Социальные насекомые, такие как муравьи, пчелы и осы, демонстрируют организационную сложность, называемую эусоциальностью, когда отдельные члены колонии действуют скорее как части целого, чем как независимые организмы. В своих колониях каждый человек выполняет определенные задачи в зависимости от того, к какой касте он принадлежит: либо к репродуктивной касте, либо к касте рабочих. У многих видов репродуктивная роль определяется на раннем этапе развития - к тому времени, когда они становятся взрослыми, королевы и рабочие уже имеют определенные роли, отличающиеся внешним видом и функциями. Примечательно, что хотя муравьи, пчелы и осы развили эусоциальность по отдельности, все их общества демонстрируют это кастовое различие. Возникает вопрос: у этих разных организмов одинаковые или похожие гены эволюционировали, чтобы различать социальные касты?
Один из способов ответить на этот вопрос - рассмотреть исключения из общего правила. У многих видов муравьев королевы муравьев намного крупнее своих рабочих собратьев. Однако у некоторых видов, таких как местные окинавские виды диакаммы, между кастой рабочих и репродуктивной кастой мало различий во внешнем виде. В результате эти виды называются «муравьями без королевы», хотя в их колониях существует социальная иерархия, включающая как репродуктивные, так и рабочие касты.
Отсутствие физиологических различий между разными кастами делает Диакамму особенно интригующим муравьем для изучения. «В отличие от большинства видов муравьев, у которых способность к размножению определяется на раннем этапе развития, Diacamma демонстрирует необычную биологию, заключающуюся в том, что каждый муравей может стать частью репродуктивной касты до раннего взросления», - объясняет профессор. Александр Михеев, руководитель отдела экологии и эволюции Окинавского института науки и технологий (OIST). Когда взрослые самки муравьев Diacamma впервые выходят из куколки, у них есть пара крыловидных структур, называемых геммами. Каждая самка, сохранившая свои геммы, может размножаться, но, что ужасно, правящая репродуктивная самка, называемая геймергейтом, нападает на этих молодых муравьев и калечит геммы. Это насильственное увечье препятствует развитию яичников у этих самок, вызывая необратимое бесплодие. Затем бесплодные женщины становятся частью рабочей касты. Однако, если геймергейта нет, молодые самки сохраняют свои геммы и становятся частью репродуктивной касты.
Ученые хотели определить, как это увечье влияет на муравьев на молекулярном уровне. Для этого отдел экологии и эволюции OIST сотрудничал с исследователями из Университета Рюкю и Токийского университета, чтобы собрать колонии диакаммы из разных мест на острове Окинава и изучить модели экспрессии их генов. В каждом организме гены могут быть включены или выключены в зависимости от того, как они регулируются. Организмы с одинаковой ДНК могут иметь разный внешний вид, способности или функции в зависимости от того, какие гены включены или экспрессированы.
"Мы хотели сравнить экспрессию генов у изувеченных и не изувеченных муравьев на одной и той же стадии развития, чтобы увидеть, какие гены определяют кастовую дифференциацию". Михеев описывает: «Отсюда мы могли бы сравнить модели экспрессии генов между различными кастами муравьев Diacamma с таковыми у других видов, чтобы выяснить эволюционное происхождение эусоциальности». Это исследование показало, что только небольшое количество генов отличает репродуктивную касту от касты рабочих, в первую очередь гены, связанные с питанием. Это намекает на то, что повышенная потребность в энергии для размножения может быть фактором эволюции эусоциальности.
Было обнаружено, что некоторые из этих генов влияют на определение касты у других видов, таких как пчелы, осы и другие муравьи, хотя обычно в процессе развития. Отдел экологии и эволюции OIST планирует использовать результаты этого исследования, опубликованные в журнале Molecular Ecology, для дальнейшего изучения эволюционного происхождения эусоциальности. «Мы проводим дополнительное исследование, сравнивая профили развития экспрессии генов у муравьев и медоносных пчел, чтобы исследовать параллели в том, как постоянно развивались касты», - говорит Михеев..