С биологией в творчестве Джорджа Мартина ситуация принципиально иная, чем, например, с астрофизикой или экономикой. Как помнят читатели из прошлого текста, астрономам удалось придумать довольно простой и удачный механизм, который объяснял бы неожиданность смены сезонов Вестероса — он вполне может быть связан просто с высокой прецессией и нутацией планеты. Экономическая ситуация тоже довольно правдоподобна — в своих ключевых механизмах и даже слабостях она очень напоминает экономику феодальной Европы средних веков. Но вот какое объяснение может лежать в основе существования белых ходоков и их способности воскрешать мертвых?

Кажется, что ничего подобного в реальном мире существовать не может и к биологии вся эта история никакого отношения не имеет. В целом, конечно, это так. Однако в том, что происходит на экране, можно разглядеть кое-какие реальные биологические механизмы, о которых полезно знать и интересно рассказать.

Что нам известно про белых ходоков из книг и сериала? Прежде всего то, что они живут за стеной, не боятся мороза, похожи на мумий и у них голубые глаза. Еще они легко воспламеняются, рассыпаются от валирийской стали, а у некоторых, — наиболее «высокопоставленных» ходоков — на голове имеются выросты наподобие рогов. Самое же интересное их свойство — способность создавать вихтов, — зомби, перерожденных из людей и лишенных собственной воли. Попробуем разобрать все эти странные особенности ходоков по порядку.

Проект научно-развлекательного изучения Вестероса мы делаем вместе с банком «Открытие». Вы, вероятно, уже догадались по баннерам. С чего это вдруг? У «Открытия» есть банковские карты специально для любителей «Игры престолов». Все, кто оформят карту, получат до 6 месяцев бесплатной подписки на Амедиатеку и смогут, в частности, посмотреть (или пересмотреть) сериал. Карты оформляются тут.

***

Белые ходоки — это прежде всего олицетворение холода, существа, приспособленные к низкой температуре окружающей среды. Можно даже не начинать говорить о, собственно, биологии, чтобы понять, кто является их главным врагом. Это вовсе не Джон Сноу, а голландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф, сформулировавший в конце XIX века одноименное правило, объясняющее зависимость скорости химических реакций от температуры. Звучит оно так: «при понижении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной химической реакции уменьшается в два-четыре раза».

Это означает, что на каком бы «железе» не работали белые ходоки (углеродная это жизнь, кремниевая, или какая-то иная), скорость их метаболизма будет сильно падать при понижении температуры. Можно посчитать, что при температуре, скажем, в -30 градусов Цельсия, она будет в 100-15000 раз меньше, чем при «человеческой» температуре в 36,6 градусов. Вообще говоря, применять правило Вант-Гоффа к ферментативным системам нельзя, т. к. в них с ростом температуры скорость может даже падать из-за разрушения самого фермента. Но нас в данном случае интересуют низкие, а не высокие температуры. И тут почти у всех ферментов бутылочным горлышком скорости является диссоциация продуктов реакции. А она зависит от скорости диффузии, которая с понижением температуры все равно падает, так что мы опять возвращаемся к Вант-Гоффу (или Аррениусу).

Мы, к сожалению, не знаем, что едят белые ходоки и что у них за метаболизм, но низкая температура будет проблемой для любой биологической системы. Чтобы существовать в таких условиях, надо либо быть теплокровным существом, либо смириться с тем, что все жизненные процессы будут происходить очень медленно, — как, например, у некоторых изолированных почвенных бактерий. Ни то, ни другое не похоже на случай ходоков. В принципе, получить необходимое количество энергии для активной жизни при экстремально низкой температуре можно в том случае, если ваш метаболизм основан не на медленном кислородном дыхании, а на каких-то очень энергетически выгодных реакциях. Условно говоря, водород будет гореть и при температуре в минус сто. Но вот сильное повышение температуры мгновенно сделает такую реакцию неконтролируемой и разрушительной. Что, кстати, позволяет объяснить легковоспламеняемость жителей севера — несмотря на то, что в сериале и книгах пока что никто не пытался поджечь белых ходоков, есть косвенные указания на их уязвимость перед огнем. Вихты же горят не хуже бумаги, это мы точно видели. 

