Недавно американские энтомологи Эдуард Книплинг (Edward F. Knipling) и Раймонд Бушланд (Raymond C. Bushland) были посмертно удостоены премии «Золотой гусь» (Golden Goose Award) за исследование «Сексуальная жизнь мясной мухи Cochliomyia hominivorax». Работа ученых положила начало серии проектов по выведению в лабораториях бесплодных самцов насекомых-вредителей.
Премия «Золотой гусь» вручается в США за исследования, получавшие финансирование из государственного бюджета, итоги которых поначалу могли казаться странными или глупыми, но потом оказали существенную пользу обществу. Книплинг и Бушланд в 1930-х – 1950-х годах искали методы борьбы с мухой Cochliomyia hominivorax. Самка этой мухи откладывает под кожу одной коровы и другого животного от 200 до 500 яиц. Всего же муха может отложить до трех тысяч яиц. Личинки паразитируют в теле животного около 20 дней, питаясь его тканями. При сильном поражении личинками мухи корова может погибнуть за две недели. Особенно часто заражение оказывалось смертельным для телят. Нередки были случаи заражения этими личинками людей. Симптомами заражения служат лихорадка и кожный абсцесс на месте проникновения в кожу личинок.
Муха Cochliomyia hominivorax
И ее личинка
В 1950-х годах животноводы США теряли ежегодно по вине Cochliomyia hominivorax 200 миллионов долларов (около 1,8 миллиарда в пересчете на нынешний день). Единственным известным методом лечения было хирургическое удаление личинок из кожи животных. Множество ветеринарных врачей вынуждены были ездить от фермы к ферме, осматривая и оперируя пораженных коров и телят.
Энтомологи научились разводить личинок мух в лаборатории (сначала – на живых кроликах, потом на питательной среде – мясном фарше, а в наши для для этого используется особая желеобразная среда) и, наблюдая за мухами, обнаружили, что их самкам свойственна своеобразная моногамия. Спарившись с одним самцом, самка приступает к откладке яиц и уже не ищет возможности спариться с другими. Книплинг и Бушланд предложили разводить мух в лабораторных условиях и лишать их способности продолжить род. Затем эти самцы должны выпускаться в природу. Там они будут спариваться с самками, но потомство у них не родится, что, по замыслу ученых должно было привести к резкому сокращению численности мух. Такое предложение ученые выдвинули в работе «Сексуальная жизнь мясной мухи Cochliomyia hominivorax», за которую сейчас им присуждена премия.
Эдуард Книплинг (стоит) и Раймонд Бушланд (сидит за микроскопом)
Идея Книплинга и Бушланда была встречена насмешками и недоверием. Коллеги говорили им: «Вы просто не сможете кастрировать достаточное число самцов». Действительно, ученые еще не могли придумать методам массовой быстрой стерилизации мух. Затем началась война, Книплинг и Бушланд работали на армию США, занимаясь методами борьбы с переносящими тиф вшами. После окончания войны Книплинг возглавил отдел энтомологии в службе сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Вашингтоне, а Бушланд стал руководить лабораторией в Техасе. Но они не оставили свою идею массовой стерилизации мясных мух.
В 1950 году ученые ознакомились со статьей Нобелевского лауреата Пауля Германа Мюллера, где описывались опасности радиации и ядерной войны. В частности Мюллер ссылался на свою более раннюю публикацию, в которой рассказывалось, что радиоактивное облучение в его лаборатории сделало бесплодными самцов мухи дрозофилы. Книплинг и Бушланд посчитали, что данный метод как раз подходит для массовой стерилизации Cochliomyia hominivorax.
Бушланд уговорил приятеля из расположенной неподалеку военной больницы одолжить для экспериментов рентгеновский аппарат, дававший излучение, которое не убивало насекомых, но влияло на их репродуктивную функцию. Проведя ряд экспериментов, ученые смогли доказать, что излучение делает самцов бесплодными, но не влияет на их способность спариваться с самками. Рентгеновский аппарат оказался непрактичным для массовой работы, поэтому ученые закупили в национальной лаборатории министерства энергетики США в Оак-Ридж радиоактивный кобальт – побочный продукт ядерных реакторов.
Но, объявив о своем методе, Книплинг и Бушланд вновь не встретили поддержки. Идея окружающим казалась утопической, а некоторые члены Конгресса полюбили приводить название исследования Книплинга и Бушланда в качестве примера в своих речах по поводу необдуманных трат бюджетных денег. Энтомологи получили признание лишь после того, как в 1953 году к ученым обратился губернатор карибского острова Кюрасао, принадлежащего Нидерландам, где мухи Cochliomyia hominivorax к тому моменту поставили под угрозу существование домашних коз – основного источника мяса и молока для местных жителей.
