Модельной популяции нематод оказалась выгодна ранняя смерть взрослых червей
Британские ученые показали, что ранняя смертность взрослых особей нематод Caenorhabditis elegans может быть эволюционно выгодна для популяции. Они смоделировали развитие колоний червей в условиях ограниченных ресурсов и выяснили, что даже если нематоды остаются фертильными до самой смерти, популяции выгодно, чтобы взрослые особи умирали рано, — тогда пищи хватает для развития личинок. Особенно это важно, когда зрелые черви потребляют много ресурсов — те, кто много ест, погибают, чтобы потомки не голодали. Статья опубликована в журнале Aging Cell.
Вопрос о том, каковы функции старения и какие эволюционные преимущества оно несет, занимает умы ученых уже давно. По одной из версий, старение очищает популяцию от «износившихся» особей, чтобы сэкономить ресурсы для молодых и перспективных. Современная теория эволюции не поддерживает эту гипотезу, по крайней мере, для видов, которые живут не очень скученно. Высока вероятность, что альтруистичную гибель будут использовать более эгоистичные особи, и в таком случае суицид не будет эволюционно выгоден.
Однако виды, которые живут очень тесно, активно конкурируют за ресурсы. Если при этом генотип разных особей отличается слабо (это происходит, если организмы размножаются бесполым путем или являются гермафродитами), то альтруистичное поведение может быть выгодным для передачи генов следующему поколению.
Нематоды Caenorhabditis elegans — известный модельный организм, на котором изучают процессы старения. У них уже нашли целый ряд генов, выключение которых приводит к значительному увеличению продолжительности жизни, — значит, в норме у этих червей есть механизмы, которые ограничивают длину жизни. Однако приспособительная роль таких процессов не ясна до конца.
Дэвид Гемс (David Gems) и Евгений Галимов из Университетского колледжа Лондона предположили, что для гермафродитных C. elegans, которые живут очень тесными популяциями, альтруистичная гибель может быть адаптивным механизмом. Исследователи построили компьютерную модель, в которой черви жили в среде 300 на 300 клеток с запасом еды в центре. В модель помещали одну личинку и следили за развитием колонии, которая вырастала из нее.
Жизненный цикл виртуальных нематод состоял из трех стадий: двух личиночных и одной взрослой. При отсутствии еды одна из личинок переходила в спящую фазу, а другая превращалась в дауэровскую личинку, которые служат настоящим C. elegans для расселения. Производство дауэровских личинок и служило мерой приспособленности колонии — ведь именно благодаря этим особям нематоды осваивают новые территории и создают новые колонии.
Исследователи меняли продолжительность жизни модельных C. elegans, их производительность и ее зависимость от возраста. Неожиданно, даже если фертильность нематод не уменьшалась с возрастом, ранняя смертность повышала приспособленность колонии. Дело в том, что если черви живут долго, то увеличивается доля пищи, которую потребляют взрослые особи, — в ущерб личинкам. В таком случае ресурсы быстро заканчиваются, и сколько бы яиц не отложили нематоды за свою длинную жизнь, личинкам не хватит еды, чтобы превратиться в дауэровскую.
Выгода ранней смертности для колонии была больше, если C. elegans теряли фертильность с возрастом, — кормить особей, которые уже не оставят потомство, совсем невыгодно, — или при увеличении количества личинок, которые производит одна нематода. В последнем случае возрастает количество особей и конкуренция за ресурсы.
Когда ученые увеличили количество пищи, которое едят взрослые черви, колониям был выгоден генотип ранней смертности. Авторы объясняют это тем, что особи, которые использовали много ресурсов, должны умереть рано. Кроме того, модель подтвердила адаптивность снижения потребительской активности с возрастом, которое наблюдают у настоящих C. elegans.
В природе существуют удивительные примеры, когда самопожертвование отдельных особей оказывается эволюционно выгодным. Например, бактерии в войнах клонов устраивают массовый суицид. Они разрушают собственную оболочку и выделяют токсичные вещества, которые убивают противников.
