От ярких огней городов, которые не спят — где люди торопятся и суетятся всю ночь, чтобы поддерживать работу метро, серверов и цепочек поставок, — до шёпота тропических лесов, где муравьи гудят в синкопированных линиях, самые сложные общества на планете зависят от круглосуточного сотрудничества и чётко налаженных ролей.
У муравьёв вида Atta cephalotes, или листорезов, каждая роль предопределена морфологически: от изгибов мандибул (челюстей) до размера тела. Это задаёт точное разделение труда. Огромные муравьи-мажор служат стражами, патрулируя двери и отражая вторженцев; чуть более миниатюрные муравьи-медиа собирают листовое «конфетти» для проворных миноров, которые являются хранителями колонии и опекунами выводка; а на самом маленьком уровне муравьи-минимы размером с булавку ухаживают за грибными садами и выводком.
Исследователи под руководством Шелли Бергер из Университета Пенсильвании выявили ключевые элементы генетического кода листорезов, определив две сигнальные молекулы, которые можно регулировать для перепрограммирования обязанностей муравьёв.
Роль нейропептидов
* Кардиооактивный пептид ракообразных (CCAP), повышенный у муравьёв-медиа, способствует сбору листьев и может индуцировать подобное поведение у других подкаст.
* Нейропарсин-А (NPA), в изобилии присутствующий у мажор, подавляет заботу о выводке и связан с патрульной деятельностью.
Отчёты об этих выводах опубликованы в журнале Cell. Исследователи также обнаружили поразительную параллель: модели экспрессии генов, которые управляют разделением труда у листорезов, отражают таковые у эусоциальных голых землекопов — млекопитающих, которые аналогичным образом придерживаются кооперативного ухода за выводком. Это намекает на конвергентный молекулярный механизм, насчитывающий более 600 миллионов лет.
«Мы были поражены, увидев явное сходство регуляции генов между медсестрами и фуражирами муравьёв по сравнению с млекопитающими голыми землекопами — это было неожиданно», — говорит Бергер, профессор Университета Пенсильвании.
«Наши результаты по муравьям подтверждают, как отдельные нейропептиды могут кардинально изменять поведение, что может быть применимо к человеческому социальному поведению, хотя люди, конечно, гораздо сложнее».
Исследование
Основываясь на предыдущих исследованиях муравьёв-плотников, которые имеют аналогичную, но более простую социальную организацию, состоящую из двух ролей — фуражира и солдата, — команда исследовала несколько различных нейропептидов у листорезов, чтобы изучить, как эти принципы масштабируются до более сложной четырёхкастовой структуры мажор, медиа, минор и миними.
Исследователи создали 3D-печатные камеры для наблюдения за поведением, которые позволили им отслеживать, как муравьи взаимодействуют с листьями, выводком или грибами. Эти камеры позволили отслеживать и количественно оценивать поведение с помощью видеоанализа, демонстрируя, как изменение уровней CCAP и NPA у муравьёв приводило к драматическим и воспроизводимым сдвигам в их назначенных задачах.
«Говоря в общем, специфические нейропептиды более распространены в определённых кастах, поэтому мы смотрели на уровни нейропептидов в мозге каждой касты», — объясняет Карл Гластад, доцент Университета Рочестера и бывший научный сотрудник лаборатории Бергер.
«У мажор нейропептид, который определяет поведение листорезов, низкий, а нейропептид, который останавливает уход за выводком, высокий, поэтому, если мы увеличим первый, это приведёт к поведению листорезов, а если мы уменьшим второй, это приведёт к уходу за выводком и уходу за выводком».
Гластад добавляет, что эти нейропептиды, связываясь со своими соответствующими рецепторами, запускают сложный сигнальный каскад, который распространяется по генным сетям, подобно молекулярной машине Рубе Голдберга, что приводит к тому, что муравьи переключаются с одной специализированной задачи на другую.
Чтобы дополнительно изучить эволюционную глубину и последствия этого поведенческого сценария, команда исследовала голых землекопов, далёкого эволюционного кузена, чьи подземные колонии отражают кастовую гармонию гнёзд листорезов.
«Сначала я думал, что включение голых землекопов будет чем-то вроде пустой затеи, — смеётся Гластад. — Но мы были поражены, обнаружив, что на самом деле существует много общего в молекулярной регуляции этих видов фуражиров и опекунов выводка между мозгами этих двух видов».
Несмотря на то что у голых землекопов отсутствуют точные нейропептиды, такие как NPA, обнаруженные у муравьёв, исследователи предположили, что эти пептиды всё ещё могут активировать древние, консервативные пути, общие для обоих видов из-за промискуитета некоторых, более консервативных рецепторов.
«Когда мы увидели эти интригующие результаты по нейропептидам, мы развили идею, что, возможно, этот нейропептид подключается к некоторым консервативным генным путям, которые конвергентно эволюционировали у этих очень разных животных для управления различным поведением», — объясняет Гластад.
«И, что удивительно, мы обнаружили существенное совпадение — настолько, что нейропептид муравья мог даже активировать эндогенные рецепторы в мозге голого землекопа. Обнаружение этого неожиданного совпадения было невероятно интересным и, честно говоря, удачным».
Результаты также выявляют интригующие связи с путями регуляции инсулина, известными своей важной ролью в метаболизме сахара. В частности, инсулиноподобные пептиды, такие как Ilp1, были заметно экспрессированы наряду с NPA, что предполагает ранее непризнанное взаимодействие между передачей сигналов нейропептидов и путями инсулина в регуляции поведения.
«Обнаружив, по сути, что существует связь между инсулином и материнским поведением по уходу за выводком как у голых землекопов, так и у листорезов, мы предполагаем, что это может открыть дверь для потенциально изучения того, как нарушения в регуляции инсулина могут влиять на такое поведение», — говорит первый автор исследования Максум Фиорити, аспирант лаборатории Бергер.
«Эта связь открывает новые возможности для исследований того, как инсулин может регулировать поведение по уходу за потомством у млекопитающих, возможно, даже у людей», — говорит Фиорити, предполагая, что нарушения резистентности к инсулину, такие как диабет, могут влиять на психическое здоровье матери и послеродовую депрессию.