Вообще говоря, наше кислородное дыхание это и есть сжигание сахаров до воды и углекислого газа. Поэтому пример с горением водорода может ввести в заблуждение. Речь идет только о том, что известные нам живые организмы между топливом (сахаром) и продуктом горения водой и CO2) вставляют большое количество промежуточных стадий. Это, с одной стороны, позволяет сделать реакцию контролируемой, но, с другой стороны, существенно замедляет весь процесс. Если же в условиях экстремального холода метаболизм нужно ускорить, то для этого следует пропустить несколько промежуточных стадий и приблизить за счет этого дыхание к горению. С точки зрения химии такая стратегия должна сработать, но вот реальные живые организмы ее никогда не используют — просто потому, что гликолиз и дыхание это «хребет» всей биохимии жизни, его невозможно изменить. Вместо «выкидывания лишних стадий горения» реальная биология идет по пути интенсификации уже существуюших реакций, что приводит к генерации тепла и за счет этого ускоряет метаболизм — именно так и появляется теплокровность.


HBO / Game of Thrones

***

Другая проблема низкой температуры, — замораживание и образование льда — для живых организмов не является такой уж проблемой. Самые разные живые организмы — от амфибий до растений — научились бороться со льдом с помощью разнообразных криопротекторов, которые затрудняют кристаллизацию воды. Все они работают за счет того, что нарушают выстраивание молекул воды в цепочки и кластеры образуя с водой собственные водородные связи.

Элементарный пример такого вещества — любой спирт, например, метанол. Если взглянуть на формулу метанола, CH3-OH, легко увидеть, что одна его часть (гидроксильная группа) очень похожа на воду, и поэтому может нативно взаимодействовать с другими ее молекулами, а вторая часть сильно от воды отличается. Поэтому даже небольшое количество метанола вносит полный хаос в порядок цепочек молекул, выстроившихся для образования кристалла.

Простые спирты как криопротекторы в живых организмах не используются, так как они, к сожалению, денатурируют белки. Но вот вещества покрупнее, например двухатомный спирт этиленгликоль или треахтомный спирт глицерин для белков вполне безопасны. Глицерин, например, является основным криопротектором амфибий. Перед приближением зимы его концентрация в теле саламандр существенно возрастает, что позволяет им впадать в спячку и избегать образования в тканях кристаллов льда. Некоторые насекомые используют для тех же целей не глицерин, а похожие на него c химической точки зрения сахара: глюкозу, фруктозу и их полимеры. Так что с точки зрения биохимии устойчивость ходоков к низкой температуре ничего фантастического собой не представляет.

Pseudomonas syringae

today.duke.edu

Интересно, что в живом мире существуют и механизмы, позволяющие бороться с криопротекторами. Их, например, успешно используют бактерии Pseudomonas syringae, паразитирующие на некоторых растениях. Эти бактерии синтезируют очень необычный белок impZ, который способен инициировать образование в растительных клетках кристаллов льда. Последние, разрастаясь, разрушают клеточные мембраны и обеспечивают бактерий растительным соком. Интересно, что сухие препараты этих бактерий давно используют в льдогенераторах как средство ускорения кристаллизации.

Недавно, буквально две недели назад, биологам удалось в деталях рассмотреть, как работают «белки-замораживатели». Оказалось, что их молекулы обладают упорядоченным расположением гидрофобных и гидрофильных участков на своей поверхности, что позволяет выстраивать «хаотично бегающие» молекулы воды в зародыш нового кристалла. Как только льдинка сформируется, она начинает расти самостоятельно. Подобными свойствами инициаторов кристаллизации могут обладать не только белки, но вообще любые вещества с «правильно» чередующимися гидрофильными и гидрофобными группами. И если так устроена валирийская сталь (а почему нет?), это позволяет объяснить ее смертоносное действие на ходоков, которые от контакта с ней просто рассыпаются. Очевидно, нечто подобное должно происходить в переохлажденном метастабильном растворе при контакте с инициатором кристаллизации.

