Исследование муравьёв проливает свет на эволюцию рабочих и маток
Рабочие муравьи, несмотря на своё трудолюбие, редко получают возможности для социальной мобильности. У многих видов особи строго придерживаются кастовых ролей: матки откладывают яйца, а рабочие занимаются почти всем остальным, включая заботу о потомстве.
В новом исследовании, опубликованном в Science, учёные из Rockefeller описывают молекулярные механизмы, контролирующие это разделение труда. "Мы хотели узнать: что заставляет маток откладывать яйца, а рабочих оставаться стерильными?" — говорит Дэниел Кронауэр. Кронауэр и коллеги сообщают, что ген, кодирующий инсулиноподобный пептид ILP2, играет ключевую роль в стимуляции и подавлении репродукции — это открытие освещает возможный путь эволюции специализированных каст.
Особый вид "инъекции инсулина"
Работая с аспирантом Викрамом Чандрой и постдоком Ингрид Феттер-Прунедой, Кронауэр сначала искал различия в экспрессии генов между размножающимися и неразмножающимися муравьями разных видов. Они обнаружили, что единственный ген, кодирующий пептид ILP2, постоянно повышен у размножающихся особей. ILP2 — это муравьиная версия инсулина, и, подобно человеческому инсулину, вероятно, регулирует метаболизм. По словам Кронауэра, существует прямая связь между репродукцией и потреблением пищи: "Если пищевые ресурсы очень низки, вы не можете позволить себе производить потомство".
Далее исследователи изучили роль инсулина у клонового муравья-рейдера Ooceraea biroi. У этого вида нет отдельных маток и рабочих; все муравьи одновременно входят в репродуктивную фазу, за которой следует фаза заботы о выводке. Переходы между фазами регулируются присутствием личинок: когда рядом появляются новорождённые, муравьи прекращают размножаться и переключаются в режим заботы.
Когда группа Кронауэра удаляла личинок во время фазы заботы, выработка инсулина у взрослых особей значительно увеличивалась; а когда они подсаживали личинок во время репродуктивной фазы, выработка инсулина снижалась. Эти результаты указывают, что присутствие личинок подавляет производство инсулина; и без достаточного уровня этого пептида муравьи не могут размножаться.
В другом эксперименте исследователи вводили муравьям синтетический инсулин во время фазы заботы, что приводило к активации яичников — даже когда личинки были рядом. Этот результат предполагает, что муравьи с повышенным уровнем инсулина могут игнорировать сигналы от личинок и размножаться в любое время.
"В фазе заботы присутствие личинок обычно снижает уровень инсулина у взрослых особей — поэтому их яичники отключаются, и они идут заботиться о личинках", — говорит Чандра. "Но если экспериментально ввести инсулин, можно разорвать этот цикл".
Да здравствует королева
Это исследование даёт ключи к пониманию того, как муравьи эволюционировали от одиночных организмов к социальным видам со специализированными кастами. Кронауэр предполагает, что сначала сигналинг инсулина стал 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 приоритет поиску пищи, а не откладке яиц — и известно, что оба этих поведения регулируются инсулином.
После этой эволюционной стадии, говорит Кронауэр, возникает вопрос: "Как муравьи выходят из этого цикла?" Он предполагает, что из-за индивидуальных вариаций у некоторых муравьёв естественным образом будут высокие уровни инсулина, а у других — низкие. Примечательно, что исследователи наблюдали именно такой разброс у O. biroi. Кронауэр выдвигает гипотезу, что особи с высоким уровнем инсулина, подобные его муравьям с инъекциями инсулина, смогут игнорировать сигналы личинок и размножаться непрерывно, тогда как особи с низким уровнем инсулина будут очень чувствительны к присутствию личинок и, следовательно, с большей вероятностью сосредоточатся на заботе о выводке.
"Как только в колонии возникает такого рода асимметрия, и колония функционирует успешно, естественный отбор будет ещё больше разводить уровни инсулина", — говорит Кронауэр. "Конечным результатом станут две касты муравьёв — рабочие и матки".