Куколки муравьев выделили питательный секрет для взрослых сородичей и личинок

Американские зоологи выяснили, что куколки муравьев Ooceraea biroi производят питательный секрет. Взрослые особи поедают его сами и кормят им молодых личинок. Как отмечается в статье для журнала Nature, хотя рабочие особи и личинки муравьев часто кормят друг друга выделениями изо рта или ануса, до сих пор считалось, что куколки этих насекомых пассивны и не принимают участия во взаимодействиях с сородичами. Судя по всему, способность куколок производить секрет широко распространена среди муравьев: исследователи обнаружили ее у представителей пяти основных подсемейств.

Муравьи в колонии постоянно взаимодействуют друг с другом. Например, рабочие особи ухаживают за личинками, переносят их и кормят. Особенно важную роль в общении муравьев играет так называемый трофаллаксис — обмен пищей и выделениями изо рта в рот или из ануса в рот. Взаимное кормление отмечено как между взрослыми особями, так и между взрослыми особями и личинками.

Команда энтомологов под руководством Орли Снир (Orli Snir) из Рокфеллеровского университета решила выяснить, участвуют ли в общении с сородичами еще одни члены муравьиных колоний — куколки. Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи провели наблюдения за куколками азиатских муравьев Ooceraea biroi, которых выращивали в изоляции от сородичей с момента окукливания до выхода имаго.

Оказалось, что вскоре после потемнения покровов (этот процесс известен как меланизация) и за шесть дней до вылупления имаго куколки начинают производить жидкий секрет. Сначала он скапливается под оболочкой куколки (экзувием), а затем выделяется через ректальное впячивания, образуя характерную каплю на брюшке. Когда эксперимент повторили, изолировав куколок за девять дней до вылупления, секрет выделяли 99,93 процента из них. 70 процентов куколок непрерывно производили жидкость на протяжении пяти дней до вылупления, причем ее среднесуточные объемы постоянно росли. В общей сложности группа из 149-166 куколок выделяла 23,2 микролитра секрета.

На следующем этапе Снир и ее коллеги проверили, выделяют ли куколки секрет в естественных условиях. Для этого они вводили синий краситель в экзувиальную полость меланизированных куколок из десяти колоний. В течение последующих 24 часов авторы находили следы этого красителя в пищеварительном тракте всех взрослых муравьев из тех же колоний. Поскольку к концу эксперимента ни одна куколка не погибла, исследователи пришли к выводу, что взрослые муравьи получают краситель, поглощая секрет куколок, а не поедая самих куколок.

Затем авторы подсадили к изолированным меланизированным куколкам взрослых муравьев. Наблюдения показали, что последних привлекают выделения куколок и они охотно поглощают эти выделения. При этом если кончик тела куколки закупорить так, чтобы секрет из нее не выделялся, интерес взрослых особей к ней снизится.

Изолированные куколки, у которых Снир и ее соавторы ежедневно удаляли выделившийся секрет, отличались высокими показателями выживаемости. До вылупления удалось дожить примерно 90 процентам из них. В колониях уровень выживаемости куколок также был высоким. А вот изолированные куколки, у которых не удаляли секрет, тонули в нем. Более того, если таких куколок держали в уже использованных ящиках, они погибали из-за грибковой инфекции, которая распространялась по жидкости. Таким образом, в колониях куколки зависят от взрослых особей, которые очищают их от секрета и тем самым защищают от заражения грибком.

На следующем этапе исследователи проанализировали состав жидкости, выделяемой куколками, с помощью жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией. Выяснилось, что она заметно отличается от простого смыва с поверхности куколки. Из 212 выявленных в секрете белков 185 не были обнаружены в смыве — либо их концентрация в секрете была намного выше. Кроме того, в выделяемой куколками жидкости были выявлены незаменимые аминокислоты, углеводы, нуклеиновые кислоты и витамины. Дополнительный анализ показал, что секрет куколок происходит из так называемой линочной жидкости, которая содержит высокую концентрацию ферментов для растворения хитиновых покровов.

Поскольку секрет куколок обладает высокой питательной ценностью, Снир и ее коллеги предположили, что его могут употреблять и личинки, которые быстро растут и поэтому нуждаются в дополнительных источниках энергии. Жизненный цикл O. biroi состоит из двух повторяющихся стадий: фазы размножения и фазы ухода за потомством. На первой фазе рабочие особи ухаживают за куколками и откладывают яйца (у данного вида нет маток, а потомство производят рабочие, достигшие определенного возраста). В этот период они редко ищут корм за пределами колонии. На второй фазе муравьи кормят личинок позднего возраста, ради снабжения которых регулярно покидают колонию.

Личинки появляются из яиц в последние дни фазы размножения, когда взрослые особи еще не добывают корм вне колонии. В этот период секрет, выделяемый куколками, может использоваться для выкармливания молодых личинок. Чтобы выяснить, действительно ли куколки играют роль в выкармливании личинок, исследователи изолировали куколок и яйца в середине фазы размножения. Первые личинки вылупились из яиц всего за день до того, как куколки начали выделять секрет, что свидетельствует о синхронизации этих событий.

Затем личинок поместили в колонию, где куколкам ввели синий пищевой краситель. В течение 24 часов после начала эксперимента авторы находили следы красителя в желудочно-кишечном тракте личинок. Судя по всему, взрослые муравьи приносят малоподвижных личинок к куколкам, после чего личинки слизывают секрет куколок.

Чтобы проверить эту идею, Снир и ее соавторы провели эксперименты с колониями из десяти взрослых особей и десяти молодых личинок. В качестве источника пищи им давали либо только меланизированных куколок своего вида, либо меланизированных куколок своего вида и мертвых куколок красных огненных муравьев (Solenopsis invicta), либо только куколок красных огненных муравьев. Затем исследователи в течение пяти дней раз в сутки фиксировали положение личинок.

В колониях, которым выдали только куколок своего вида, взрослые особи помещали почти всех личинок на куколок, чтобы они могли слизывать их секрет. Если у муравьев был выбор между куколками своего вида и мертвыми куколками огненных муравьев, они помещали личинок на куколок своего вида. Когда в распоряжении взрослых особей были только куколки огненных муравьев, они все равно не сажали на них молодых личинок, поскольку те были слишком малы для такой пищи. При этом в присутствии куколок личинки лучше росли и выживали по сравнению с личинками, которые росли в колониях без куколок. Результаты экспериментов подтверждают, что секрет куколок служит аналогом молока для выкармливания недавно вылупившихся личинок.

По словам Снир и ее соавторов, это первый известный пример того, как муравьиные куколки выделяют питательный секрет. Однако, судя по всему, данная особенность широко распространена среди муравьев — или вообще встречается у всех видов этих насекомых. На это указывают результаты дополнительных экспериментов, в ходе которых исследователи выявили способность к выделению жидкости у куколок еще четырех видов этих насекомых. S. invicta, Nylanderia flavipes, Tapinoma sessile и Ponera pennsylvanica. Вместе с Ooceraea biroi они представляют пять основных подсемейств муравьев. Кроме того, взрослые муравьи S. invicta, N flavipes и P. pennsylvanica поедают выделяемую куколками жидкость. Однако у куколок медоносных пчел (Apis mellifera) никаких признаков выделения секрета выявлено не было, так что это не общая особенность перепончатокрылых или общественных насекомых.

Многие виды животных используют аналоги молока, чтобы выкармливать детенышей. Порой в роли пищи для малышей выступают совершенно неожиданные субстанции. О некоторых из них мы рассказывали в нашем материале «Немолоко».