methode, mit der anhand der bei den Nachkommen beobachteten Merkmale ermittelt wird, welche Merkmale die Vorfahren der Organismen gehabt haben könnten. Auf diese Weise ist es möglich, die charakteristischen Merkmale von Organismen zurückzuverfolgen, die vor Millionen von Jahren gelebt haben (wikipedia).
Im Jahr 2019 untersuchten Wissenschaftler 629 Arten von parasitären Pilzen (Ordnung Hypocreales). Durch das Durchforsten von über 1.600 Publikationen fanden sie die Wirte dieser verschiedenen Parasiten und konnten ihre Evolutionsgeschichte rekonstruieren!
Quelle : Zombie-Ant Fungi Emerged from Non-manipulating, Beetle-Infecting Ancestors (2019)
Die verschiedenfarbigen Äste spiegeln die unterschiedlichen Wirt-Parasit-Verbindungen wider . Knoten 1: Der Vorfahre der Pilze war ein Parasit von Käferlarven // Knoten 2: Übergangsstelle zwischen Pilzen, die Käfer parasitieren, und jenen, die soziale Insekten (Bienen, Ameisen, Wespen) parasitieren // Knoten 3: Der erste Vorfahre von Pilzen, die soziale Insekten parasitieren //Knoten 4: Der erste Pilz, der Ameisen parasitiert (gemäß Abbildung 1 der Publikation)
Der Stammbaum der Pilze mit den nach der ACSR-Methode vorhergesagten Wirten zeigt, wann die verschiedenen Pilzarten in ihrer Evolution den Wirt gewechselt haben.
Die Vorfahren von O. unilateralis waren wahrscheinlich Parasiten, die die Larven von Käfern im Boden oder in verrottendem Holz infizierten. Käfer sind eher einzelgängerische Insekten.
Im Laufe der Zeit entwickelten die Pilze die Fähigkeit, das Verhalten ihrer Wirte zu verändern, und begannen, soziale Insekten wie Ameisen zu infizieren.
Soziale Insekten leben in hochorganisierten Gesellschaften. Die Kolonie wird durch eine gründliche Reinigung vor Krankheiten und Krankheitserregern geschützt: Der Körper des infizierten Organismus wird schnell eliminiert. Für den Parasiten war es unerlässlich, dass der infizierte Organismus sein Verhalten änderte: Er musste außerhalb der Kolonie sterben, damit der Pilz seinen Vermehrungszyklus abschließen konnte. Dies geschieht bei der mit O. unilateralis infizierten Ameise.
Der Wirtswechsel während der Evolution des Pilzes war möglich, weil die Käfer, die Ameisen und der Pilz in derselben Umgebung lebten.
Wie kann man die Koevolution von Wirt und Parasit untersuchen? Wie rekonstruiert man den Zustand der Ahnenmerkmale?
Für die „Rekonstruktion des Zustands der Ahnenmerkmale“(ACSR) werden verschiedene Ansätze verwendet, darunter auch das Sparsamkeitsprinzip.
In diesem Fall geht es darum, die Anzahl der Veränderungen zu minimieren, die bei den Vorfahren notwendig sind, um die bei den heutigen Arten beobachteten Merkmale zu erklären.
Hier ist ein Beispiel für einen einfachen Algorithmus (Fitch-Algorithmus), der das Sparsamkeitsprinzip verwendet. In diesem Algorithmus haben alle Vorfahrenmerkmale die gleiche Wahrscheinlichkeit zu existieren (wikipedia).
Angenommen, wir haben drei Pilzarten (A, B, C) und 2 beobachtete Merkmale: 0 -> der Pilz parasitiert einen Käfer; 1 -> der Pilz parasitiert eine Ameise.
Die Pilze B und C haben einen gemeinsamen Vorfahren (Vorfahre 1). Der gemeinsame Vorfahre aller Pilze ist Vorfahre 2.
Dies ist der phylogenetische Baum der drei Pilzarten :
Vorfahre 2
/ \
A Vorfahre 1
/ \
B C
Wir werden die beobachteten Merkmale den Endknoten zuordnen: A (0), B (1), C (0), und die von Vorfahre 1 (X) und Vorfahre 2 (Y) „rekonstruieren“.
Y
/ \
0 X
/ \
1 0
Fitch-Algorithmus: Wir beginnen mit den untersten Knoten des Baums und arbeiten uns zur Wurzel vor, indem wir den Merkmalen Zeichen (0 oder 1) zuweisen und dabei die Gesamtzahl der Änderungen minimieren.
