Генетически модифицированные муравьи, лишенные «обоняния», стали неспособны общаться, добывать пищу или соревноваться за звание королевы, поскольку их антенны и мозговые цепи не смогли полностью развиться. Это вывод исследования, опубликованного в Интернете 10 августа в журнале Cell..
«Мы обнаружили, что вид муравья может быть первой моделью, позволяющей проводить углубленный функциональный анализ генов, регулирующих социальное взаимодействие в сложном обществе», - говорит автор соответствующего исследования Дэнни Рейнберг, доктор философии, Терри и Мел. Кармазин Профессор кафедры биохимии и молекулярной фармакологии Медицинской школы Нью-Йоркского университета, а также научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза.
Хотя поведение муравьев не распространяется напрямую на людей, мы считаем, что эта работа обещает улучшить наше понимание социальной коммуникации, с потенциалом формирования дизайна будущих исследований таких расстройств, как шизофрения, депрессия или аутизм, которые мешают с ним», - говорит автор-корреспондент Клод Десплан, доктор философии, профессор кафедры биологии Нью-Йоркского университета.
Исследование также проводилось учеными из Университета штата Аризона, Университета Пенсильвании и Университета Вандербильта.
Разговор о запахах
Текущие результаты основаны на том факте, что муравьи общаются с помощью феромонов, выделяемых химических веществ, которые вызывают реакции. Такие запахи используются, чтобы распространять тревогу при приближении хищника, оставлять следы к еде, указывать на социальный (кастовый) статус и сигнализировать о готовности к спариванию, и все это в кооперативах, которые решают сложные задачи. Муравьи могут получать такие сигналы, потому что на их антеннах есть белки, называемые рецепторами запаха, причем каждый белок имеет правильную форму для связывания с определенным химическим веществом, вызывающим запах.
Для обработки любого запаха или феромона в мозгу муравья, однако, прошлые исследования показали, что должны присутствовать как правильный белок рецептора запаха, так и общий белок-партнер под названием Orco. Текущая команда успешно спроектировала генетическую потерю белка Orco, в результате чего муравьи больше не могли выполнять некоторые, если не все, социальные взаимодействия на основе феромонов.
В частности, измененные молодые муравьи, в отличие от своих сородичей без изменений, проводили большую часть своего времени, блуждая вне гнезда. Они не могли взаимодействовать с другими членами колонии (поведение, которое Рейнберг называет «космическим кадетом»), и не могли добывать пищу и приносить еду обратно в гнездо. Кроме того, самки-мутанты больше не ухаживали за самцами, что было поведением перед спариванием.
Нынешнее исследование было сосредоточено на индийском прыгающем муравье Harpegnathos s altator, который отличается от многих видов муравьев, у которых только королева может спариваться и передавать гены следующему поколению. Любая взрослая рабочая женщина Harpegnathos может быть преобразована в «псевдо-королеву» в отсутствие королевы.
Это происходит потому, что матка выделяет феромон, который подавляет способность рабочих спариваться и откладывать яйца. Если королеву удалить, самые агрессивные самки, выиграв серию дуэлей антенн, претерпевают этот переход и могут продолжать производить потомство, что необходимо для выживания колонии.
Нынешнее исследование показало, что без орко самки не могут обрабатывать феромоны, что снижает вероятность их участия в дуэлях.
Другой результат исследования исходил из того, что каждая нейрональная клетка (нейрон одорантного рецептора), способная обрабатывать наличие данного феромона на поверхности усиков муравья, посылает отростки, которые сходятся в специфической кляксообразной структура головного мозга, называемая клубочком. Там обрабатывается информация об этом запахе. Прошлые исследования показали, что у одиночных насекомых, таких как комары, плодовые мушки и мотыльки, связи между обонятельными рецепторами и клубочками являются «жесткими», т.е.е. их нервное развитие не зависит от активности рецепторов. Напротив, млекопитающие, по-видимому, имеют клетки рецепторов запахов с отростками, способными ориентироваться на правильные клубочки в зависимости от того, какие рецепторы запахов они экспрессируют. Это делает функцию зависимой от активности у мышей (и людей), в отличие от жестко запрограммированного контекста у мух, говорят авторы исследования..
Новое исследование предполагает, что муравьи Harpegnathos, возможно, также эволюционировали, чтобы иметь гибкие, основанные на деятельности паттерны нервных связей, которые, возможно, позволили расширить их репертуар обонятельных рецепторов для обнаружения феромонов. Эта гибкость необходима для общения, основанного на чувствительности к феромонам и результирующей активности их обонятельных нейронов, говорят авторы. Соответственно, потеря белка Orco оставила у самок муравьев в среднем только 62 из 275 клубочков, которые они обычно развивали бы для восприятия феромонов.