Голод и родительская забота имеют схожие химические процессы в мозге муравьев

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что химический состав мозга муравьев, используемый для воспитания потомства, — это тот же механизм, который эволюционировал для контроля чувства голода. У клонированных муравьев-рейдеров две древние сигнальные молекулы, которые регулируют интенсивность кормления, также включают и выключают поведение муравья, связанное с кормлением потомства. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Результаты исследования позволяют предположить, что родительская забота никогда не формировалась с нуля. Эволюция, по-видимому, взяла старые нейронные сети, которые сообщают животному, когда нужно есть, и повторно использовала их, чтобы сообщать опекуну, когда нужно заботиться о потомстве. Эта связь наблюдается во всем животном царстве, как у насекомых, так и у млекопитающих.

Внутри клональной колонии муравьев-рейдеров рабочие особи выращивают потомство, которое не является их собственным, — эту работу биологи называют аллопарентингом. Возраст во многом определяет задачи муравьев: молодые рабочие ухаживают за личинками в гнезде, а более взрослые муравьи уходят на поиски пищи.

Переход происходит резко. Рабочая особь в возрасте всего 12 дней тратит примерно вдвое больше времени на прикосновения к личинкам и уход за ними, чем особь в возрасте 4 месяцев, и при этом гораздо меньше времени на поиск пищи.

Было трудно точно определить, что именно контролирует этот переход. Дэниел Кронауэр, руководитель Лаборатории социальной эволюции и поведения в Рокфеллеровском университете, и его команда поставили перед собой задачу найти молекулярные сигналы, лежащие в его основе.

«Основной аспект воспитания потомства — это обеспечение его достаточным количеством пищи. Это примечательно, потому что большинство животных даже не узнают своих собственных детенышей, не говоря уже о том, чтобы заботиться о них», - отметил Кронауэр.

Они выбрали клонированных муравьев-рейдеров, потому что каждый рабочий муравей в колонии является генетической копией остальных. Любые различия в отношении муравьев к потомству обусловлены особенностями строения мозга, а не различиями в генах.

Чтобы оценить заботу о потомстве, команда поместила одного муравья в узкий коридор с одной личинкой и снимала его на видео в течение 5 часов. Молодые муравьи склонялись над личинкой, находясь с ней в почти постоянном контакте, в то время как более взрослые муравьи через некоторое время отходили в сторону.

Затем команда изучила собственный молекулярный арсенал муравьев. Они создали и протестировали 61 нейропептид — небольшие сигнальные молекулы, которые мозг использует для корректировки поведения, — замачивая муравьев в каждом из них и отслеживая, как это повлияло на время, проведенное с личинкой.

Два из них особенно выделялись. Один, называемый нейропептидом F, заставлял муравьев проводить больше времени за выкармливанием соков. Другой, аллатостатин А, оказывал противоположный эффект и подталкивал их к поиску пищи.

Ученые давно знают, что обе эти молекулы выполняют совершенно другие функции. Нейропептид F повышается при чувстве голода и побуждает животное к еде, в то время как аллатостатин А повышается при чувстве сытости и подавляет аппетит. Они вызывают аппетит у большинства животных, которые их содержат, включая червей и мух.

Нейропептид F — это аналог молекулы NPY, которая также присутствует у млекопитающих и является основным регулятором чувства голода. Это стало неожиданностью. Молекулы, отвечающие за питание, определяли, как муравей заботится о потомстве другого муравья.

Если эти молекулы определяют переход от роли кормилицы к роли добытчика пищи, то их количество в мозге должно меняться с возрастом муравья. Так и происходит. По мере старения рабочих муравьев уровень нейропептида F снижается, а уровень аллатостатина А повышается в областях мозга, отвечающих за обоняние и обработку информации на более высоких уровнях.

