Одиночные пчёлы рождаются с функциональными внутренними часами — в отличие от медоносных
Социальные насекомые, такие как медоносные пчёлы и шершни, эволюционировали от одиночных пчёл и ос соответственно. Общая черта многих социальных насекомых — возрастное разделение труда: вышедшие из куколки рабочие особи сначала специализируются на круглосуточных задачах в темноте гнезда (уход за расплодом), а с возрастом переходят к более цикличной деятельности на периферии, завершая жизнь дневным сбором пищи вне улья. Исследование показывает, что этот переход от круглосуточной к ритмичной активности, нехарактерный для одиночных насекомых, вероятно, обусловлен более медленным созреванием эндогенных (внутренних) циркадных часов у социальных медоносных пчёл по сравнению с одиночными.
У одиночной красной осмии (Osmia bicornis), самки которой в любом возрасте вылетают за пищей для потомства, и самки, и самцы появляются на свет со зрелыми, полностью функциональными циркадными часами. Это подтверждается их 24-часовым ритмом движения и активностью клеток мозга, вырабатывающих «водитель ритма» — белок PDF (Pigment-Dispersing Factor).
«Наши результаты указывают, что созревание циркадных часов задержано у социальных медоносных пчёл по сравнению с одиночными осмиями. Мы предполагаем, что быстрое созревание часов — это исходное, предковое состояние, характерное для всех одиночных пчёл и ос, которым необходимо собирать пищу и ухаживать за расплодом на протяжении всей жизни. В то время как задержка в созревании, вероятно, развилась вторично у социальных видов, чтобы обеспечить возрастной переход от нециклического ухода за расплодом к ежедневному фуражированию», — говорит доктор Катарина Бер, соавтор исследования из Юлиус-Максимилиан-Университета Вюрцбурга.
Исследователи собрали только что появившихся насекомых: 40 рабочих особей (самок) медоносной пчелы (Apis mellifera) и 56 самок и 31 самца красной осмии. Их поместили в отдельные трубки системы Locomotor Activity Monitor, регистрирующей движение с помощью инфракрасных лучей. Активность непрерывно фиксировали в темноте при постоянной температуре от 3 до 45 дней после выхода из куколки.
Результаты:
- 100% молодых медоносных пчёл не показали спонтанного ~24-часового ритма сразу после выхода из куколки.
- 88% самок и самцов осмии проявили чёткий ~24-часовой ритм с самого начала (оставшиеся 12% рано погибли).
- Медоносные пчёлы развивали выраженный ритм только в возрасте не менее двух дней.
Нейронная основа различий
С помощью иммуногистохимии учёные сравнили созревание нейронов, синтезирующих PDF, у двух видов. В мозге насекомых кластер клеток — латеральные вентральные нейроны — действует как циркадный водитель ритма, выделяя PDF (нейромодулятор, влияющий на активность ЦНС). Подсчёт нейронов, продуцирующих PDF, в разном возрасте показал:
- У осмии количество этих нейронов не увеличивалось с возрастом — они были полностью развиты к моменту выхода из куколки.
- У медоносной пчелы число таких нейронов постепенно росло с возрастом.
Вывод: Циркадный водитель ритма полностью созрел у новорождённой осмии, но нуждается в развитии у медоносной пчелы, что объясняет отсутствие ритма у молодых особей. Эта задержка в созревании, вероятно, является эволюционной адаптацией к социальности, где молодые пчёлы должны круглосуточно ухаживать за расплодом.
«Было бы очень интересно провести аналогичные исследования на других социальных насекомых, например, муравьях, у которых есть разные формы социального поведения. Если мы обнаружим сходные различия в созревании эндогенных часов, связанные с разной социальной структурой, это станет сильным подтверждением нашей гипотезы», — заключает соавтор работы профессор Шарлотта Хельфрих-Фёрстер.
Исследование опубликовано в открытом доступе в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology.