Термиты эволюционировали в социальных насекомых, отказавшись от некоторых генов

Фото из открытых источников

Термиты управляют одними из самых впечатляющих «городов» в животном мире, численность колоний которых может достигать миллионов особей. Новое исследование предполагает, что путь к такому типу социальной жизни был проложен не за счет генетических улучшений. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Вместо этого, похоже, термиты упростили свои геномы, отказавшись от генов, которые стали ненужными после того, как в их жизни возобладали сотрудничество и семейная жизнь.

Проследив происхождение термитов до их предков, похожих на тараканов, исследователи обнаружили, что ключевые этапы развития развитой социальной организации проявляются не в виде генетических достижений, а в виде генетических потерь – особенно потерь, связанных с размножением и конкуренцией сперматозоидов.

Эти изменения указывают на то, что эволюция термитов заключалась не только в изобретении новых моделей поведения. Она также была связана с перестройкой их биологии, чтобы сделать возможной жизнь в колонии.

История начинается с изменения образа жизни. Предки термитов не родились социальными суперзвездами. Они больше походили на тараканов и жили соответственно. Но в какой-то момент эти насекомые переключились на жизнь в мертвой древесине и питание ею — жесткой, низкокачественной пищей, которую трудно обеспечить в одиночку.

«Термиты произошли от тараканов, которые изначально жили внутри помещений и питались древесиной», — сказал ведущий автор исследования Натан Ло из Сиднейского университета. «Наше исследование показывает, как сначала изменилась их ДНК, когда они специализировались на этом низкокачественном питании, а затем снова изменилась, когда они стали социальными насекомыми».

Этот сдвиг важен, потому что древесины много, но она скудна на питательные вещества. Если вы хотите зарабатывать на жизнь, употребляя её в пищу, вам либо понадобятся серьёзные биологические уловки, либо помощь.

Термиты выживали с помощью других. Новые исследования показывают, что по мере того, как сотрудничество становилось центральным элементом, генетический инструментарий менялся таким образом, что поддерживать жизнь колонии становилось проще.

Чтобы отследить эти изменения, исследователи сравнили высококачественные геномы тараканов, «древесных тараканов» (близких родственников, которые уже живут в небольших семейных группах) и нескольких видов термитов, различающихся сложностью своих колоний.

Одна из наиболее очевидных закономерностей оказалась на удивление простой: геномы термитов и древесных тараканов меньше и менее сложны, чем геномы тараканов.

Это не то, чего многие ожидали. Распространенное предположение заключается в том, что более крупные и сложные общества требуют более сложной ДНК. Но представленные здесь данные указывают на обратное.

По мере того, как термиты становились все более зависимыми друг от друга — делясь пищей, распределяя труд и координируя развитие, — они, по-видимому, утратили многие гены, связанные с метаболизмом, пищеварением и размножением.

«Удивительный результат заключается в том, что термиты повысили сложность своих социальных связей, потеряв при этом генетическую сложность», — сказал Ло. «Это противоречит распространенному предположению о том, что более сложные животные сообщества требуют более сложных геномов».

Суть не в том, что термиты «деградировали» генетически. Суть в том, что колония стала той единицей, которая имела значение.

Когда отдельные особи зависят от группы в плане выживания – особенно в плане переработки пищи и кормления потомства – некоторые биологические функции могут перестать быть «моей работой» и стать «нашей работой». В процессе эволюции термиты могут терять гены, которые становятся менее полезными в условиях общей социальной системы.

Наиболее неожиданные потери были связаны со спермой. У многих животных, включая тараканов, самки могут спариваться с несколькими самцами, что приводит к конкуренции внутри репродуктивного тракта.

Сперматозоиды, которые плавают быстрее и живут дольше, имеют больше шансов на победу, поэтому эволюция отдает предпочтение таким особенностям, как хвост (жгутик), который помогает сперматозоидам двигаться.

Термиты отличаются. Сперматозоиды термитов не имеют хвостов и неподвижны. Это настолько радикальное изменение, что оно практически кричит: в их системе спаривания произошли серьезные изменения.

