Похороны больных муравьиных королев спасли здоровых особей от заражения
Королевы черных садовых муравьев (Lasius niger) иногда основывают новую колонию сообща. Австрийские биологи обнаружили, что если одна из них заболевает и гибнет, вторая матка утилизирует труп, что помогает снизить риск заражения. Здоровые королевы разгрызают умершую самку на части, закапывают ее или выбрасывают из гнезда. Статья опубликована в BMC Evolutionary Biology.
Черные садовые муравьи, или черные лазии, — один из самых распространенных видов в Европе, в том числе в средней полосе России. Как и другие социальные насекомые, они живут в колонии, которую основала королева (муравьиная матка). Она устраивает подземное гнездо и откладывает яйца, из которых выводятся рабочие особи. При большой скученности насекомых заразившийся грибком или патогеном муравей может легко заразить собратьев по колонии. Чтобы уменьшить риск заражения отдельных особей и колонии в целом, рабочие муравьи занимаются грумингом друг друга.
Молодые королевы лишены этой защиты, так как они покидают колонию, чтобы основать свое собственное гнездо, и делают это без поддержки рабочих муравьев. Соответственно, смертность от болезней среди новоиспеченных королев выше. Матки некоторых видов, в том числе и черных лазиев, выходят из положения, основывая колонии сообща. По наблюдениям исследователей, у L. niger так себя ведут около 18 процентов королев. С одной стороны, в этом случае вероятность успешного создания нового гнезда выше. С другой, по-видимому, повышается и риск заражения одной из особей.
Чтобы выяснить, как королевы ведут себя по отношению к другим зараженным маткам, авторы новой статьи провели ряд экспериментов. Они собрали несколько сотен новоиспеченных муравьиных маток и поместили их в пластиковые «гнезда», на дно которых насыпали слой размельченного гипса. Затем они намазали часть насекомых раствором с грибком Metarhizium brunneum. Этот патоген вызывал инфекцию, от которой муравьи погибали в среднем за шесть дней. Контрольную группу насекомых («ложно-зараженных») мазали чистым раствором без грибка.
В первом эксперименте исследователи выясняли, выбирают ли королевы для основания гнезда только незараженных особей, или им все равно. Ученые подсаживали к зараженной или ложно-зараженной особи в гнезде матку из экспериментальной группы, чтобы она могла выбрать, основывать гнездо в одиночку или присоединиться к особи в гнезде. Оказалось, что за 72 часа, в течение которых проводился эксперимент, 65 процентов королев решили присоединиться к другой особи — при этом не имело значения, была ли та инфицирована или нет. По мнению исследователей, такой результат можно объяснить тем, что сначала королевы-основательницы подвергаются слишком большому риску быть съеденными или умереть от обезвоживания, поэтому им надо как можно быстрее выкопать гнездо-убежище. По-видимому, угроза заражения от другой королевы в такой ситуации пугает насекомых меньше.
В следующем эксперименте ученые смотрели, как ведут себя муравьиные матки по отношению к телу умершей королевы у себя в гнезде. Авторы исследования помещали больную или ложно-зараженную особь в гнездо к другой (здоровой) и наблюдали за их поведением. Муравьиные гнезда были двух типов: с выходом наружу и герметично закрытые. Когда инфицированные особи начали гибнуть, экспериментаторы также умертвили ложно-зараженных особей и оставили их в гнездах.
Вскоре после смерти зараженных и ложно-зараженных особей 74 процента королев, оставшихся в герметично закрытых гнездах, разгрызли труп на части, отделяя ножки и сегменты тела друг от друга, а в 62 процентах случаев муравьи закапывали умершую особь в слой гипса на полу пластиковой коробки. Самки, которые находились в открытых гнездах, в 78 процентах случаев выкидывали труп наружу. Если же королева оставляла труп в гнезде, то она также либо разгрызала его, либо закапывала. Муравьи вели себя одинаково как по отношению к больной, так и по отношению к ложно-зараженной особи.
Исследователи отмечают, что в 96 процентах случаев тела мертвых самок начинали выделять споры патогенного грибка, которые заражали здоровых особей. Однако королевы обычно были быстрее и утилизировали трупы быстрее, чем те становились опасны для них самих.
Также исследователи выяснили, помогает ли это поведение избежать заражения. Оказалось, что да. При обычных контактах с больными здоровые королевы погибали в 45 процентах случаев и на телах 95 процентов из них образовывались споры грибков. Однако когда здоровые королевы разгрызали или хоронили труп больной особи, они сами заболевали в семь раз реже, чем те, кто этого не делал. Те особи, которые выбрасывали инфицированную самку из гнезда, заболевали втрое реже.
