Сложность мозга муравья на клеточном уровне впервые раскрыта с помощью технологии единичных клеток
Международная группа исследователей под руководством китайского BGI-Research использовала технологию единичных клеток для изучения мозга муравьев, впервые объяснив, как социальное разделение труда в колониях отражается на функциональной специализации их мозга на клеточном уровне.
В исследовании, опубликованном в Nature Ecology & Evolution, ученые из BGI-Research, Куньминского института зоологии Китайской академии наук, Копенгагенского университета и других учреждений применили платформу для создания библиотек единичных клеток DNBeLab от BGI. Они получили более 200 000 транскриптомов единичных ядер из мозга фараоновых муравьев и построили транскриптомную карту единичных клеток, охватывающую все взрослые фенотипы этого вида: рабочих, самцов, девственных маток (гин) и плодных маток.
Муравьи — одни из самых успешных организмов на Земле, существующие более 140 миллионов лет. Биомасса муравьев оценивается как сопоставимая с биомассой людей. Успех муравьев обычно объясняют их замечательным социальным поведением с четким репродуктивным разделением труда. Колонии муравьев концептуализировались как сверхорганизмы более века. Теперь, используя технологию единичных клеток, ученые смогли систематически определить клеточную сложность мозга муравья и оценить разницу в составе клеток мозга между особями внутри одной колонии.
Специализация мозга у разных каст
Исследовательская группа обнаружила, что мозг рабочих и самцов чрезвычайно специализирован и высоко комплементарен. Нейроны, ответственные за обучение, память и обработку обонятельной информации, особенно многочисленны у рабочих, в то время как обилие клеток зрительной доли, обрабатывающих визуальную информацию, очень низко. Эта тенденция обратна у самцов: у них много клеток зрительной доли, но меньше нейронов для обработки запахов, обучения и памяти.
Изменения при переходе в статус матки
Анализ также выявил значительные изменения в мозге девственных маток по мере их превращения в плодных маток после спаривания. Например, обилие клеток зрительной доли уменьшалось по мере адаптации маток к темноте гнезда, в то время как дофаминергические нейроны и обволакивающие глиальные клетки увеличивались. Это может объяснять высокую плодовитость и долголетие маток.
Сравнение с дрозофилой и эволюционный контекст
Сравнивая клетки мозга фараонова муравья и плодовой мушки дрозофилы, исследователи также обнаружили множество консервативных типов клеток в мозге насекомых. Например, популяция клеток зрительной доли у дрозофилы, ответственная за восприятие движения объекта во время ухаживания, также существует у муравьев и особенно многочисленна у самцов. Молекулярная сигнатура и пространственное расположение этих клеток очень похожи у двух отдаленно родственных насекомых, что предполагает их консервативную роль в регуляции брачного поведения самцов у насекомых независимо от социальности.
Ключевые цитаты исследователей
- Д-р Цие Ли: «Наши открытия предполагают, что функциональная специализация их мозга, по-видимому, является механизмом, лежащим в основе разделения социальных задач между отдельными муравьями. Мы, люди, учимся и тренируемся для выполнения разных работ, в то время как муравьи рождаются с определенной ролью в своей колонии».
- Д-р Вэйвэй Лю: «Эти результаты хорошо согласуются с нашими наблюдениями в лаборатории: рабочие фараоновы муравьи отвечают за все задачи по поддержанию колонии, для которых нужен многофункциональный мозг, в то время как самцы не участвуют ни в каких таких задачах, так как их единственная функция — найти и оплодотворить девственную матку».
- Проф. Гоцзе Чжан: «Мозг разных каст и полов специализирован в разных направлениях и дополняет друг друга, позволяя всей колонии выполнять полный спектр функций, включая размножение, выращивание расплода, фуражировку и защиту. Эта стратегия жизни как сверхорганизма позволила муравьям процветать в течение более 140 миллионов лет конкуренции и в конечном итоге стать высоко доминирующей группой животных на Земле».