«Эта потеря не приводит к моногамии, — говорит Ло. — Напротив, это убедительный признак того, что моногамия уже сформировалась в процессе эволюции».

Иными словами, как только предки термитов стали строго моногамными, вся «сперматозоидная раса» исчезла.

Без конкуренции между сперматозоидами от разных самцов исчезло сильное эволюционное давление, направленное на поддержание генетического механизма, необходимого для создания быстроплавающих сперматозоидов.

«Наши результаты показывают, что предки термитов были строго моногамны», — сказал Ло. «Как только моногамия установилась, эволюционное давление, направленное на сохранение генов, участвующих в подвижности сперматозоидов, исчезло».

Этот момент вступает в более широкую дискуссию о том, как развиваются сложные сообщества насекомых. Один из давних аргументов гласит, что для обеспечения стабильности экстремального сотрудничества в долгосрочной перспективе необходима высокая степень родства внутри группы — тесные генетические связи. Другой аргумент утверждает, что родство помогает, но не является обязательным.

Данное исследование склоняется к тому, что родство играет решающую роль, по крайней мере, для термитов. Если бы предки термитов действительно были строго моногамны, то братья и сестры в колонии были бы тесно связаны родственными узами.

Это облегчает естественному отбору предпочтение тех форм поведения, при которых особи жертвуют собственным размножением ради помощи в воспитании родственников. Проще говоря: помощь братьям и сестрам все еще может способствовать распространению «ваших» генов, потому что они разделяют с вами очень многие из них.

Исследование также заглядывает внутрь колонии, чтобы объяснить, как термиты поддерживают функционирование своей социальной системы. Рабочие и члены королевской семьи у термитов появляются не случайно.

В исследовании представлены результаты экспериментов, показывающих, что питание в раннем возрасте играет важную роль в определении того, кем человек станет в будущем.

Личинки, получающие обильное питание от старших собратьев, ускоряют свой энергетический метаболизм и превращаются в рабочих особей.

Они не размножаются, но поддерживают жизнь колонии – строят, добывают пищу, защищают и кормят других. Личинки, получающие меньше пищи, сначала растут медленнее и сохраняют потенциал стать будущими королями или королевами.

«Эти петли обратной связи, основанные на обмене пищей, позволяют колониям точно настраивать свою рабочую силу», — объяснил Ло. «Они помогают объяснить, как термиты поддерживают стабильные и высокоэффективные сообщества в течение длительных периодов времени».

Это продуманная система внутреннего контроля: часть молодняка обильно подкармливают, чтобы получить рабочих особей сейчас, а остальных держат в резерве в качестве потенциальных репродуктивных особей позже. Колония может регулировать свой баланс в зависимости от своих потребностей.

Ещё один нюанс заключается в том, что происходит, когда умирает король или королева. Можно предположить, что оставшийся в живых партнёр просто снова спарится с кем-то извне. Но в термитниках часто всё остаётся «в семье».

Вакантную роль обычно занимает один из потомков королевской четы. Это приводит к инбридингу внутри колоний, что звучит тревожно, пока не вспомнишь, к чему стремится колония: к генетическому родству и социальной стабильности.

Это не означает, что термиты застрахованы от рисков инбридинга. Но эта система может сохраниться, потому что она помогает поддерживать прочные генетические связи, которые делают крайнее сотрудничество эволюционно осуществимым.

В совокупности результаты исследования предлагают удивительно изящное объяснение того, как изменения в генах помогли термитам эволюционировать от похожих на тараканов предков в высокоорганизованные, долгоживущие сообщества.

Этот путь заключался не только в изобретении новых социальных моделей поведения. Он также был связан с закреплением моногамии, изменением процесса развития посредством совместного потребления пищи и исчезновением определенных генов, как только они переставали быть полезными.

«Эта работа показывает, что понимание социальной эволюции заключается не только в добавлении новых признаков. Иногда речь идет о том, от чего эволюция решает отказаться», — заключил Ло.