Отказ от размножения помог муравьям восстановить утраченный объем мозга

Рабочие особи индийских прыгающих муравьев Harpegnathos saltator способны превращаться в размножающихся самок — так называемых гамэргат. Они живут дольше простых рабочих, однако мозг у них при этом уменьшается. Американские энтомологи установили, что при обратном переходе муравьи восстанавливают утраченный объем мозга. Это позволяет бывшей гамэргате успешно добывать пищу в качестве рабочего-фуражира. Кроме того, они возвращают и ряд других характеристик рабочих особей. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B.

Муравьиная колония — сложно устроенное сообщество, у каждого члена которого есть определенные обязанности. В большинстве случаев матка отвечает за производство яиц, а бесплодные рабочие самки снабжают ее пищей и защищают. Однако у некоторых видов муравьев, в первую очередь примитивных, взрослые рабочие могут превращаться в размножающихся самок и производить потомство. Таких особей называют гамэргатами.

Энтомологи давно заинтересовались гамэргатами как редким и наиболее ярким примером межкастового перехода у эусоциальных насекомых. За годы исследований им удалось выяснить, например, что, превращение бесплодной самки в размножающуюся связано с эпигенетическими изменениями и начинается с активации яичников. Кроме того, оказалось, что гамэргаты живут дольше обычных рабочих, зато их мозг после начала размножения уменьшается.

Команда специалистов во главе с Клинтом Пеником (Clint A. Penick) из Школы медицины Нью-Йоркского университета решила выяснить, может ли гамэргата вернуть прежний объем мозга, если вновь станет обычной рабочей особью. У других эусоциальных насекомых подобные изменения, сопровождающие переход из одной касты в другую, обычно необратимы. Например, у медоносных пчел (Apis mellifera), которые меняет профессию с няньки на фуражира, мозг становится крупнее — но при обратном переходе не уменьшается.

Исследователи сосредоточили внимание на индийских прыгающих муравьях Harpegnathos saltator, у которых гамэргаты изучены лучше всего. Небольшие колонии данного вида основывает обычная матка, а после ее смерти вакантное место в результате напряженной борьбы с сородичами занимают несколько бывших рабочих особей. Когда структура сообщества стабилизируется, в нем остаются представители трех основных женских каст: гамэргаты (количество которых контролируют рабочие); молодые рабочие, которые выполняют обязанности внутри гнезда; а также более старшие рабочие-фуражиры. Кроме того, здесь есть самцы, с которыми спариваются гамэргаты. Ежегодно в колонии появляются на свет новые матки: достигнув зрелости, они разлетаются и дают начало новым сообществам.

В распоряжении Пеника и его коллег было тридцать колоний H. saltator, содержащихся в лабораторных условиях. Из каждой они взяли по две гамэргаты. Одну особь из пары помечали и сразу возвращали на место (она служила в качестве контроля), а вторую помещали в отдельный контейнер на три-четыре недели и лишь после этого воссоединяли с колонией. Исследователи ожидали, что сородичи начнут атаковать побывавших в изоляции и успевших выпасть из установившейся иерархии муравьев (это типичная реакция на особей, которые демонстрируют промежуточные признаки между обычным рабочим и гамэргатой — и механизм ограничения численности последних), чем вызовут у них сильный стресс и заставят вновь стать бесплодными.

Наблюдения, проводившиеся в течение восьми недель после возвращения муравьев, показали, что особи из контрольной группы проводили все время внутри гнезда, как и положено гамэргатам. В то же время их сородичи, побывавшие в изоляции, активно участвовали в сборе пищи и нападали на сверчков, которых им предлагали исследователи. Кроме того, они активно защищались, когда экспериментаторы пытались напугать их щипцами. Иными словами, после возвращения из изоляции гамэргаты стали вести себя как рабочие особи. В то же время представители контрольной группы не проявляли ни охотничьего, ни защитного поведения — они остались гамэргатами.

