Как такое маленькое животное может жить так долго?
Маленькие животные обычно не стареют. Так как они всегда рискуют стать закуской для другой живности, лучший способ обеспечить передачу генов для них — это как можно скорее обзавестись потомством. Этот принцип безусловно работает для насекомых, продолжительность жизни которых, за некоторыми известными исключениями, обычно исчисляется днями, неделями или редко месяцами.
В отличие от них, такие животные, как слоны и люди, производят небольшое количество потомков и обладают телами, которые способны сохраняться в хорошем состоянии на протяжении десятилетий: если размер вашего тела или образ жизни позволяет, то вы можете никуда не торопиться.
Такой порядок вещей настолько распространен, что позволяет предположить: поскольку размножение и поддержание жизнедеятельности требуют больших затрат, животные просто не могут позволить себе и то, и другое. Поэтому чем больше энергии и питательных веществ особь вкладывает в производство потомства, тем быстрее она стареет и тем короче ее жизнь.
Однако у социальных насекомых, таких как термиты, муравьи, пчелы и осы, королевы, похоже, нашли способ решить эту проблему.
Во многих колониях королевы, откладывающие сотни яиц каждый день, могут оставаться в живых годами или даже десятилетиями, в то время как рабочие особи, которые за всю свою жизнь не отложили ни одного яйца, умирают через несколько месяцев. По-видимому, эти виды нашли путь, который позволяет по крайней мере некоторым из них избежать ограничений, заставляющих других животных выбирать между долголетием и большим количеством потомства.
Несколько лет назад международная группа биологов задалась целью изучить, как эти существа справляются с этой задачей, и хотя многое еще предстоит узнать, первые результаты их работы начинают давать подсказки.
Различия в генетическом коде не могут объяснить необычное долголетие королев насекомых по сравнению с рабочими. Все рабочие являются детьми королевы, и во многих случаях любой из них может вырасти и стать королевой, если получит соответствующее королевское обращение на этапе личинки.
Именно поэтому есть смысл в том, чтобы рабочие посвящали свою жизнь заботе о королеве и ее потомстве, поддержанию и защите колонии, а также добыче пищи. Оберегая королеву и обеспечивая ее всем необходимым для производства яиц в течение многих лет подряд, каждый рабочий способствует распространению своих собственных генов.
А поскольку королева — единственная в колонии особь, откладывающая яйца, колонии с долгоживущими королевами, скорее всего, будут расти и посылать больше молодых королев для создания новых гнезд, а также самцов для их оплодотворения.
Многие ученые думают, что должно было существовать сильное селективное давление, чтобы сохранить жизнь королевы как можно дольше за счет эволюции замедленного старения.
Но как этого можно достичь? Другие насекомые предлагают несколько возможных вариантов.
Оказывается, некоторые виды в зависимости от обстоятельств могут вкладывать больше жизненных ресурсов либо в свой собственный организм, либо в создание потомства. Например, исследования показали, что если плодовую мушку Drosophila melanogaster кормить ограниченно, она может значительно увеличить продолжительность своей жизни, но при этом производить меньше яиц.
Исследователи также показали, что за этот эффект отвечает целая группа генов, участвующих в определении наличия питательных веществ, таких как аминокислоты и углеводы. Когда пищи не хватает, эти гены передают сигналы, которые задерживают размножение, увеличивая продолжительность жизни животного и его вклад в такие процессы, как восстановление тканей, что, возможно, позволит ему дождаться лучших времен. Некоторые ученые также показали, что продолжительность жизни мух может быть продлена, если некоторые из ключевых генов, участвующих в сети, которая реагирует на питательные вещества, не активны.
Эксперимент с плодовыми мушками позволяет предположить, что скорость старения не является чем-то неизменным. Напротив, она может быть в определенной степени адаптирована как часть эволюционировавшей стратегии разумного расходования ресурсов: когда их достаточно, они вкладываются в потомство, когда недостаточно — в себя, чтобы сохраниться до лучших времен.
«Когда мы говорим о механизмах старения, мы обычно имеем в виду то, как организм слабеет и ухудшается. Мы часто забываем об обратной стороне старения — о ключевых механизмах, которые замедляют ухудшение состояния здоровья», — говорит эволюционный биолог Томас Флатт из Фрайбургского университета в Швейцарии, который работал с плодовыми мушками и является соавтором статьи о старении насекомых в журнале Annual Review of Entomology.
Может быть, социальные насекомые используют те же гены, что и дрозофила, для изменения скорости старения — в их случае для задержки старения королев?
Изучение старения королев затруднено, поскольку в каждой колонии обычно есть только одна королева, которая иногда живет несколько десятилетий. Исследователи иногда извлекают королеву из колонии, что часто заставляет некоторых рабочих начать производить яйца самостоятельно.
Конечно, это не полностью превращает рабочих в королев, но эксперименты показали, что это приводит к преимуществам для здоровья.
