Паразиты превратили рабочих муравьев в ленивых долгожителей
Немецкие биологи в трехлетнем наблюдении за муравьями выяснили, что рабочие муравьи Temnothorax nylanderi, зараженные ленточным червем Anomotaenia brevis, живут дольше своих незараженных собратьев. Исследователи предполагают, что паразиты могут продлить муравьям жизнь до продолжительности жизни королевы. В работе, опубликованной в журнале Royal Society Open Science, ученые показали, что инфицированные муравьи имеют определенный состав феромонов, по-видимому, вынуждающий других рабочих муравьев ухаживать за ними.
Давно известно распределение обязанностей в муравьиных колониях: королева ответственна за размножение, а рабочие муравьи выполняют остальные задачи, включая уход за маткой и потомством, защиту, строительство и добычу пищи. Королевы демонстрируют необычайно долгую продолжительность жизни — до несколько десятилетий. Они остаются плодовитыми в течение всей жизни и почти все время проводят в гнезде. А рабочие муравьи живут от нескольких недель до нескольких лет.
Такая сплоченность муравьев обеспечивает благоприятные условия для распространения различных паразитов. Обычно паразиты укорачивают жизнь своих насекомых-хозяев, пользуясь их ресурсами. Однако исследование немецких биологов под руководством Сары Берос (Sara Beros) из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга показало, что ленточный червь Anomotaenia brevis, наоборот, увеличивает продолжительность жизни рабочих муравьев (как показали несколько недель наблюдений).
Молодые рабочие муравьи ухаживают за королевой и яйцами (в этот период их называют няньками), а когда они вырастают, то покидают гнездо в поисках пищи (тогда их называют фуражирами), при этом их окраска меняется с желтой на коричневатую с характерной темной полосой на брюшке. Кутикула зараженных муравьев остается желтой даже во взрослом возрасте.
Муравьи — это промежуточные хозяева ленточных червей Anomotaenia brevis, а конечная цель этих паразитов — дятлы. Распространенные в Западной Европе, рабочие муравьи Temnothorax nylanderi заражаются червями еще будучи личинками, и паразиты развиваются внутри насекомых до личиночной стадии — цистицеркоидов. Один муравей может быть заражен 70 цистицеркоидами, обитающими в их брюшной полости. А уже в кишечнике дятлов, которые питаются муравьями, цистицеркоиды превращаются во взрослых ленточных червей.
Теперь эта же команда биологов решила подольше понаблюдать за зараженными муравьями. Ученые следили за инфицированными и неинфицированными колониями муравьев в течение 3 лет, пока не умерло более 95 процентов незараженных муравьев.
Биологи наблюдали за 58 муравьиными колониями — зараженными и нет. В паразитированных колониях ученые пометили 98 инфицированных рабочих муравьев, а в незараженных колониях — 285 неинфицированных рабочих муравьев. Колонии содержались в стеклянных боксах, помещенных в климатические камеры с контролируемым температурным режимом и освещенностью. Каждые 10 дней муравьев кормили сверчками и медом, вода была доступна все время. Колонии для исследования биологи собирали в лесу недалеко от Майнца. Исследователи регистрировали смерти всех отмеченных муравьев с 10-дневными интервалами. Также ученые наблюдали за взаимодействиями зараженных и здоровых муравьев.
Помимо наблюдений за поведением муравьев, биологи измерили скорость метаболизма и уровень липидов у зараженных и незараженных особей. Для этого исследователи собрали еще 14 паразитированных и 14 обычных колоний. Для определения скорости метаболизма измеряли уровни потребление кислорода. Для этого муравьев по отдельности помещали на 10 минут в стеклянную камеру объемом меньше полмиллилитра, запечатанную парафином и погруженную в водяную баню с постоянной температурой 23 градуса по Цельсию. Тонкий капилляр в крышке камеры служил кислородным микродатчиком. Для измерения количества жира в организме насекомых замораживали при минус двадцати градусах по Цельсию и экстрагировали липиды.
У муравьев углеводороды, входящие в состав кутикулы (cuticular hydrocarbons, CHCs), играют важную роль при различении особей своего и чужого гнезда, распознавании касты, а также для контроля королевой рабочих и репродуктивных каст. Биологи собрали 12 зараженных и 12 незараженных колоний и из каждой колонии заморозили пятерых инфицированных и пятерых неинфицированных рабочих муравьев, чтобы экстрагировать углеводороды. Экстракты были собраны и нанесены на стеклянные шарики. Затем ученые посадили здоровых муравьев в две чашки Петри. В одной чаше находился стеклянный шарик, покрытый 10 микролитрами экстракта, полученного от зараженных муравьев, а в другой — шарик, покрытый экстрактом незараженных насекомых. Реакцию муравьев на шарики снимали на видео, чтобы потом проанализировать количество взаимодействий, направленных на каждый шарик.
В результате 3 лет наблюдений ни один из 285 неинфицированных рабочих муравьев в зараженных колониях не дожил до конца эксперимента. В то время как 52 из 98 (около 53 процентов) инфицированных рабочих муравьев остались живы. В частности, фуражиры из зараженных колоний умирали быстрее, чем фуражиры из незараженных колоний.
Взрослые рабочие муравьи с паразитами демонстрировали скорость метаболизма и содержание жиров аналогичные молодым рабочим муравьям (нянькам). Зараженные муравьи получали больше помощи и внимания, чем неинфицированные рабочие муравьи. По мнению биологов, повышенное внимание может быть связано с определенным с составом и концентрацией CHCs, вызывающим больший интерес у неинфицированных товарищей. Остается неясным, ответственны ли паразиты за изменение химической сигнализации муравьев и каким образом.
В целом зараженные муравьи были менее активны и практически не покидали гнезда, в то время как их здоровые собратья кормили их, ухаживали за ними и даже носили с собой. Похоже, что из-за дополнительной нагрузки незараженные муравьи в инфицированных колониях испытывали больший стресс и умирали раньше. Биологи считают, что паразиты способствуют увеличению продолжительности жизни хозяев, чтобы дятлы успели съесть их. К тому же птицам удобнее атаковать муравейник, где сидят спокойные зараженные муравьи, чем искать фуражеров в траве.
Многие паразиты искусно манипулируют поведением хозяина, чтобы повысить свои шансы на выживание и продолжение рода. Например, некоторые виды грибов кордицепсов из рода Ophiocordyceps заставляют зараженных муравьев покидать колонию, взбираться на растение и повисать на нем, удерживаясь челюстями. После смерти насекомого из него прорастает плодовое тело гриба. По сути, кордицепс превращает хозяина в транспортное средство для перемещения в место, идеальное с точки зрения созревания и распространения спор.
Виктория Барановская
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.