Феромон бджолиної матки виявився здатним не просто пригнічувати розмноження робочих особин, а і сигналізувати, наскільки вигідною може бути їхня допомога колонії замість власного розмноження. Такого висновку науковці дійшли, вивчаючи потових бджіл, у яких всі дочки можуть обирати: залишитися в колонії чи покинути її. Вищий рівень феромонів на тілі матки сигналізував про її майбутню плодючість і збільшував імовірність того, що дочка залишиться в гнізді як робітниця. Це відкриття може пояснити, як у тваринному світі виникли спільноти, де частина особин відмовляються від участі у розмноженні. Дослідження опублікували у журналі Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
Потова бджола — представниця виду, у якого самиці можуть або залишитися в колонії як робітниці, або полетіти засновувати нову. Carmelo Lopez
Навіщо деякі тварини відмовляються від самостійного розмноження?
Основною біологічною задачею більшості живих організмів є утворення копій власних генів, і зазвичай цей процес відбувається завдяки утворенню нащадків. Водночас в евсоціальних тварин, таких як бджоли, терміти, мурахи або голі землекопи, лише матка безпосередньо приносить потомство, тоді як інші члени колонії доглядають її нащадків, збирають їжу та виконують інші задачі. За однією з провідних теорій, такі соціальні структури виникають тоді, коли всі члени колонії є потомством матки, тож мають половину спільних генів з материнською особиною і стільки ж — одна з одною. Таким чином, навіть у випадку відмови від розмноження робочі особини сприяють збільшенню копій власних генів, піклуючись про сестер та братів.
Евсоціальна структура зазвичай підтримується за допомогою хімічної сигналізації: матка утворює певні сполуки — феромони, які впливають на робочих особин та пригнічують їх здатність до розмноження. Існує дві основні гіпотези еволюційної функції феромонів. За однією з них, вони «чесно» повідомляють робочим особинам про здатність матки давати велику кількість хорошого потомства, тож робочим особинам вигідно відмовитися від самостійного розмноження та передати цю функцію матці. За іншою гіпотезою вплив феромонів є маніпулятивним — матка фізіологічно пригнічує розмноження робочих особин «проти їхньої волі» і вони «не знають», чому не лишають потомства.
Перевірити, яка з цих гіпотез правильна — непросто. У великих колоніях мурах або медоносних бджіл робітники зазвичай фізично не здатні до розмноження. Утім, для потових бджіл Megalopta genalis характерна факультативна евсоціальність, тобто вони здатні жити як в колоніях, так і поодинці. Після виходу з лялечки дочка може залишитися в материнському гнізді, полетіти й заснувати власне або навіть позбутися матері та зайняти її місце. Якщо видалити матку з колонії, робочі бджоли здатні активувати яєчники та почати відкладати яйця. Тому міжнародна команда вчених на чолі з дослідниками з Корнельського університету вирішила використати бджіл цього виду, щоб перевірити, чи справді материнські феромони сигналізують про переваги передачі функції розмноження, чи вони змушують робочих особин відмовлятися від «власних інтересів» у відтворенні генів.
Як перевіряли дію феромонів на бджіл?
Щоб з’ясувати, як саме феромони впливають на робочих особин, учені розміщували гнізда для спостережень у природному середовищі, позначали бджіл-маток та їхніх перших дочок і стежили за відкладанням яєць, виходом потомства, розселенням і спробами захоплення гнізда. Усі експерименти проводили на острові Барро-Колорадо в Панамі та загалом дослідили 230 гнізд.
Науковці відбирали з тіла бджіл воскоподібні речовини, у яких містяться феромони. Jorge Aleman
Спочатку дослідники визначили сполуку, яка виконує функцію феромонів. Для цього вони проаналізували речовини на поверхні тіла бджіл, синтезували ці сполуки в лабораторії та провели серію експериментів, у яких спостерігали за реакцією на них комах. Виявилося, лише метилалкани — розгалужені вуглеводні, викликали типову для підлеглих робітниць поведінку: комахи швидко відступали після доторку до речовини вусиками, іноді підгинаючи черевце. Нанесення додаткової кількості цих речовин на матку упродовж десяти днів пригнічувало розвиток яєчників у робочих бджіл, але не впливало на репродуктивні органи самої матки. Тому дослідники зробили висновок, що метилалкани і є феромонами, а їхній механізм дії складніший за хімічне отруєння або гальмування фізіологічних функцій.
Також виявилося, що у соціальних маток метилалканів було приблизно вдвічі більше, ніж у поодиноких самиць і ця різниця виникала після появи дорослих дочок, тобто, потенційних помічниць — або суперниць. Це свідчить на користь того, що сигнал посилювався в момент, коли дочці потрібно було вирішувати, залишатися їй помічницею чи починати самостійне життя.
Зрештою автори перевірили, чи може дочка за рівнем метилалканів оцінити майбутню вигоду від допомоги матері. Для цього вони відібрали гнізда, у яких перша дочка залишилася робітницею, виміряли рівень метилалканів у маток на перший і десятий день після появи дочки, а потім регулярно перевіряли гнізда до кінця періоду розмноження та записували кількість і стать усього потомства. На основі цих даних науковці обчислювали швидкість відкладання яєць і генетичну вигоду для робітниці. Виявилося, що вищий рівень метилалканів як на перший, так і на десятий день справді передбачав більшу швидкість відкладання яєць та накопичення непрямої генетичної вигоди робітницею упродовж цілого сезону. Тобто, вищий рівень феромонів матки справді повідомляв її дочці про здатність матері до утворення вигідного для дочки потомства, що підтверджувало гіпотезу «чесної» сигналізації.
Для спостереження за комахами в дикій природі науковці встановлювали штучні гнізда та камери. Jorge Aleman
Насамкінець, досліди з використанням міченого вуглецю показали, що для синтезу метилалканів бджоли використовують валін — незамінну амінокислоту, необхідну також для утворення яєць. Дослідники зазначили, що це додатково підтверджує чесність сигналу, адже слабка матка не може безкінечно утворювати феромони, щоб змушувати дочок залишитися у гнізді, оскільки так вона витратить речовини, потрібні для розмноження.
Тож як виникла евсоціальність?
Автори дослідження вважають, що на ранніх етапах еволюції соціальності феромони маток могли слугувати своєрідною «чесною рекламою» вигідної співпраці: дочка залишалася допомагати тоді, коли висока плодючість матері обіцяла їй достатню непряму генетичну вигоду. Такий умовний вибір міг стати проміжним кроком до обов’язкової евсоціальності, за якої робочі особини вже назавжди відмовляються від власного розмноження. Ці висновки ще потрібно перевірити на інших видах, але дослідження вказує на механізм, за допомогою якого «чесний» хімічний сигнал міг допомогти розв’язати конфлікт інтересів і сприяти одному з найбільших переходів в еволюції тварин — виникненню евсоціальності.
Що науковці знають про колоніальних тварин
🪲 Члени колонії нежалких бджіл так билися між собою, що сприяли появі виду жуків-падальників, які їдять виключно загиблих та поранених в сутичках бджіл.
👩🔬 Лише нещодавно біологам вдалося з’ясувати, як королева голих землекопів — єдина самиця в колонії, яка дає потомство, — пригнічує здатність до розмноження інших самиць групи.
🤔 Сперматозоїди термітів втратили хвости та здатність рухатися внаслідок переходу їхніх предків до суворої моногамії, яка усунула конкуренцію між самцями.
