Муравьиные колонии функционируют как высокоинтегрированные «суперорганизмы», где тысячи индивидов работают сообща, напоминая скоординированную активность клеток в едином теле. Ученые из Института науки и технологий Австрии (ISTA) обнаружили, что смертельно больные личинки муравьев выделяют характерный запах, аналогично тому, как инфицированные клетки тела посылают сигналы бедствия. Этот запах служит ранним предупреждением, помогая колонии быстро выявлять и устранять угрозы заражения до их распространения. Результаты исследования были опубликованы в издании Nature Communications.
Во многих сообществах животных индивиды часто скрывают признаки болезни, чтобы избежать отторжения группой. Однако муравьиные куколки поступают иначе. Столкнувшись с инфекцией, которую невозможно пережить, они производят химический сигнал тревоги, предупреждающий сородичей об опасности, которую они представляют для всего гнезда.
Как только рабочие муравьи улавливают этот сигнал, они действуют незамедлительно. Они вскрывают кокон инфицированной куколки, делают небольшие надрезы на ее внешней поверхности и наносят муравьиную кислоту – природное антимикробное соединение, вырабатываемое самими рабочими особями. Такая обработка уничтожает патогены, развивающиеся внутри куколки, но также приводит к ее гибели.
«То, что на первый взгляд кажется самопожертвованием, на самом деле выгодно и самому сигнализирующему индивиду: это защищает его сородичей, с которыми он разделяет множество генов. Предупреждая колонию о своей смертельной инфекции, смертельно больные муравьи помогают колонии оставаться здоровой и производить новые дочерние колонии, что косвенно передает гены сигнализирующего индивида следующему поколению», – объясняет Эрика Доусон, первый автор исследования и бывший постдок в исследовательской группе «Социальный иммунитет» под руководством Сильвии Кремер в ISTA.
Исследование, проведенное совместно с химиком-экологом Томасом Шмиттом из Вюрцбургского университета в Германии, впервые задокументировало такую форму альтруистического сигнализирования о болезни у социальных насекомых. Без такой системы предупреждения умирающий муравей мог бы стать крайне заразным и угрожать всей колонии. Раннее сигнализирование о своем состоянии позволяет безнадежно больным особям сделать так, чтобы колония могла устранить угрозу до того, как она выйдет из-под контроля.
В масштабе колонии муравьи функционируют как «суперорганизм», где разные члены выполняют роли, жизненно важные для выживания группы. Королевы сосредоточены на размножении, в то время как рабочие особи занимаются всем – от кормления до поддержания гнезда и заботы о здоровье. Это отражает разделение труда в человеческом организме, где репродуктивные клетки производят потомство, а другие клетки выполняют повседневные биологические задачи.
И организмы, и суперорганизмы зависят от тесного сотрудничества репродуктивных и нерепродуктивных компонентов. У муравьев это сотрудничество настолько обширно, что включает поведение, приносящее пользу колонии даже ценой жизни индивида, например, принесение в жертву фатально инфицированного потомства.
Возникает естественный вопрос: зачем муравьям развивать такую сложную систему тревоги, если больные особи могут просто покинуть гнездо? Сильвия Кремер поясняет: «Взрослые муравьи, приближающиеся к смерти, покидают гнездо, чтобы умереть вне колонии. Аналогично, рабочие особи, подвергшиеся воздействию грибковых спор, практикуют социальное дистанцирование». Однако этот вариант недоступен для личинок, которые не способны передвигаться самостоятельно. Подобно инфицированным клеткам в теле, они нуждаются во внешней помощи.
Развивающиеся куколки и клетки тела сталкиваются с похожими проблемами и используют схожие стратегии. Оба выделяют химические сигналы, которые привлекают либо иммунные клетки, либо рабочих муравьев, позволяя этим помощникам устранить потенциальные источники инфекции. Иммунологи называют этот сигнал «найди меня и съешь меня» (find-me and eat-me signal).
«Сигнал должен быть как чувствительным, так и специфичным, – добавляет Кремер. – Он должен помогать идентифицировать всех смертельно больных муравьиных куколок, но при этом быть достаточно точным, чтобы избежать извлечения здоровых куколок или тех, кто способен преодолеть инфекцию собственной иммунной системой». Это поднимает вопрос о том, как достигается такая точность.
Томас Шмитт, чья работа сосредоточена на химической коммуникации у социальных насекомых, отмечает, что рабочие особи могут целенаправленно воздействовать на одну больную куколку среди множества. «Это означает, что запах не может просто рассеиваться по камере гнезда, а должен быть непосредственно связан с больной куколкой. Соответственно, сигнал состоит не из летучих соединений, а из нелетучих соединений на поверхности тела куколки».
Два компонента естественного запахового профиля муравьев усиливаются, когда куколка смертельно заражена. Чтобы проверить, вызывает ли именно это изменение запаха реакцию дезинфекции, исследователи перенесли измененный запах на здоровых куколок и наблюдали за поведением рабочих особей.
«Мы извлекли запах из сигнализирующих куколок и нанесли его на здоровое потомство», – говорит Кремер. Результаты показали, что один лишь запах был достаточен, чтобы заставить рабочих особей извлечь обработанных куколок, демонстрируя, что измененный запах смертельно инфицированного потомства функционирует так же, как сигнал «найди меня и съешь меня», наблюдаемый в инфицированных клетках тела.
Эрика Доусон поясняет, что не все личинки подают этот сигнал тревоги. «Куколки королевы, которые обладают более сильной иммунной защитой, чем куколки рабочих, и могут самостоятельно ограничивать инфекцию, не выделяют такого предупреждающего сигнала колонии», – объясняет она. Куколки рабочих, однако, такой способностью не обладали и сигнализировали о помощи.
Подавая сигнал только тогда, когда инфекцию невозможно контролировать, личинки обеспечивают реакцию колонии только на подлинные угрозы. Это предотвращает ненужную потерю особей, которые еще способны к выздоровлению. Кремер заключает: «Именно эта точная координация между индивидуальным и колониальным уровнями делает такое альтруистическое сигнализирование о болезни столь эффективным».
Для лучшего понимания фундаментальных биологических процессов, таких как процессы в поведенческой биологии, иммунологии или генетике, исследования с участием животных крайне важны. Никакие другие методы, включая подходы in silico, не могут полностью заменить эти исследования. Все животные, используемые в экспериментах, собираются, выращиваются и обрабатываются в соответствии со строгими правовыми нормами.
