Новое исследование индийских прыгающих муравьев показывает, что они могут подвергаться обратимым изменениям, ранее неизвестным у насекомых.
В большинстве муравьиных колоний существует четкая иерархия: одна королева откладывает все яйца, а кастовая система рабочих управляет всем остальным – добычей пищи, вскармливанием муравьиных детенышей, отправкой на войну и так далее. Размножаться могут только самцы и королевы, остальные муравьи бесплодны. Если королева умирает, обычно умирает и колония.
Иначе обстоит дело с индийским прыгающим муравьем, видом с похожими на щипцы челюстями и большими черными глазами, который обитает в лесах вдоль западного побережья Индии. В этих колониях, если королевы умирают, рабочие устраивают причудливые соревнования, в которых победитель становится монархом и способен производить яйца. Яичники торжествующей самки муравья расширяются, а ее мозг сжимается до 25%.
Но новое исследование показывает, что этих маток можно сбросить с пьедестала и снова превратить в рабочих. Это приводит к тому, что яичники снова сжимаются, а мозг растет – необычайный подвиг, о котором ранее не было известно у насекомых.
«В животном мире этот уровень пластичности и особенно обратимая пластичность довольно уникальны», объясняет ведущий автор исследования Клинт Пеник.
Пеник, доцент кафедры экологии, эволюции и биологии в Государственном университете Кеннесо в Джорджии, много лет изучал индийских прыгающих муравьев, известных как Harpegnathos saltator. Когда эти рабочие переходят в репродуктивный режим, подобный царице, ученые называют их геймергейтами (не путать с кампанией онлайн-преследований, связанной с видеоиграми). Термин gamergate происходит от греческого слова «женатый работник» и был придуман в 1980-х годах.
Каждый член H. saltator может размножаться, но это может произойти только в том случае, если особь выигрывает затяжную серию турниров за доминирование, которые проводятся после смерти королевы. Подобно крошечному рыцарскому чемпионату, муравьи по очереди быстро тыкают друг друга своими антеннами.
Половина колонии может участвовать в этих боксерских поединках, которые могут длиться до 40 дней, и все муравьи, кроме единственного победителя, остаются рабочими.
Сложное поведение для определения доминирования известно и у других насекомых. Например, осы-королевы соревнуются за способность производить потомство, говорит Рашель Адамс, изучающая эволюцию муравьев и химическую экологию в Университете штата Огайо. Но «в данном случае именно рабочие борются за репродуктивную роль, что действительно здорово».
Когда геймергейт вступает во владение, он претерпевает множество внутренних изменений. В частности, его мозг уменьшился на четверть, «что является просто огромной потерей массы мозга», говорит Пеник. Исследователи обнаружили, что эти похожие на королеву муравьи перестают производить яд и меняют свое поведение, прячась от злоумышленников и прекращая всякое охотничье поведение.
Чтобы узнать больше о пластичности мозга муравья и посмотреть, можно ли обратить эти изменения вспять, Пеник и его коллеги выбрали 60 геймергейтов и раскрасили их в определенные цвета, чтобы отличить друг от друга. Половина муравьев была выбрана случайным образом и помещена в изоляцию на несколько недель. Остальные 30 служили контролем. Изоляция, по-видимому, снизила плодовитость муравьиных королев, и когда они были возвращены в колонию, их немедленно схватили и задержали другие рабочие.
Это называется «охраной», объясняет Пеник, и, по мнению исследователей, именно так эти муравьи не дают своим колониям иметь слишком много репродуктивных членов. При обнаружении маткоподобного муравья с частично развитыми яичниками другие рабочие будут кусать и удерживать муравья в течение нескольких часов или даже дней, хотя и не причиняя телесных повреждений. «Это почти как посадить их в тюрьму для муравьев», говорит Пеник.
Ученые предполагают, что стресс, вызванный этой ситуацией, запускает каскад химических изменений, которые превращают геймергейтов обратно в рабочих, обычно в течение дня или около того.
«После того, как мы сделали сканирование их мозга, мы обнаружили, что они полностью изменились по всем признакам», говорит Пеник. «Их яичники уменьшились, они снова начали вырабатывать яд, а затем их мозг вернулся к своим первоначальным размерам».
Значительные изменения в размере и сложности мозга были зарегистрированы у нескольких других видов, таких как зимующие суслики и некоторые птицы. Например, у воробьев с белой короной к началу сезона размножения вырастет до 68 тыс. новых нейронов, что помогает им выучить новые брачные крики. К зиме, когда еды не хватает, отмирает эквивалентное количество нейронов. Когда весна возвращается, цикл повторяется. Но это явление новое для исследователей насекомых.
«Есть много насекомых с задокументированной пластичностью всех признаков, но я не знаю ни одного с таким уровнем обратимой пластичности», говорит Эмили Снелл-Руд, биолог-эволюционист из Университета Миннесоты. «Многие общественные насекомые демонстрируют изменения в этих областях мозга по мере того, как они переходят между фазами своей рабочей жизни или переходят от кормодобывающего поведения к поведению королевы. Но однократное смещение в нейронные сети, а затем обратно – это совсем другое».
Рашель Адамс говорит, что эти типы обратимых изменений мозга могут быть не такими редкими, как мы думаем, мы просто недостаточно внимательно их изучали. «Я не удивлюсь, если мы увидим больше подобного», говорит она.
Она предлагает обратить внимание на виды муравьев, у которых может быть несколько маток, например, у австралийских мясных муравьев. По словам Рашель Адамс, когда королевы делят свой труд, при этом одни остаются в колонии, а другие занимаются добычей пищи, это может сопровождаться соответствующей разницей в размере или функциях мозга.
Чем больше этот вопрос об обратимой пластичности исследуется у всех видов, тем большее значение он может иметь для понимания человеческого мозга. «Очень-очень далеко внизу по течению может прийти понимание того, как развивается человеческий мозг», говорит Пеник.
Такое исследование могло бы, например, рассказать ученым больше о генах, связанных с пластичностью нейронов, и о том, как они работают.
«Кто-то может задаться вопросом, зачем изучать этот случайный вид муравьев, но, возможно, за время эволюции они наткнулись на какой-то увлекательный механизм нейронной пластичности», говорит Снелл-Руд. «Я думаю, нам есть чему поучиться у удивительных нейронных адаптаций у животных».