***

Способность создавать вихтов — ледяную версию зомби — кажется самым далеким от науки свойством белых ходоков. Иначе как магией его, вроде бы, не объяснить. Но на самом деле зомби в биологии встречаются, причем самые разные и в большом количестве.

Естественно, что зомби в данном случае это вовсе не воскресшее к жизни мертвое тело — но и в масскульте это слово далеко не всегда употребляется в таком смысле (единичные данные о воскрешении мертвых были опубликованы чуть менее двух тысяч лет назад и с тех пор в лабораторных условиях не воспроизводились). Биологические зомби — это вполне себе живые организмы, однако управляемые извне, в интересах хозяина. И, как правило, обреченные на неминуемую гибель.

Зомбификация подразумевает очень тонкий «хак» поведенческой системы одного организма другим. А это, естественно, требует длительной коэволюции двух видов: объекта зомбификации и его хозяина. Ведь всегда гораздо проще просто убить и съесть добычу, чем научится управлять ей. Именно поэтому зомбирование чаще встречается в среде насекомых и вообще членистоногих, которые имели сотни миллионов лет на коэволюцию и внешне мало изменились со времени своего появления.

Классическими мастерами зомбификации являются осы и наездники. Они откладывают яйца в тела своих жертв с помощью острого яйцеклада. В роли жертв обычно выступают кузнечики, сверчки или муравьи. Из отложенных яиц впоследствии вылупляются личинки, которые поедают хозяев и затем окукливаются в них.

Tellinii spinochordodes

Wikimedia Commons

В самом простом случае наездники просто парализуют жертву, откладывают в нее яйца и прячут в земляной норке. Однако некоторые перепончатокрылые научились не просто парализовать, а управлять поведением своих жертв. Например, изумрудная тараканья оса Ampulex compressa в качестве пропитания для своих потомков использует тараканов. Поймав будущего хозяина, она сначала жалит его в область основания ножек, а затем в голову. Сразу же после этого оса улетает искать подходящую норку и оставляет таракана одного.

Паралич проходит уже через пару минут, но таракан не спешит убегать — он стоит на месте и начинает усиленно чистить себе усики. Примерно через полчаса оса возвращается, откусывает ему эти самые усики и ведет за собой. При этом таракан покорно следует за осой и даже не пытается сопротивляться. Затем оса замуровывает его в норке и оставляет вместе с яйцом. Если таракана оттуда достать, он выглядит совершенно здоровым. Как и обычный таракан, он умеет летать, плавать и переворачиваться со спины на ноги. Все нормальные моторные навыки ужаленное насекомое сохраняет, но у него пропадает мотивация к собственным спонтанным действиям. Другим словами, он ведет себя как настоящий зомби.

Пример Ampulex compressa один из немногих, где ученым удалось узнать биохимический механизм такой зомбификации. Он оказался связан с тем, что содержащиеся в яде вещества блокируют особую популяцию нейронов, реагирующих на нейромедиатор октопамин. Эта группа нервных клеток контролирует у насекомых именно спонтанное поведение, чем и объясняется избирательность действия яда. Если уже после укола искусственно реактивировать рецепторы октопамина, таракан из зомби превращается в обычного таракана и сбегает из своей «гробницы». Подробный анализ механизма зомбификации у Ampulex compressa можно прочитать здесь.

Ampulex compressa

public domain

Но зомби вовсе не всегда ведут себя просто пассивно и покорно. Иногда они, наоборот, чего-то безумно жаждут — как вихты жаждут убивать все, что движется. Например, паразитические виды червей волосатиков (это отдельный тип, близкий к нематодам) умеют заставлять своих жертв безумно хотеть пить, из-за чего те погибают, бросаясь в воду. Волосатики размножаются в пресноводных озерах и ручьях, но вот сверчки, их хозяева, обычно держатся от водоемов подальше. Оказывается, чтобы попасть в водоем, волосатики научились манипулировать содержанием в мозге насекомого таурина, — вещества, которое, помимо прочего, регулирует осмотический баланс тканей (содержание соли в организме). Таким образом, насекомое, зараженного волосатиком, желающим поскорее попасть «к своим», начинает чувствовать безумную жажду и ищет ближайший водоем. Сверчок бросается в воду и тонет, а волосатик выходит из его тела и начинает поиск партнера для полового размножения.