Размножающиеся и неразмножающиеся рабочие особи H. saltator отличаются друг от друга не только поведением, но и по химическому составу кутикулы. Когда исследователи проанализировали концентрацию углеводорода 13,23-диметилгептатриаконтана (13,23-dimethylheptatriacontane) у гамэргат из контрольной и экспериментальной групп, выяснилось, что химическая подпись у первых осталась прежней. А вот гамэргаты, побывавшие в изоляции, изменили состав кутикулы на тот, что характерен для рабочих. Площадь хроматографического пика 13,23-диметилгептатриаконтана у них сократилась в восемь раз по сравнению с контрольной группой.

Пеник и его коллеги также обнаружили физиологические различия между двумя группами гамэргат. Муравьи, которых вернули в колонию вскоре после поимки, исправно производили яйцеклетки (медианное значение — 6,8 ооцита на особь). Однако гамэргаты из экспериментальной группы, как и обычные рабочие, яйцеклеток почти не производили. Объем резервуара ядовитой железы у особей, переживших изоляцию, увеличился в два-три раза по сравнению с представителями контрольной группы и стал примерно таким же, как у муравьев-фуражиров.

Согласно предыдущим исследованиям, объем мозга гамэргат H. saltator на 26 процентов ниже, чем у обычных рабочих особей. В эксперименте Пеник цифры оказались похожими: у особей из контрольной группы общий объем мозга был на 19 процентов меньше, чем у рабочих-фуражиров. В то же время гамэргаты, вновь ставшие рабочими, почти не отличались по этому параметру от фуражиров. Объем центральной части мозга (с учетом грибовидных тел) в контрольной группе также оказался на 15 процентов ниже, чем у фуражиров, и на 20 процентов меньше, чем у гамэргат, вновь ставших бесплодными. Иными словами, отказавшись от способности размножаться, бывшие гамэргаты смогли вернуть себе прежний объем мозга (впрочем, не полностью: объем зрительных долей у них остался промежуточным между гамэргатами и фуражирами).

Дополнительный генетический анализ позволил связать фенотипические изменения гамэргат с работой двух конкретных генов: Vg и ELOV. У особей из контрольной группы их экспрессия была намного более высокой по сравнению с гамэргатами, пережившими изоляцию, и обычными рабочими (p <0,0001 для обоих генов).

По словам Пеника и его коллег, изменения объема мозга, наблюдавшиеся у гамэргат H. saltator, напоминают те, что известны для некоторых позвоночных — например, обыкновенных бурозубок (Sorex araneus). Мозг этих насекомоядных уменьшается в преддверии зимы и вновь увеличивается весной, что позволяет им экономить энергию в трудные времена. Авторы соглашаются с высказывавшейся ранее гипотезой, согласно которой благодаря сокращению объема мозга гамэргаты могут перенаправлять освободившиеся ресурсы на производство яиц. Однако муравьи, вернувшиеся в статус рабочих-фуражиров, вынуждены участвовать в сборе корма за пределами гнезда — и для этого им жизненно необходим крупный мозг. К счастью, у них есть способ увеличить его. Это же относится к изменениям в объеме ядовитых желез (фуражирам требуется более мощное химическое оружие, чем сидящим в гнезде гамэргатам) и поведении.

Конфликты гамэргат H. saltator за иерархический статус и право размножаться, которые происходят, например, после смерти матки, могут продолжаться до 40 дней. Исследователи полагают, что проигравшие такое противостояние особи возвращаются к ролям рабочих — и способность менять объем мозга и ядовитых желез помогает им в этом. Вероятно, именно поэтому естественный отбор поддержал данную адаптацию.

Мозг человека также может быть очень пластичным. Например, недавно исследователи обнаружили, что у полярников, которые провели в Антарктиде 14 месяцев, его объем заметно сократился. В частности, пострадала зубчатая извилина гиппокампа.

Сергей Коленов