Освещая эволюцию муравьев-социальных паразитов

Некоторые виды муравьев — редкие социальные паразиты, существующие только как матки. Они умирают без рабочих особей и выживают, внедряясь в колонию близкородственных муравьев, где их потомство становится "классом досуга".

Долгое время считалось, что эти черты развивались постепенно, через ряд мутаций в изоляции. Однако ученые из Лаборатории социальной эволюции и поведения Университета Рокфеллера и их коллеги из Гарварда предложили новую теорию. Как сообщается в Current Biology, они обнаружили мутантов, похожих на маток — паразитических муравьев, спонтанно появившихся в колониях клоновых муравьев-рейдеров (Ooceraea biroi), у которых обычно нет маток.

"Этот мутант похож на предшественника других паразитических видов, — говорит ведущий автор исследования Уэринг Трайбл. — Это новый способ понять, как муравьи эволюционируют, чтобы стать социальными паразитами".

Изучение генетики этих уникальных муравьев может помочь понять молекулярные механизмы кастовой дифференциации (развития в рабочего или матку), а также биологическое развитие организмов в целом.

Прячась на виду

Среди более чем 15 000 идентифицированных видов муравьев сотни являются социальными паразитами. Рожденная в колонии-хозяине, паразитическая матка покидает ее, привлекает самца из другой колонии половым феромоном, а после оплодотворения внедряется в исходную или соседнюю колонию, часто используя химическую маскировку.

Из-за их уникальности биологи изучают их со времен Чарльза Дарвина, но в преобладающей теории их эволюции оставалось слабое место, говорит Дэниел Кронауэр, руководитель лаборатории. Они тесно связаны с хозяевами, но для приобретения паразитических черт им нужна была репродуктивная изоляция, иначе скрещивание с хозяевами "размыло" бы их уникальные черты. При этом в природе не находили промежуточно эволюционировавших муравьев.

Когда в 2015 году в лаборатории Кронауэра среди клоновых муравьев-рейдеров внезапно появились особи, похожие на маток, Трайбл обратил на них внимание. У этих мутантов были крылья, более крупные глаза и яичники, а во взрослом состоянии они проявляли общее безразличие к труду.

Оказалось, они существовали годами, скрываясь в плотных колониях. Генетический анализ показал, что они возникли в результате мутации внутри колонии, собранной на Окинаве (Япония) в 2008 году. Это заставило пересмотреть типичную историю вторжения паразитов.

Эксперименты и поведение

Исследователи провели серию экспериментов и генетических анализов. Поскольку клоновые муравьи-рейдеры размножаются бесполым путем, мутанты откладывали яйца, из которых развивались их копии.

Поведенческие тесты показали, что фуражировочные группы, состоящие только из мутантов, были в два раза меньше групп рабочих муравьев и реже пытались привлечь других муравьев к поиску пищи. Это поведение было промежуточным между трудолюбием рабочих и зависимостью маток и позволяло избегать опасностей вне колонии.

Несмотря на откладывание вдвое большего количества яиц, муравьи саморегулируют свою численность. Пока их количество остается ниже примерно 25% популяции хозяев, они преуспевают. Если больше — возникают проблемы: маткам нужна помощь рабочих, чтобы освободить крылья при выходе из куколки, и если маток слишком много, они погибают.

"Похоже, у них есть способность регулировать собственное размножение, чтобы не привести колонию-хозяина к вымиранию, что очень разумно для паразита, — говорит Трайбл. — Это дает мутантам возможность выживать в течение длительного времени".

Влияние гормонов

Полногеномное секвенирование выявило, что у паразитических маток есть мутация в хромосоме 13, структурно похожей на хромосомы, регулирующие социальную структуру колонии у других муравьев. Эта мутантная хромосома, по-видимому, содержит "суперген" — набор из более чем 200 генов, работающих вместе. Непропорционально большое число этих генов участвует в метаболизме гормонов.

Среди них — гены, кодирующие ферменты цитохрома p450, необходимые для синтеза гормонов как у муравьев, так и у людей. Похоже, что при этой единственной мутации "их форма, более высокая яйценоскость, поведение — все может измениться за один мутационный шаг", — говорит Кронауэр.

"Это был бы способ, которым фактически возможно превратиться из нормального муравья в паразита в пределах одного вида", — добавляет Трайбл.

Эта идея — что две очень разные формы животного могут возникнуть в одном виде — затрагивает самую суть загадки каст муравьев. Поскольку социальные паразиты без рабочих возникают в результате очень специфического типа мутации, влияющей на развитие касты, изучение мутантов, похожих на маток, может раскрыть молекулярные механизмы, позволяющие личинкам развивать различные кастовые морфологии.

Значение масштаба

Результаты также могут привести к дальнейшим исследованиям важного процесса развития, известного как аллометрическое масштабирование, который происходит у всех животных, включая человека, говорит Трайбл. Аллометрическое масштабирование сохраняет пропорции тканей организма по мере его роста.

Его механизмы неизвестны, но их понимание, вероятно, имеет значение для многих аспектов биологии человека, включая болезни. Возможно, мутанты, похожие на маток, могут предоставить новый путь для исследований. "У нас нет хороших примеров мутаций у плодовых мух, мышей или генетических нарушений у человека, которые так dramatically нарушали бы аллометрическое масштабирование", — говорит он.

"Мы считаем, что этот мутант, похожий на матку, станет мощным инструментом для понимания развития каст, а развитие каст, в свою очередь, является идеальной моделью для изучения этих более широких вопросов о том, как работает аллометрическое масштабирование".