HBO / Game of Thrones

Подобное манипулирование мотивацией возникало в живом мире неоднократно у самых разных организмов. Например, ее приобрели бакуловирусы, заражающие гусениц шелкопрядов. Перед тем, как гусеница погибнет и из нее выйдут вирусные частицы, она стремится заползти на ближайшее дерево и подняться как можно выше. В норме так себя гусеницы не ведут — ведь так их проще найти. Однако вирусу необходимо увеличить область рассеяния своих частиц, поэтому он «взламывает» инстинкт шелкопряда и заставляет его жертвовать собой в пользу паразита.

Интересно, что для зомбирования насекомых оказалось достаточно всего одного гена, причем этот ген вирус «украл» у самого насекомого. Продукт этого гена, однако, полностью поменял свою функцию, неожиданно превратившись из фермента в структурный белок капсида вируса. Как именно это позволило изменить поведение шелкопряда пока не понятно, и история эта очень запутанная. Достаточно сказать, что управлять поведением шелкопрядов умеют две разные группы бакуловирусов, причем механизмы этого управления совершенно различные и возникли независимо друг от друга.

Если вернуться к вихтам и попробовать выбрать механизм зомбирования, который бы для них хорошо подошел, то я бы, пожалуй, остановился на кордицепсе. Это один из самых известных мастеров зомбификации. Кордицепс Ophiocordyceps unilateralis — это гриб, который заражает несколько видов муравьев и использует их, фактически, в роли плодового тела. Гриб вырабатывает некие химические вещества (какие именно — пока не ясно), которые заставляют насекомое покидать муравейник и заползать на верхушки кустарников или травы. Там муравей закрепляется челюстями за лист и замирает. Грибные гифы после этого проникают в мозг муравья и убивают его, а в его теле начинается созревание спор. Интересно, что поначалу гриб «заботится» о хозяине — его гифы растут в теле насекомого избегая жизненно важных органов. И только после того как муравей выполнит «обязательную программу», кордицепс начинает проникать в мозг.

Если вспомнить о белых ходоках, то становится понятно, что их белая отслаивающаяся кожа очень похожа на результат грибного заражения. В конце концов, с точки зрения паразита значительной частью кожи можно пожертвовать на пропитание гиф — недаром ее называют «самым большим органом человеческого тела». Вихты, таким образом, могут быть промежуточными хозяевами грибов, живущих в белых ходоках.

Еще более убедительной такую версию делают «голубые» глаза тех и других. Как известно, голубого пигмента у позвоночных не существует, а синеватый оттенок глаз является следствием слоистости роговицы и отсутствия в ней меланина. Таким образом, если в случае вихтов речь идет о грибном заражении, то голубые глаза могут оказаться просто побочным эффектом расслаивания роговицы под действием гиф. Нет, конечно, в реальности ни один известный микоз к «посинению глаз» не приводит, но гипотетический механизм такого процесса гораздо более понятен чем, скажем, обратная трансляция. Вот ее не может быть даже в мире Джорджа Мартина.




HBO / Game of Thrones

Александр Ершов

Библиография

В таком коротком тексте невозможно не только подробно рассказать о механизмах, благодаря которым паразиты управляют поведением хозяина, но даже просто перечислить их. За пределами нашего обзора, например, осталась токсоплазма, которая может менять поведение кошек и даже, возможно, действует на человека. Для интересующихся этой темой можно рекомендовать книгу Карла Циммера «Паразиты» и несколько хороших обзоров. Например:

Costa da Silva R., Langoni H., Toxoplasma gondii: host–parasite interaction and behavior manipulation, Parasitology Research, 2009:

Libersat et al., Manipulation of Host Behavior by Parasitic Insects and Insect Parasites, Annu. Rev. Entomol., 2009:

Houte et al. Walking with insects: molecular mechanisms behind parasitic manipulation of host behaviour, Molecular ecology, 2013:

Biron&Loxdale, Host–parasite molecular cross-talk during the manipulative process of a host by its parasite, The Journal of experimental biology, 2013 :

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.