У большинства животных высокая плодовитость почти всегда сопровождается быстрым выгоранием; например, благородные олени стареют быстрее, если они рано размножаются. Но королевы социальных насекомых идут вопреки тенденции: размножение увеличивает продолжительность их жизни, а не сокращает ее. Например, исследование 2005 года, проведенное командой Хайнце, показало, что у маток C. obscurior, которые спаривались, продолжительность жизни на 44% дольше, чем у девственных маток (26 недель против 18). И это несмотря на лихорадочный образ жизни этих спарившихся маток: они откладывали в пять раз больше яиц и быстрее, чем матки, которые не спаривались или были повязаны со стерильными самцами. Эта странность — связь между воспроизводством и долголетием – пристально изучается теперь учеными Регенсбургского университета (Бавария).
В небольшой комнате Регенсбургского университета обитает более 50 коробок черных поразительно стройных муравьев. Уроженец Центральной Америки, клоновый муравей Platythyrea punctata развил черту, редкую среди муравьев: он может производить дочерей из неоплодотворенных яиц. Колония P. punctata может полностью состоять из клонов, произведенных одной или двумя доминирующими самками.
«Что действительно удивительно, так это то, что они одинаковы генетически, — говорит биолог-эволюционист Абель Бернаду, указывая на 30 или около того муравьев в коробке, — но в зависимости от их работы у них будет совершенно разная продолжительность жизни». Члены рабочей касты колонии, которые выкармливают выводок, охотятся за пропитанием и защищают гнездо, умирают в течение 7 месяцев, даже если они сыты и защищены в лаборатории. Но муравьи из репродуктивной касты, единственная задача которых — откладывать яйца, могут жить от 10 до 16 месяцев.
Для Бернаду вопросы, поднятые этим неравенством, непреодолимы. Что заставляет некоторых муравьев жить вдвое дольше, чем их товарищи по гнезду с точно таким же геномом? И как размножение — утомительное усилие, ускоряющее старение большинства животных, — может заставить этих муравьев жить дольше?
Бернаду и его коллеги-мирмекологи из Регенсбурга являются частью небольшой группы исследователей, которые обратились к социальным насекомым — муравьям, пчелам и термитам — чтобы помочь разгадать тайны старения. Это развивающаяся область, которая редко упоминается на конференциях по биологии старения, где все внимание уделяется мышам, дрозофилам и крохотным нематодам Caenorhabditis elegans — трем видам, которые исследовали более полувека, чтобы узнать, что контролирует продолжительность их жизни.
Многим, кто изучает эти виды, еще предстоит убедиться, что социальные насекомые могут внести важный вклад в науку. «Люди думают, что узнавать о разнообразии старения — это интересно и полезно, — говорит биолог Гро Амдам, изучающий старение пчел в Норвежском университете естественных наук и Университете штата Аризона в Темпе. — Но они не думают, что мы сделаем важные открытия в области социальных насекомых, которые имеют отношение к их работе».
Амдам и другие исследователи социальных насекомых, которые в этом месяце опубликовали большую серию открытий в тематическом выпуске о старении и социальности в «Философских трудах» Королевского общества B, обещают новые способы понимания старения. Одна из причин заключается в том, что многие социальные насекомые живут намного дольше, чем более популярные модельные организмы. Королевы медоносных пчел живут до 5 лет, а королевы термитов и муравьев — более 20. Продолжительность жизни дрозофилы, напротив, составляет не более 13 недель, а у C. elegans — всего 18 дней. «Если вы хотите узнать, как быстро умереть, работайте над дрозофилой», — шутит биолог-эволюционист Лоран Келлер, изучающий старение муравьев в Лозаннском университете.
Еще более интригующим является тот факт, что старение социальных насекомых пластично и меняется в зависимости от социального контекста. Немногие социальные насекомые столь же однородны, как муравьи-клоны, но у большинства королев и рабочих геномы очень похожи, потому что все члены колонии являются потомками одной или нескольких маток. Тем не менее, в то время как королевы, кажется, остаются молодыми всю свою долгую жизнь, рабочие быстро стареют и быстро умирают. Двухсантиметровая королева техасских муравьев-листорезов (Atta texana) намного крупнее своих рабочих, и у нее более продолжительная жизнь. Рабочие японских термитов (Reticulitermes speratus) не могут восстанавливать окислительные повреждения так же хорошо, как королевы, и живут более короткой жизнью.
Ученые могут ускорить, замедлить или даже обратить вспять старение муравьев и пчел, просто заставив их спариться или изменив свои задачи. По словам молекулярного биолога Роберто Бонасио из Пенсильванского университета, изучающего эпигенетику у млекопитающих, мух и муравьев, раскрытие молекулярных механизмов, лежащих в основе этих странных явлений, может в конечном итоге пролить больше света на старение в целом, в том числе и у людей.