Через некоторое время энтомологи организовали производство стерилизованных самцов для Кюрасао и добились успеха, какого и сами не ожидали. В лаборатории на Флориде выводились и стерилизовались сотни тысяч самцов Cochliomyia hominivorax. Их грузили на самолеты, доставляли на Кюрасао и сбрасывали на остров. Всего за три месяца удалось искоренить мясную муху. Позже было подсчитано, что для успеха было достаточно выпускать 150 самцов на квадратный километр в неделю. О результатах испытания они сообщили в научном журнале, а 22 мая 1955 года об этом широко оповестили американские газеты, назвавшие эксперимент «победой атома и любви» над опасной мухой. Книплинг и Бушланд, над которыми еще недавно смеялись, были объявлены национальными героями.
Победа на Кюрасао послужила доводом в пользу начала массовой кампании против мухи в США. Благодаря активному лоббированию проекта флоридскими скотоводами Конгресс согласился выделить средства. К 1959 году стерилизация самцов привела к полному исчезновению мухи к востоку от Миссисипи. А к 1966 году мясная муха полностью исчезла из Соединенных Штатов. В течение следующих сорока лет программа была реализована в Мексике и далее в странах Центральной Америке, вплоть до Панамы, где от мухи избавились к 2006 году. Выпуски стерилизованных самцов производятся в Панаме и сейчас, чтобы гарантировать, что муха не проникнет в страну вновь.
Станция по разведению мух в Мексике
Яйца мухи Cochliomyia hominivorax на питательной среде
Устройства для облучения куколок мухи
Расфасовка облученных куколок
Куколки в инкубационных камерах перед отправкой в места выпуска
Экономисты подсчитали, что на научные исследования Cochliomyia hominivorax было потрачено за 1930-е – 1950-е годы около 250 тысяч долларов, тогда как положительный эффект для мясной и молочной промышленности только в США и только за 1950-е годы составил не менее 200 миллионов долларов. Для наглядного представления выгоды от исследований энтомологов читателям предлагают прибавить к цене на говядину в ближайшем супермаркете 5 % – примерно такой она бы была, если фермеры до сих пор были бы вынуждены тратить средства на защиту стад от мухи. Книплинг и Бушланд за свою деятельность получили Национальную премию в области сельскохозяйственных наук и Всемирную продовольственную премию (1995).
Ареал мухи Cochliomyia hominivorax, оранжевый – нынешнее распространение, желтый – территория, где она встречалась раньше
В 1988 году муха Cochliomyia hominivorax была случайно занесена в Ливию и начала с успехом размножаться на местных стадах. Обеспокоенные правительства Ливии и соседних стран приняли решение применить американский метод борьбы с мухой. Кампания была организована при поддержке Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, Международного фонда сельскохозяйственного развития (МФСР), Программы развития ООН и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). Поскольку эффективность массовой стерилизации достигается, когда соотношение стерилизованных и природных самцов становится равным 10 к 1, для скорейшего осуществления программы стерилизованные самцы Cochliomyia hominivorax миллионами доставлялись из Центральной Америки в Ливию на самолетах. В течение 1990-х годов усилия увенчались успехом и ливийские стада избавились от мухи.
Следует заметить, что после открытия в конце 1920-х годов мутагенного эффекта радиации, идея применить его в борьбе с вредителями появлялась независимо у ученых разных стран. И, похоже, что если не самым первым, то одним из первых тут был советский генетик Александр Сергеевич Серебровский (1892 – 1948), который в 1940 году опубликовал в «Зоологическом журнале» статью «О новом возможном методе борьбы с вредными насекомыми». В 1969 году английский перевод его статьи был напечатан в сборнике Sterile-male technique for eradication or control of harmful insects, изданном МАГАТЭ в Вене. Уже после смерти ученого более подробное изложение метода было опубликовано в его небольшой монографии «Теоретические основания транслокационного метода борьбы с вредными насекомыми» (1971). Транслокации в данном случае – это тип мутаций, а именно перемещения участка одной хромосомы на другую. В случае, если самец будет гомозиготен по транслокациям, то есть обе парные хромосомы будут иметь перемещенные участки, то он не даст жизнеспособного потомства.