Сигнал нейропептида F легко отследить, поскольку мозг муравья вырабатывает его всего в 16-20 клетках. Аллатостатин А гораздо более распространен и вырабатывается сотнями клеток. У молодой муравьиной няни баланс смещается в сторону нейропептида F, а у старой муравьиной няни — в противоположную сторону.

Чтобы отделить причину от совпадения, команда напрямую изменила молекулы. Добавление нейропептида F молодым муравьям заставило их потреблять молоко еще чаще, в то время как подавление гена, отвечающего за этот пептид, уменьшило их потребность в этом. Повышение уровня аллатостатина А дало обратный эффект, а его отключение усилило заботу о потомстве.

Поскольку эти молекулы реагируют на голод у других животных, команда проверила, продолжают ли они перемещаться у муравья после приема пищи и влияет ли это на заботу о потомстве. Оказалось, что влияют, причем неожиданным образом.

Истощенные муравьи проводили с личинками больше времени, а не меньше. Это противоречит обычному правилу, согласно которому голодное животное добывает пищу чаще, и в данном случае это связано с циклом размножения, в котором хорошо накормленные рабочие особи отправляются на поиски пищи. В ходе экспериментов ни одна личинка не пострадала.

«Мы также показали, что эти молекулы по-прежнему реагируют на собственное пищевое состояние муравья. Это означает, что голод и забота о потомстве связаны одними и теми же биологическими путями, что приводит к удивительным взаимодействиям между питанием и родительской заботой», - говорит соавтор исследования Томас Кей.

Аналогичное взаимодействие между голодом и заботой о потомстве наблюдается и у млекопитающих. У мышей девственные самки обычно заботятся о детенышах, но проявляют к ним агрессию, когда голодны, и исследование показало, что это переключение связано с NPY, аналогом нейропептида F у млекопитающих, который подавляет активность нейронов мозга, отвечающих за заботу о потомстве.

Муравьи не единственные, кто строит свою социальную жизнь на основе устаревших механизмов. Эта закономерность наблюдается везде, где развивалась забота о потомстве, и каждая линия, похоже, по-своему настроила одну и ту же древнюю систему.

Другие муравьи достигают аналогичного разделения труда с помощью совершенно других сигналов. Исследование показало, что у муравья-листореза отдельная пара молекул направляет рабочих либо на уход за расплодом, либо на срезание листьев, разделяя работу по другому пути.

В основе этой системы лежат одни из древнейших молекул, регулирующих процессы в биологии, среди которых инсулин и ювенильный гормон, которые вместе координируют питание, рост и размножение. Система имеет глубокие корни. Нейропептид F и аллатостатин А также участвуют в её работе, что помогает объяснить, почему аппетит, старение и разделение труда в колонии остаются так тесно взаимосвязанными.

В более широком смысле, утверждение заключается в том, что родительские навыки эволюционировали таким образом снова и снова. Всякий раз, когда забота о потомстве возникает заново — у лягушки, птицы, млекопитающего или насекомого — эволюция, как правило, обращается к тому же набору инструментов для кормления и роста, а не изобретает что-то новое, — закономерность, описанная в недавнем обзоре.

Кей отмечает, что эхо, слышимое у животных, обитающих на столь отдаленных участках Земли, намекает на нечто более глубокое. «Это говорит о том, что эволюция гораздо более ограничена — и, следовательно, возможно, ее легче понять — чем мы склонны предполагать», - говорит он.

Никто раньше не показывал, что две молекулы, участвующие в процессе питания и работающие друг против друга, определяют заботу насекомого о потомстве и то, как она ослабевает с возрастом. Родительство выглядит не столько новым изобретением, сколько переработкой механизмов, существовавших гораздо раньше самого родительского поведения.

Осталась одна загадка. Нейропептид F стимулирует сосание груди у этого муравья, хотя у других насекомых та же молекула обычно препятствует этому, поэтому часть старых нейронных связей была изменена или подавлена. Разгадка этого процесса может раскрыть, как эволюция редактирует древние нейронные цепи для формирования нового поведения.