Ранее исследователи выяснили, что муравьи способны выживать без королевы вообще. Они обнаружили в заброшенном ядерном бункере времен холодной войны колонию, состоявшую из одних рабочих особей.
Но увеличиться в размерах им не удалось
Американские и бразильские исследователи представили результаты наблюдений за эволюцией клеток с синтезированным искусственно минимальным геномом. За две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В 2010 году сотрудники Института Дж. Крейга Вентера получили первую клетку с полностью искусственным геномом. Для этого они удалили собственную ДНК у бактерии Mycoplasma mycoides и заменили ее на несколько модифицированную, синтезированную в лаборатории. Она состояла примерно из миллиона пар азотистых оснований и содержала 901 ген. Клетка получила название JCVI-syn1.0. После этого исследовали задались целью выяснить, какой минимальный набор генов необходим клетке для самостоятельного выживания и размножения, и стали снабжать клетки все более урезанными геномами. О том, как это происходило, подробно рассказывает материал «Прожиточный минимум», вышедший в 2016 году, когда была создана версия JCVI-syn3.0 с минимальным геномом, который состоял всего из 473 генов. Этого оказалось недостаточно для устойчивого размножения и удобства экспериментов, и несколько генов пришлось добавить. Текущая версия JCVI-syn3B, о которой идет речь в новой работе, содержит 493 гена. На сегодняшний день это организм с наименьшим известным геномом, способный расти в чистой лабораторной культуре. Джей Ти Леннон (J. T. Lennon) из Университета Индианы с коллегами из Института Дж. Крейга Вентера и других научных центров Бразилии и США сравнили уровень накопления мутаций у организмов с минимальным и не минимальным геномами — JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0. Чтобы минимизировать влияние естественного отбора, их предварительно акклиматизировали в стандартной жидкой питательной среде и последовательно выращивали несколько моноклональных популяций из одной забранной клетки. Оказалось, что среднее число мутаций на нуклеотид за поколение у них практически неразличимо: 3,25 × 10−8 против 3,13 × 10−8 (p = 0,667). Это наивысший уровень накопления мутаций, когда-либо зафиксированный у клеточных организмов, что соответствует имеющимся представлениям о том, что при меньшем геноме скорость мутаций выше (а у M. mycoides она высока изначально). Общее распределение мутаций по типам (инсерции, делеции, однонуклеотидные замены) также оказалось схожим (χ22 = 4,16; p = 0,125). Однако состав однонуклеотидных мутаций, которые составляли 88 процентов от общего количества, у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 был разным. В обоих типах клеток замена гуанина или цитозина на аденин или тимин происходила значительно чаще, чем наоборот, однако степень этого неравновесия была разной: в 30 раз при не минимальном геноме и в 100 раз — при минимальном. Вероятно, это связано с отсутствием у последних гена ung, отвечающего за эксцизию неверно встроенного в ДНК урацила. Выяснив это, исследователи поставили эволюционный эксперимент, пронаблюдав за 2000 поколений в популяции из более чем 10 миллионов клеток. За такой период каждый нуклеотид их генома должен был мутировать более 250 раз, что создает неограниченное генетическое разнообразие для адаптации к среде. Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная разница в путях естественном отборе между популяциями у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 обусловлена только искусственным урезанием генома. Оказалось, что изначально она приводит к снижению максимальной скорости роста примерно наполовину. Однако этот показатель растет линейно со временем, и концу эксперимента приспособляемость клеток в двух группах практически сравнялась, а если оценивать ее относительно, то клетки с минимальным геномом эволюционировали на 39 процентов быстрее, и генетические паттерны эволюционных путей у них отличались. Наиболее выраженной особенностью JCVI-syn3B стало то, что в процессе эволюции их клетки не увеличивались в размерах, что обычно происходит при достатке питательных веществ (клетки JCVI-syn1.0 за это время увеличились в среднем на 85 процентов в диаметре и десятикратно в объеме). За это отвечали эпистатические эффекты мутаций в гене ftsZ прокариотического гомолога тубулина, который регулирует деление и морфологию клетки. Полученные результаты демонстрируют, что естественный отбор способен быстро повысить приспособляемость наипростейших автономно растущих организмов, причем минимизация генома открывает возможности вовлечения в эволюционный процесс ключевых генов, которые обычно эволюционируют медленно, пишут авторы работы. В 2022 году исследовательский проект LTEE представил результаты эволюционного эксперимента с 2000 поколений кишечных палочек с различными наборами исходных признаков. Оказалось, что, хотя генетическое разнообразие имеет существенное значение на ранних стадиях приспособления, основную роль в эволюционном процессе при бесполом размножении играют случайные мутации.