Утрата альтруизма (и касты рабочих) без потери генов

Международная команда исследователей обнаружила, что эволюционная утрата «альтруистической» касты рабочих у муравьев не сопровождается потерей генов.

Социальные насекомые, такие как муравьи, обычно характеризуются двумя различными женскими кастами: рабочими и матками. Предыдущие исследования показали, что рабочие и матки экспрессируют разные наборы генов, что заставило ученых предположить существование специфических для рабочих или «альтруистических» генов, способствующих социальности.

Проверить эту гипотезу «новых генов» сложно, поскольку все муравьи социальны. Однако не все муравьи производят рабочих. Некоторые муравьи являются «социальными паразитами без рабочих», чьи матки эксплуатируют рабочих других видов, вторгаясь и обосновываясь в их колониях. Авторы воспользовались необычной биологией этих муравьев, утративших касту рабочих, чтобы определить, существуют ли гены рабочих на самом деле.

Исследовательская группа под руководством Криса Р. Смита (Колледж Эрлхэм) и Александра (Саши) Михеева (Окинавский институт науки и технологий) секвенировала и сравнила геномы шести видов муравьев (3 хозяина и 3 социальных паразита без рабочих) в поисках признаков того, что гены, обычно сверхэкспрессируемые у касты рабочих, дегенерируют со временем, когда рабочие больше не производятся. Вместо этого они обнаружили, что «генов рабочих» не существует, и большая часть белок-кодирующего генома сохраняется у видов, прекративших производство рабочих, даже спустя миллион лет. Их исследование опубликовано онлайн в журнале Molecular Biology and Evolution.

«Это было полной неожиданностью, мы предполагали обратное — когда признак утрачивается, гены для этого признака должны со временем исчезать», — сказал Смит. «Этот результат имеет два интересных следствия: во-первых, похоже, не существует генов, которые были бы явно «рабочими» и, следовательно, по-настоящему «альтруистическими»; во-вторых, утрата целого плана строения тела не сопровождается потерей генов».

Этот результат предполагает, что геном любого организма может содержать потенциал для воспроизведения исторических фенотипов, которые больше не находятся под давлением отбора (в течение ~1 миллиона лет) — остается только гадать, какие древние человеческие черты могут продолжать таиться в нашем собственном геноме, ожидая проявления в другом экологическом контексте.

Изучая разные стадии развития муравья (красного муравья-жнеца, Pogonomyrmex barbatus), исследователи обнаружили, что большинство генов экспрессируются как у маток, так и у рабочих, но часто в разные моменты развития. Например, не существует уникально «рабочих» или «маточных» генов. Затем они проверили, с большей ли вероятностью гены с большей предвзятостью к рабочим будут утрачены у видов, которые больше не производят рабочих (социальных паразитов).

Для этого исследователи секвенировали геномы двух видов-хозяев и двух их социальных паразитов. Ответ был отрицательным — весь белок-кодирующий геном находился под давлением отбора, сохраняя гены, присутствующие как у хозяев, так и у социальных паразитов без рабочих.

Результаты так удивили исследователей, что они секвенировали геномы другой пары хозяин-социальный паразит из рода Vollenhovia, которые эволюционно независимы. И снова результат был тем же. Снова удивленные, они проверили, можно ли вообще ожидать ухудшения состояния генов за те же 700 000 — миллион лет дивергенции между видами с рабочими и без них. Действительно, модели предсказывают потерю генов, однако в их реальных образцах этого не наблюдалось.

«Социальный паразитизм относительно широко распространен у социальных насекомых, и наши результаты предполагают, почему — большинство изменений являются регуляторными и не требуют сложных изменений во всем геноме», — сказал Михеев.

Результаты, представленные в этом новом исследовании, дополняют растущий объем литературы, предполагающей, что многие признаки (и целые планы строения тела, как показано здесь) могут эволюционировать за счет изменений в регуляции уже существующих генов и сетей. Появление и утрата фенотипа могут облегчаться изменениями среды внутри и вне организма, не обязательно требуя изменений в белково-кодирующих генах, а лишь изменений в том, когда и как они используются.

«Это исследование напоминает нам о важности изучения организмов с необычной естественной историей, чтобы получить представление о процессах, которые в целом управляют разнообразием», — сказал Эндрю Суарес из Университета Иллинойса, соавтор исследования.

Хотя эта работа была посвящена видам, далеким от происхождения социальности, она предполагает, что социальность могла эволюционировать из регуляторных изменений у одиночного предка, а не требовать новых генов альтруизма для социальной жизни и разделения труда.