Рабочие пчелы с активными яичниками чаще выживали после инъекции параквата — гербицида, который вызывает окислительное повреждение белков, ДНК и других компонентов клеток. Повреждения такого рода (только медленнее) вызываются отходами нормального метаболизма и являются важным фактором старения.
Ученые из двух немецких университетов заметили нечто подобное у рабочих трех видов муравьев. У двух из этих видов устойчивость к окислительному стрессу повышалась после удаления королевы из колонии, что почти вдвое увеличивало шансы рабочих выжить после инъекции параквата. Рабочие одного из этих видов в ответ активировали свои яичники. «Представители другого вида вместо этого сделали ставку на увеличение срока собственной жизни с целью успеть вырастить новую королеву», — считает Ромен Либбрехт, эволюционный биолог из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, соавтор данного исследования.
По словам эволюционного биолога Джудит Корб из Фрайбургского университета в Германии, подсказки о хитростях социальных насекомых, направленных против старения, можно почерпнуть и у различных видов термитов — насекомых, которые по сути являются социальными тараканами.
Один из видов термитов, которых она изучает, сухостойный термит Cryptotermes secundus, никогда не покидает гнезда — он просто устраивает норы в сухих деревьях, питаясь древесиной изнутри. Рабочим особям не приходится много работать, и они сохраняют способность к размножению. Они всегда готовы покинуть гнездо, чтобы попытаться основать собственную колонию в другом месте, когда закончится пища.
Корб и ее коллеги обнаружили, что когда рабочие моложе и не способны размножаться, гены, участвующие в борьбе с окислительными повреждениями, более активны. Но когда они стареют и становятся репродуктивно зрелыми, активность таких генов снижается, так как основное внимание уделяется размножению.
Рабочие этого вида могут жить несколько лет, а короли и королевы — десять и более лет. Но у большинства других видов термитов социальная структура сложнее, а у некоторых видов рабочие полностью стерильны и никогда не смогут отложить собственные яйца. Именно в этом случае наблюдаются действительно большие различия в продолжительности жизни между рабочими и королевой.
«Рабочие часто живут всего несколько месяцев, в то время как их короли и королевы — настоящие долгожители», — говорит Корб. У Macrotermes bellicosus, самого крупного из известных видов термитов, королевы могут жить более 20 лет.
Похоже, что только когда члены колонии теряют всякую надежду когда-либо иметь собственное потомство, они полностью полагаются на королеву.
Чтобы попытаться узнать больше о том, что обеспечивает долгую жизнь королев у социальных насекомых, группа исследователей, в которую вошли Корб, Либбрехт и Флатт, решила сравнить уровень активности различных генов у термитов, муравьев и пчел. Всего они изучили 157 особей, включая насекомых разного возраста и из разных каст.
Команда обнаружила, что гены, которые, как известно, играют важнейшую роль в воспроизводстве потомства, ведут себя по-разному у королев и у бесплодных рабочих особей. Некоторые из этих генов, несущие инструкции по созданию белков, под названием вителлогенины, были активны у королев всех видов.
Основная роль вителлогенинов — поддерживать производство зародыша для яиц. Но некоторые ученые подозревают, что они могут быть полезны и в других случаях. По крайней мере, исследования показали, что у медоносных пчел вителлогенины также выполняют функцию антиоксидантов. У социальных насекомых это может способствовать устойчивости маток к окислению.
Команда также обнаружила различия в активности генов, вовлеченных в предотвращение окислительного разрушения или восстановление его последствий, у королев и рабочих, откладывающих яйца, по сравнению со стерильными рабочими. Однако конкретные гены, участвующие в этом процессе, сильно различались у разных видов. «Очевидно, каждый вид выработал свой собственный способ поддерживать жизнь своих королев дольше», — говорит Корб, возглавлявшая исследование.
Ученые также проверили группу генов, реагирующих на питательные вещества, которые могут увеличить продолжительность жизни плодовых мушек, и не обнаружили очевидных закономерностей. Но они обнаружили кое-что другое: различия в активности генов, участвующих в производстве и работе ювенильного гормона — молекулы, участвующей в реорганизации тела большинства созревающих насекомых.
Возможно, тот же гормон, который позволяет насекомым взрослеть, помогает им отсрочить старение, предполагают ученые. Но опять же, то, как именно эти гены, связанные с ювенильными гормонами, были настроены, варьировалось от вида к виду.
По мнению Корб, это несколько обескураживающее разнообразие видов раскрывает важный урок о природе старения: речь идет не об одной кнопке или переключателе, который позволяет виду вкладывать больше или меньше средств в поддержание особи или воспроизводство потомства, а о целой приборной панели, которая у каждого вида настроена немного по-разному. «Компромисс между продолжительностью жизни и воспроизводством явно не является жестко запрограммированным — он гораздо более гибкий, чем мы думали», — говорит она.
Результаты этих исследований являются напоминанием о том, что доскональное изучение одного или двух видов — например, знаменитой плодовой мушки дрозофилы — не может нам дать ответов на все вопросы, необходимо учитывать многообразие.
По материалам статьи «How Can Something So Small Live So Long?» The Atlantic