Исследование Ant проливает свет на эволюцию рабочих и королев у муравьев

Муравьи-работники, несмотря на их усердие, редко сталкиваются с возможностями социальной мобильности. У многих видов они придерживаются строгих ролей касты: королевы откладывают яйца, а работники заботятся почти обо всем остальном, включая потомство.

В новом исследовании, опубликованном в Science, ученые Рокфеллера описывают молекулярные механизмы, контролирующие это разделение труда. «Мы хотели знать: что заставляет королеву откладывать яйца, и почему рабочие стерильны?», — говорит Дэниел Кронауэр, Стэнли С. и Сидней Р. Шуман. Кронауэр и его коллеги сообщают, что ген, кодирующий инсулиноподобный пептид, ILP 2, играет важную роль в продвижении и подавлении размножения — находке, которая освещает возможную траекторию эволюции специализированных каст.

Другой тип инъекции инсулина

Работая с аспирантом Викрамом Чандрой и докторантами Ингрид Феттер-Прунеда, Кронауэр сначала искал различия в экспрессии генов между воспроизводимыми и не воспроизводимыми муравьями из разных видов. Они обнаружили, что один ген, который кодирует пептид ILP 2, последовательно регулируется в репродукторах. ILP 2 является муравьиной версией инсулина и, как человеческий инсулин, вероятно, регулирует обмен веществ. По словам Кронауэра, существует прямая связь между размножением и потреблением пищи: «Если состояние питания действительно низкое, вы не можете позволить себе производить потомство», — говорит он.

Затем исследователи изучили роль инсулина в клональном рейде муравья Ooceraea biroi. У этого вида нет четких королев и рабочих; все муравьи одновременно входят в репродуктивную фазу, за которой следует фаза ухода за выводками, в которой насекомые воспитывают своих молодых. Переходы между фазами регулируются наличием личинок: когда новорожденные вокруг, муравьи перестают воспроизводить и переходят в режим наблюдения.

Когда группа Кронауэра удаляла личинок во время фазы ухода за выводками, взрослая продукция инсулина значительно увеличивалась; и когда они вводили личинок во время репродуктивной фазы, производство инсулина уменьшалось. Эти результаты показывают, что присутствие личинок подавляет выработку инсулина; и без достаточных уровней этого пептида муравьи не могут воспроизводиться.

В другом эксперименте исследователи инъецировали муравьев синтетическим инсулином во время ухода за выводками, что приводило к активации яичников, даже когда личинки находились поблизости. Этот результат свидетельствует о том, что муравьи с повышенным инсулином могут переопределять личиночные сигналы и воспроизводить их в любое время.

«На этапе ухода за выводками присутствие личинок обычно уменьшает инсулин у взрослых, поэтому их яичники отключаются, и они заботятся о личинках», — говорит Чандра. «Но если вы экспериментально вводите инсулин, вы можете нарушить этот цикл».

Это исследование дает представление о том, как муравьи эволюционировали от одиночных организмов к социальным видам со специализированными кастами. Кронауэр предлагает, чтобы сигнализация инсулина реагировала на присутствие личинок, что приводило бы к репродуктивным циклам, напоминающим наблюдаемые в O. biroi. Такая адаптация имеет смысл, поскольку муравьи, ухаживающие за потомством, должны уделять первоочередное внимание обнаружению пищи над яйцекладкой — и оба поведения, как известно, регулируются инсулином.

«Следуя этой эволюционной стадии, — говорит Кронауэр, — возникает вопрос: как муравьи выходят из этого цикла?». Он предлагает, чтобы из-за индивидуальных изменений у некоторых муравьев был естественный высокий уровень инсулина, а у других были  низкие уровни. Примечательно, что исследователи наблюдали именно такой вариант в O. biroi. Кронауэр полагает, что люди с высоким инсулином, такие, как его инъецированные инсулином муравьи, смогут переопределять личиночные сигналы и воспроизводить непрерывно, тогда как индивидуумы с низким уровнем инсулина будут очень чувствительны к присутствию личинок и, следовательно, более склонны сосредоточиться на заботе о выводке.

«Как только у вас будет такая асимметрия в колонии, и колония будет хорошо работать, выбор приведет к дальнейшему росту уровней инсулина», — говорит Кронауэр. «В конечном итоге результатом станет две касты муравьев — рабочих и королев».