Зараженные муравьи вырабатывают химические вещества, провоцирующие сородичей их уничтожать

13 апреля 2018



В чашке Петри одну из куколок расплода колонии вида муравьев Lasius neglectus, покрытую коконом, окружают три муравья-работника. Врываясь внутрь молодой особи своими мандибулами, муравьи удаляют ее из кокона, перфорируют ее кутикулу и разрывают тело жертвы, деля его на части. Наконец, рабочие муравьи наносят муравьиную кислоту из своих ртов на выпотрошенную куколку, оставляя позади кучу смятых останков. И это не случайный акт насилия. По словам эволюционного биолога Криса Пулла из Royal Holloway, Лондонского университета, эти муравьи участвовали в деструктивной дезинфекции, убивая куколку вместе с муравьиным грибом Metarhizium brunneum, которым она была заражена. Такой тип поведения выработался эволюционно у социальных насекомых, таких как муравьи, пчелы и термиты для защиты колоний от инфицированных особей, говорит Пулл. Насекомые-работники действуют как иммунные клетки, которые также ищут и уничтожают инфекционные агенты в телах млекопитающих — лейкоциты.

Муравьи-работники совершают акт деструктивной дезинфекции: разрывают куколку и распыляют на нее кислоту.

Но как муравьи узнают, кого из молоди нужно уничтожить, а кого сохранить, это загадка. «Мы все давно задумывались над тем, как муравьи могут быть настолько эффективны в своем противоэпидемическом поведении, — говорит Саймон Трагуст, зоолог из Университета Мартина Лютера в Германии. Трагуст исследовал, как муравьи используют противомикробные выделения, такие как муравьиная кислота, в качестве дезинфицирующего средства в интересах колонии. Работая отдельно от группы Пулла он обнаружил, что муравьи-работники L. Neglectus, осуществляя уход за куколками, разбрызгивают муравьиную кислоту на особей, зараженных Metarhizium, но он не определил, как они выбирали свои цели, Я был шокирован тем, насколько они эффективны,- сказал Крис Пулл.

В 2012 году, будучи доктором философии в Институте науки и техники Австрии, Пулл вместе с аспирантом и эволюционным биологом Сильвией Кремер решили докопаться до истины. После сбора тысяч муравьев вместе с их королевами и выводком из суперколонии L. neglectus, проживающих в северо-восточной Испании, Пулл, Кремер и их коллеги инъецировали в каждую третью муравьиную куколку дозу грибковых спор, оставшимся же, как контрольной группе, ввели воду. Затем они поместили рабочих муравьев в чашки Петри с куколками и сняли на камеру их поведение. Муравьи были безжалостными и эффективными: они распаковывали и дезинфицировали куколки, которые были подвергнуты воздействию патогена, в то время как контрольные особи оставались нетронутыми. «Я был шокирован тем, насколько они эффективны в предотвращении распространения грибков», — говорит Пулл.

Команда также заметила, что рабочие муравьи уничтожали зараженные куколки, хотя грибковая инфекция все еще находилась в инкубационном периоде, то есть прежде чем она стала видимой или заразной. Иными словами, что-то кроме инфекционного агента сообщало рабочим муравьям о заражении куколки. Пулл и его коллеги знали, что муравьи общаются со своими кладками посредством химических соединений, называемых кутикулярными углеводородами, и подозревали, что инфицированные куколки могли посредством данных веществ сигнализировать насекомым-работникам о заражении.

Чтобы проверить гипотезу, исследователи промыли некоторые из зараженных куколок растворителем для удаления кутикулярных углеводородов. При контакте с такими куколками рабочие муравьи выполняли свою процедуру дезинфекции на 72 процента менее эффективно, чем когда им давали не обработанных ничем куколок либо куколок, которые были ополоснуты водой. Газовая хроматография подтвердила, что инфицированные куколки, которые не были обработаны растворителем, имели уникальный химический профиль на своих кутикулах — своего рода сигнал «найти меня / съешь». Этот сигнал, как заметил Пулл, функционально аналогичен тем, которые выделяют клетки организма человека во время апоптоза (регулируемого процесса запрограммированной клеточной гибели) для привлечения фагоцитарных иммунных клеток.

Эта сигнализация болезни обычно приводит к гибели инфицированного индивидуума, стимулируя дезинфицирующее поведение у насекомых-рабочих, но зато она защищает остальную колонию от фатальной инфекции, в том числе она спасает яйцекладущих королев. «Больные особи запрограммированы на такое поведение, они подвергают себя риску, чтобы популяция могла гарантированно передать здоровые гены следующему поколению», — говорит Пулл.

Если королевская колония выживет, эволюционная пригодность каждого индивидуума (если говорить о генах) максимизируется, объясняет Кремер. «В таких системах селекция действует на уровне репродуктивной сущности», что способствует эволюции коллективной защиты или «социального иммунитета». Подобные альтруистические химические сигналы, обнаруженные командой «могут быть очень распространены» среди социальных насекомых, добавляет Кремер. Кутикулярные углеводы, которые составляют сигнал «дезинфицировать меня», имеются не только у муравьев L. neglectus во время грибковой инфекции, но и у медоносных пчел, которые имеют сходную динамику в колониях — после вирусной инфекции или при введении бактериальных клеток, отмечает она.

Лорен Келлер, мирмеколог (специалист по муравьям) из Лозаннского университета, который не участвовал в исследовании, говорит, что альтруизм, демонстрируемый зараженными куколками в этом исследовании, не похож на альтруизм медоносной пчелы, которая «будет жалить врага отдавая свою жизнь за колонию». Но не все действия в колониях социальных насекомых полностью альтруистичны, отмечает ученый. Лорен Келлер добавляет, что он хотел бы получить от команды Пулла больше информации о том, как поведение сигнализации развивалось у муравьев. «Это может быть довольно интересно, — говорит он. «Я думаю, что это непростой вопрос». Пулл говорит, что теперь он планирует изучить феномен разрушительной дезинфекции на уровне колонии.

«Большинство этих экспериментов по защите от болезней у социальных насекомых проводятся в лаборатории, и у нас нет ясного понимания того, как они работают во всей колонии», — говорит он. Любопытно было бы узнать, связана ли скорость дезинфекции с уровнем успешности колонии, но для этого нужна целая колония.