Одна из величайших загадок эволюционной биологии заключается в том, что побудило некоторых живых существ отказаться от уединенного существования в пользу жизни в коллективных сообществах, как это видно в случае муравьев и других социальных, образующих колонии насекомых. Основной характеристикой так называемых эусоциальных видов является разделение труда между матками, откладывающими яйца, и рабочими, которые заботятся о выводке и выполняют другие задачи. Но что определяет, что матка должна откладывать яйца, а рабочие не должны размножаться? И как это различие возникло в ходе эволюции? Биолог-эволюционист доктор Ромен Либбрехт занимался этими проблемами в течение последних лет и в сотрудничестве с исследователями Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке нашел совершенно неожиданный ответ: один-единственный ген, называемый инсулиноподобным пептидом 2 (ILP2), который, вероятно, активируется за счет лучшего питания, стимулирует яичники и запускает размножение.
«Может показаться почти невероятным, что всего один-единственный ген должен иметь все значение», - отметил Либбрехт. Свой вывод исследователи сделали на основе сравнения 5 581 гена семи видов муравьев из четырех разных подсемейств, отличающихся друг от друга многочисленными характеристиками. Но в одном они все похожи: в мозгу репродуктивных насекомых экспрессия ILP2 всегда выше. Таким образом, королевы имеют более высокий уровень, чем рабочие. Еще одно открытие указывает на то, что этот пептид находится только в головном мозге, где он вырабатывается небольшим кластером всего из 12-15 клеток.
Разделение воспроизводства и уход за расплодом как основа формирования социальной колонии
Постулируется, что истоки социального поведения насекомых следует искать в предках, подобных осам, которые чередовали фазы размножения и ухода за потомством. Самка осы откладывала яйцо и заботилась о личинке, пока она не окуклилась. Однако эти две фазы были разделены, и связанные с ними обязанности были возложены на разных людей, а именно на маток и рабочих, в ходе эволюции эусоциальности.
Либбрехт и его коллеги из Нью-Йорка исследовали вид муравьев Ooceraea biroi, чтобы определить молекулярные механизмы, лежащие в основе этого разделения труда. O. biroi - это небольшой вид длиной от 2 до 3 миллиметров, происходящий из Азии, но распространившийся по тропикам. Насекомые живут в подземных ходах, нападают на гнезда других видов муравьев и питаются их выводком. Необычность видов O. biroi заключается в том, что у них нет маток, есть только рабочие самки. Однако каждая рабочая женщина может размножаться посредством партеногенеза. Это означает, что самка производит другую идентичную самку - насекомые фактически клонируют себя. И они всегда следуют определенному циклу: все рабочие самки откладывают яйца в течение 18-дневного периода, после чего они тратят 16 дней на сбор пищи и выкармливание личинок. Затем цикл начинается снова.
Это циклическое поведение сравнимо с поведением одиночных осоподобных предков и контролируется присутствием личинок. Когда первые личинки вылупляются в конце репродуктивной фазы, их присутствие подавляет активность яичников и запускает поведение по уходу за расплодом. Когда личинки начинают окукливаться в конце фазы ухода за расплодом, активность яичников увеличивается, а поиск пищи сокращается. «Что мы сделали, так это разорвали этот цикл», - объяснил Либбрехт. Исследователи синтезировали пептид ILP2 и ввели его муравьям. Это заставляло муравьев откладывать яйца в присутствии личинок.
Либбрехт использовал подход замещения расплода, чтобы исследовать, что происходит, когда личинки внедряются в колонию во время репродуктивной фазы и, наоборот, когда их удаляют во время фазы ухода за расплодом. «Мы видим, что экспрессия генов в мозгу меняется на обеих фазах, и муравьи соответственно меняют свое поведение и физиологию. Однако эта реакция происходит быстрее, если мы сталкиваемся с личинками муравьев, откладывающих яйца». Затем насекомые перестают откладывать яйца и начинают заботиться о выводке. «В этом есть смысл. В конце концов, для выживания важно быстро начать кормить личинок», - добавил он. Этот эксперимент также показал, что экспрессия ILP2 в мозге быстро и значительно менялась в ответ на изменение социальных условий.
От асимметрии питания к асимметрии размножения
Исследователи также учитывали значение питания, которое, как известно, играет важную роль, когда речь идет о различиях между матками и рабочими. Большое количество или хорошее качество пищевого белка способствует развитию личинок женского пола в маток. В колониях вида О. biroi небольшая часть муравьев составляют так называемые интеркасты. Эти насекомые немного крупнее, имеют глаза и более репродуктивны. Из-за этого их можно в какой-то степени сравнить с обычными королевами. Вероятность того, что личинка станет межкастовой, увеличивается, если она получает лучшее питание. Флуоресцентная визуализация показывает, что у этих представителей разных каст в мозге больше ILP2, чем у обычных рабочих.
«Нечто подобное вполне могло иметь место в случае с предками эусоциальных насекомых», - предположил доктор Ромен Либбрехт. «Возможно, незначительная асимметрия в отношении питания личинок привела к асимметрии репродуктивного поведения взрослых особей, развивающихся из этих личинок.«Предположение о том, что разделение на маток и рабочих, таким образом, могло начаться с одного-единственного различия, подтверждается экспериментами, проведенными в общей сложности на семи различных видах муравьев.
Будут проведены дальнейшие исследования, чтобы определить, применимы ли полученные данные к другим общественным насекомым и как муравьиные колонии как суперорганизмы контролируют общее снабжение пищей.