Алиса Бахарева
Они проглатывают яйца весом с себя — и могли бы глотать крыс в 4-5 раз тяжелее себя
Африканская яичная змея Dasypeltis gansi, которая питается птичьими яйцами, способна раскрывать пасть в 2,5-7 раз шире других змей при учете длины тела. Это позволяет ей заглатывать рекордно крупную относительно массы собственного тела добычу. К такому выводу пришел американский герпетолог Брюс Джейн, результаты исследования которого опубликованы в статье для журнала Journal of Zoology. Змеи, за редким исключением, не умеют расчленять добычу и вынуждены заглатывать ее целиком. При этом некоторые из них способны поедать жертв, которые очень велики по сравнению с их собственными размерами. Например, крупные удавы и питоны порой заглатывают оленей и других крупных травоядных — а иногда даже аллигаторов. А африканские (Dasypeltis) и индийские (Elachistodon) яичные змеи целиком поедают птичьи яйца, которые составляют их единственную пищу. Зубы у этих рептилий сильно редуцированы, а нижние отростки шейных позвонков выступают в качестве пилы, которая вскрывает скорлупу яйца, пока оно проходит по пищеводу, после чего змея может проглотить содержимое яйца и отрыгнуть скорлупу. Герпетолог Брюс Джейн (Bruce C. Jayne) из Университета Цинциннати решил подробнее изучить адаптации яичных змей к специализированной диете. Исследователь предположил, что по сравнению с другими змеями эти рептилии должны уметь раскрывать пасть особенно широко относительно своего размера. Он сравнил анатомию африканской яичной змеи Dasypeltis gansi, питающейся исключительно птичьими яйцами, и североамериканской крысиной змеи (Pantherophis obsoletus), которая охотится на мелких позвоночных и яйца поедает лишь изредка (при этом она неспособна вскрыть скорлупу и переваривает яйца целиком). Джейн усыпил 15 яичных змей и 17 крысиных змей, после чего с помощью зондов разного диаметра проверил, насколько крупные объекты помещаются в пасть представителей обоих видов. Выяснилось, что у метровой D. gansi и полутораметровой P. obsoletus максимальный диаметр пасти составляет около пяти сантиметров. Однако яичные змеи короче и даже при одинаковой длине в два с лишним раза легче крысиных, так что если сделать поправку на общие размеры тела, то окажется, что D. gansi раскрывает пасть в три-четыре раза шире, чем P. obsoletus. В основном это связано с тем, что у яичной змеи мягкие ткани между правой и левой половинами нижней челюсти намного растяжимее. Таким образом, яичная змея способна проглатывать намного более крупную добычу относительно собственного размера тела, чем неспециализированная крысиная змея. Интересно, что голова у D. gansi по сравнению с общей длиной тела невелика — однако это не мешает этой змее очень широко раскрывать пасть во время проглатывания яиц. Джейн допускает, что D. gansi может быть рекордсменом среди змей по способности раскрывать пасть. Пока зоологи измерили максимальный диаметр пасти лишь у тринадцати видов змей. По абсолютным значениям этого показателя лидируют темный тигровый питон (Python molurus bivittatus) (22 сантиметра) и техасские гремучники (Crotalus atrox) (6,5 сантиметра). Однако если учесть длину тела и массу, то окажется, что яичные змеи раскрывают пасть шире других змей в 2,5-7 раз. Судя по всему, это позволяет D. gansi поедать самую крупную добычу среди всех змей относительно собственной массы. Африканские яичные змеи способны целиком проглатывать яйца, которые весят столько же, сколько они сами. Такое соотношение массы тела хищника и жертвы встречается среди нескольких других видов змей — однако если учесть форму яиц, то яичные змеи окажутся рекордсменами. По оценке автора, если бы эти рептилии питались крысами, они смогли бы поедать добычу, которая весит в четыре-пять раз больше их. Обычно змеи хорошо справляются с проглатыванием крупной добычи. Однако порой они не рассчитывают силы и давятся насмерть. Например, позапрошлой зимой посетитель национального парка на острове Ки-Ларго у побережья Флориды обнаружил мертвую особь очень редкой змеи скальной тантиллы (Tantilla oolitica), которая погибла, пытаясь проглотить сколопендру.