Рабочие муравьи, несмотря на их усердие, редко сталкиваются с возможностями для социальной мобильности. У многих видов особи строго придерживаются кастовых ролей: королевы откладывают яйца, а рабочие заботятся почти обо всем остальном, включая потомство.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые Рокфеллера описывают молекулярные механизмы, управляющие этим разделением труда. «Мы хотели знать: что заставляет маток откладывать яйца, а рабочих бесплодны?» говорит Даниэль Кронауэр, Стэнли С. и Сидней Р. Доцент Шуман. Кронауэр и его коллеги сообщают, что ген, кодирующий инсулиноподобный пептид, ILP2, играет важную роль в стимуляции и подавлении размножения - открытие, которое проливает свет на возможную траекторию эволюции специализированных каст.
Другой вид инъекции инсулина
Работая с аспирантом Викрамом Чандрой и научным сотрудником Ингрид Феттер-Прунеда, Кронауэр сначала провел поиск различий в экспрессии генов между размножающимися и неразмножающимися муравьями различных видов. Они обнаружили, что единственный ген, который кодирует пептид ILP2, постоянно активируется у репродукций. ILP2 является муравьиной версией инсулина и, подобно человеческому инсулину, вероятно, регулирует метаболизм. По словам Кронауэра, существует прямая связь между размножением и потреблением пищи: «Если состояние питания действительно низкое, вы не можете позволить себе производить потомство», - говорит он..
Далее исследователи изучили роль инсулина в клоне муравья-рейдера Ooceraea biroi. У этого вида нет отчетливых маток и рабочих; все муравьи одновременно вступают в репродуктивную фазу, за которой следует фаза ухода за расплодом, в которой насекомые выкармливают своих детенышей. Переходы между фазами регулируются наличием личинок: когда появляются новорожденные, муравьи перестают размножаться и переходят в заботливый режим.
Когда группа Кронауэра удалила личинок во время фазы ухода за расплодом, выработка инсулина во взрослой особи существенно возросла; и когда они вводили личинок во время репродуктивной фазы, производство инсулина уменьшалось. Эти результаты показывают, что присутствие личинок подавляет выработку инсулина; и без достаточного уровня этого пептида муравьи не могут размножаться.
В другом эксперименте исследователи вводили муравьям синтетический инсулин во время ухода за расплодом, что приводило к активации яичников, даже когда личинки находились поблизости. Этот результат предполагает, что муравьи с повышенным уровнем инсулина могут игнорировать сигналы личинок и размножаться в любое время.
«На этапе ухода за выводком присутствие личинок обычно снижает уровень инсулина у взрослых особей, поэтому их яичники отключаются, и они начинают заботиться о личинках», - говорит Чандра. «Но если вы экспериментально вводите инсулин, вы можете разорвать этот порочный круг».
Да, королева
Это исследование дает представление о том, как муравьи превратились из одиночных организмов в социальные виды со специализированными кастами. Kronauer предполагает, что, во-первых, передача сигналов инсулина стала реагировать на присутствие личинок, что привело к репродуктивным циклам, напоминающим наблюдаемые у O. biroi. Такая адаптация имеет смысл, так как муравьи, заботящиеся о потомстве, должны отдавать предпочтение поиску пищи, а не откладыванию яиц, а оба вида поведения, как известно, регулируются инсулином.
После этой эволюционной стадии, говорит Кронауэр, возникает вопрос: «Как муравьи вырываются из этого цикла?» Он предполагает, что из-за индивидуальных различий у одних муравьев от природы высокий уровень инсулина, а у других низкий. Примечательно, что исследователи наблюдали именно такую вариацию у O. biroi. Кронауэр утверждает, что люди с высоким уровнем инсулина, такие как его муравьи, которым вводили инсулин, могли бы игнорировать сигналы личинок и непрерывно размножаться, тогда как люди с низким уровнем инсулина были бы очень чувствительны к присутствию личинок и, таким образом, с большей вероятностью сосредоточились бы на заботе о расплоде.
«Как только у вас будет такая асимметрия в колонии, и колония будет работать хорошо, селекция приведет к еще большему разбросу уровней инсулина», - говорит Кронауэр. «Конечным результатом будет две касты муравьев - рабочие и королевы».