- X :
- B: 1 -> 0
- C : 0 -> 0
- -> Das Ahnenmerkmal X, das dem Vorfahren 1 mit der geringsten Anzahl an Änderungen zugewiesen wurde, ist 0.
- Y :
- A: 0 -> 0.
- X : 0 -> 0.
- -> Das Ahnenmerkmal Y, das dem Vorfahren 2 zugeordnet wurde, ist 0.
Der rekonstruierte phylogenetische Baum mit den Ahnenmerkmalen (1 oder 0), der die Anzahl der Veränderungen minimiert, sieht wie folgt aus.
Vorfahre 2 0
/ \ / \
A Vorfahre 1 0 0
/ \ / \
B C 1 0
0 -> Der Pilz parasitiert einen Käfer ; 1 -> Der Pilz parasitiert eine Ameise.
Hypothesen:
– Vorfahre 1, der gemeinsame Vorfahre der Pilze B und C, war wahrscheinlich der Parasit eines Käfers.
– Vorfahre 2, der gemeinsame Vorfahre der Pilze A, B und C, war wahrscheinlich ebenfalls ein Parasit eines Käfers.
Nähert sich die Zombie-(Pilz-) Apokalypse?
Der Pilz O. unilateralis gehört zur Gattung Cordyceps.
Es gibt etwa 750 Arten von Cordyceps-Pilzen, die verschiedene Wirte in verschiedenen Umgebungen infizieren, vor allem Arthropoden (Ameisen, Spinnen). Einige parasitieren auf anderen Pilzen (Quelle: Wikipedia)!
Obwohl O.unilateralis Zimmermannsameisen auf beeindruckende Weise kontrollieren kann, ist es sehr unwahrscheinlich, dass der Pilz in Zukunft Menschen infizieren wird. Die Interaktion zwischen dem Pilz und seinem Wirt ist sehr spezifisch für die Funktion beider Organismen. Dasselbe gilt für andere Wirt-Parasit-Interaktionen.
Wenn wir in der Natur spazieren gehen, atmen wir unwissentlich viele Pilzsporen ein. Die meisten Pilze können bei unserer Körpertemperatur (37 Grad Celsius) nicht überleben. Nach Ansicht einiger Wissenschaftler handelt es sich dabei um einen Abwehrmechanismus, den wir im Laufe der Evolution gerade zu unserem Schutz erworben haben.
Pilzkrankheiten nehmen jedoch zu, vor allem bei Menschen mit einem geschwächten Immunsystem. Dafür gibt es mehrere Gründe. Einer davon ist der weit verbreitete Einsatz von Antibiotika, die das natürliche Gleichgewicht der Bakterienpopulationen in unserem Körper stören und eine Umgebung schaffen, in der sich Pilze gut vermehren können. Ein weiterer Grund ist die globale Erwärmung, die zum Beispiel zum Auftreten eines Krankheitserregers namens Candida auris geführt hat, der Menschen mit einem geschwächten Immunsystem infiziert. Im Gegensatz zu den meisten Pilzinfektionen kann sich C. auris von einer Person auf die andere ausbreiten. Die Tatsache, dass er seit kurzer Zeit auf mehreren Kontinenten vorkommt, deutet auf einen möglichen Zusammenhang mit dem Klimawandel hin.
Auch wenn „The Last of Us“ eher Fiktion als Realität ist, begrüßen Experten für Infektionskrankheiten das wachsende Bewusstsein für die Bedeutung von Pilzinfektionen.
Quelle: «The Last of Us» Apocalypse Is Not Realistic, But Rising Threat of Fungal Pathogens Is (2023)
Pilze und die chinesische Medizin
Etwa 30 Pilzarten der Gattung Cordyceps werden seit über 1.500 Jahren in der chinesischen Medizin verwendet und heutzutage als Nahrungsergänzungsmittel verkauft. Dies ist bei unserem Pilz O. unilateralis nicht der Fall.
Einige Cordyceps sind aufgrund ihres Potenzials in Bereichen wie Fruchtbarkeit und Libido bei Männern und Frauen auch als „Viagra aus dem Himalaya“ bekannt.
„Um alle Zweifel im Zusammenhang mit der Verwendung dieser Pilze als Nahrungsergänzungsmittel oder in der Medizin auszuräumen, ist die Durchführung von Sicherheitsstudien unerlässlich.“
«To address concerns about using these fungi as food supplements or health additions, safety studies are necessary.»
Quelle: Bioactive compounds from Cordyceps and their therapeutic potential (2023)
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