Массовая стерилизация самцов ионизирующим излучением предлагалась для борьбы с разными видами насекомых, вредных для сельского хозяйства или распространяющих опасные болезни. Среди них австралийская мясная муха (Lucilia cuprina), средиземноморская фруктовая муха (Ceratitis capitata), карибская фруктовая муха (Anastrepha suspensa), африканская дынная муха (Bactrocera cucurbitae), восточная фруктовая муха (Bactrocera dorsalis), луковая муха (Delia antiqua), мексиканская фруктовая муха (Anastrepha ludens), вишневая муха (Rhagoletis cerasi), хлопковая моль (Pectinophora gossypiella), яблонная плодожорка (Cydia pomonella), непарный шелкопряд (Lymantria dispar), четыре вида мухи цеце (Glossina), хлопковая совка (Helicoverpa armigera), хлопковый долгоносик (Anthonomus grandis), осенняя жигалка (Stomoxys calcitrans), табачный бражник (Manduca sexta). Многие из таких проектов были организованны или поддержаны Отделом МАГАТЭ по ядерным методам в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. В современной практике для облучения насекомых (чаще всего – на стадии куколки) используют изотопы цезий-137 и кобальт-60. Доза радиации подбирается так, чтобы она не влияла на продолжительность жизни самцов, их активность и готовность к спариванию, а только на возможность иметь потомство.
Генетические линии насекомых, используемые в массовом производстве, быстро устаревают из-за наследственных изменений, возникающих в ходе длительного размножения в неволе. Поэтому их обновляют примерно каждые 18 месяцев, отлавливая новых насекомых в природе.
Но не для всех стерилизация самцов оказалась подходящей. Например, для контроля численности майского хруща его пытались применять в 50-е – 60-е годы в Швейцарии (Е. Хобер) и в 70-е – в СССР (Я. П. Циновский). Как и у мясной мухи, стерилизация давала значительно сокращение потомства и общей численности популяции. Но в случае с майским хрущом способ оказался неприменим из-за особенностей его образа жизни. Личинка этого жука три или четыре года проводит в почве, а потом превращается во взрослое насекомое и вылетает наружу. Поэтому в некоторые годы жуков почти невозможно встретить, зато в другие, когда происходит массовый вылет, их множество. В таких условиях оказалось невозможным иметь под рукой необходимое количество самцов для стерилизации к нужному сроку. Но для многих других насекомых радиоактивная стерилизация оказалась действенным средством.
Наука не стоит на месте, и в наши дни метод искусственной стерилизации самцов вышел на новый этап развития – генно-инженерный. Дело в том, что хотя ученые и стараются подобрать дозу радиации так, чтобы самцы мух выживали и сохраняли тягу к продолжению рода, становясь всего лишь бесплодными. У других насекомых порой значительная часть облученных самцов становилась слишком вялой, ослабленной и не стремилась спариваться. Ученые стали действовать другими методами.
Специалисты из компании Oxitec Ltd вносят изменения в геном самцов разных видов насекомых, которые ведут к тому, что у них выживает только мужское потомство. Тогда в каждом поколении насекомых-вредителей будет всё меньше самок, что приведет к их полному исчезновению. Компания провела такую работу с комарами рода Aedes, которые переносят лихорадку денге и другие заболевания, а также с маслинной мухой (Bactrocera oleae), повреждающей плантации оливы в Средиземноморье и уже проникшей в США. В 2014 году в журнале ProceedingsoftheRoyalSocietyBбыло опубликовано описание опытов ученых из Университета Восточной Англии и компании Oxitec Ltd. над средиземноморской плодовой мухой (Ceratitis capitata). Этот опасный вредитель широко распространился по Африке, Индии, Латинской Америке и Австралии. Она откладывает яйца в плоды цитрусовых, персика, сливы, хурмы, инжира, граната, абрикоса, яблони, винограда и еще нескольких десятков видов растений. В некоторых случаях потери урожая по вине личинок этой мухи могут достигать 100%.
Опыты проводились совместно с греческими учеными на Крите в специальных теплицах, где на лимонных деревьях содержалась популяция Ceratitis capitata. В геном насекомого вводится ген, который влечет гибель самки еще на личиночной стадии. В пищу контрольной группы насекомых добавлялось вещество, подавляющее активность этого гена, что позволяла вырастать здоровым самцам и самкам. Если же это вещество в рационе отсутствовало, то выживали только самцы. Такие самцы, спариваясь с самками в природе, будут передавать потомству летальный для самок ген. Исследователи считают, что их метод служит дешевой и эффективной альтернативой лучевой стерилизации.
В том же году группа ученых предложила в журнале Nature Communications новый метод борьбы с малярией. Они создали генетически модифицированных комаров, в потомстве которых из-за изменения в одной хромосоме насчитывается более 95% самцов. В природе такой дисбаланс полов приведет к резкому сокращению популяции, а так как комар Anopheles gambiae служит основным переносчиком малярии в Африке, то и к уменьшению числа зараженных. Генетическое определение пола у малярийных комаров, также как и у людей, зависит от сочетания X и Y-хромосом. Использованный учеными фермент эндонуклеаза уничтожает часть X-хромосомы, поэтому доля яиц с эмбрионами-самцами возрастает. В результате в четырех из пяти экспериментальных садках с комарами, куда были запущены самцы, в геном которых был вставлен ген эндонуклеазы, комары вымерли за шесть поколений из-за постепенного исчезновения самок.