Старение — это прогрессирующая со временем потеря функций и работоспособности. Это лишает человека способности противостоять стрессу, бороться с болезнями, лечить раны или изучать новые навыки. Но должны ли мы стареть? Почему организмы не эволюционировали, чтобы поддерживать свою юную жизненную силу, пока они не собираются умирать?
Ученые утверждали, что старение является результатом естественного отбора, который поддерживает гены, помогающие организму дожить до репродуктивного возраста. Как только особь производит потомство, отбор на выживание ослабевает, что открывает дверь для накопления вредных генетических эффектов. Наступает старение. Однако среди социальных видов насекомых продолжительность жизни репродуктивных особей намного превышает продолжительность жизни тех, которые не производят потомства.
Предполагается, что организмы, живущие в более опасной среде — например, те, где полно хищников или конкурентов, — испытывают более высокий отбор для выживания и воспроизводства в раннем возрасте за счет более быстрого старения в дальнейшем. Эта так называемая «гипотеза внешней смертности» часто используется для объяснения того, почему животные, которые летают, живут под землей или являются ядовитыми — и в результате сталкиваются с меньшим количеством угроз – живут дольше и, предположительно, стареют медленнее. Подумайте о летучих мышах, которые живут намного дольше, чем другие млекопитающие того же размера.
Еще в 1990-х годах Л. Келлер понял, что социальные насекомые предлагают «интересный способ» проверить гипотезу внешней смертности. Предполагается, что муравьиные королевы, надежно устроившиеся в своих гнездах и охраняемые легионом рабочих, подвергаются гораздо меньшему риску нападения хищников и болезней и, следовательно, смерти, чем насекомые, ведущие уединенный образ жизни. Келлер и его коллега из Лозанны Мишель Гену собрали записи о продолжительности жизни королев 61 вида муравьев, термитов и медоносных пчел и сравнили их со взрослыми особями 81 вида одиночных насекомых. В статье 1997 года они сообщили, что в среднем королевы живут от 5 до 11 лет, в то время как одиночные насекомые живут всего несколько месяцев. Все было так, как предсказывала гипотеза, и статья положила начало исследованиям старения социальных насекомых.
Выяснилось, что когда их представители откладывают яйца, их мозг вырабатывает на 40% больше защитных клеток, называемых обволакивающими глиями. Об этом сообщил в августе 2020 года постдок из лаборатории Бонасио Лихонг Шэн. По словам биолога-эволюциониста из Регенсбурга Ян Эттлера, редактирование генов изменит правила игры в этих исследованиях, позволив ученым отключать определенные гены и следить за их влиянием на старение. Ученые создали только первых генетически модифицированных медоносных пчел в 2014 году и два вида трансгенных муравьев в 2017 году. Амдам хотел бы, чтобы для свободно летающих медоносных пчел была разработана трансгенная технология, позволяющая проводить реальные эксперименты по старению. Но пчеловоды категорически против генетической модификации, которая, как они опасаются, может повлиять на их семьи, а регуляторы настороженно относятся к этому. «В тот момент, когда вы говорите “свободно летающая трансгенная пчела”, вы сразу получаете нет», — жалуется Амдам.
Исследователи должны принять ошеломляющее разнообразие историй жизни и моделей старения, наблюдаемых у социальных насекомых. «Не существует стандартного муравья, — говорит мирмеколог Юрген Хайнце, который 30 лет изучает муравьев в Регенсбурге. — Для понимания разнообразных причин и следствий старения «лучше всего множественность».
Работа рабочего также может замедлить или ускорить его старение. Например, работники медоносных пчел начинают свой путь с пчел-кормилиц, которые остаются в улье и ухаживают за выводком и маткой. Примерно через 3 недели они становятся фуражирами, которые вылетают за едой. Различные исследования показывают, что пчелы-кормилицы не стареют, но собиратели стареют быстро, теряя летные качества, иммунитет и обучаемость.
Удивительно, но этот процесс можно обратить вспять. Когда улью требуется больше пчел-кормилиц, сборщики могут вернуться к своим прежним ролям. Когда Амдам удалил пчел-«нянь» из ульев, собиратели были вынуждены вернуться к своим прежним ролям — и они также вернули свои юношеские черты. Такие обращенные пчелы-кормилицы производят больше клеток, которые «уничтожают болезнетворные микроорганизмы». Они также восстанавливают высокий уровень вителлогенина, «многоцелевого белка, подобного швейцарскому ножу», который регулирует смену ролей пчелы на протяжении всей ее жизни и снижается с возрастом насекомых. Вернувшиеся в кормилицы пчёлы учатся быстрее, чем собиратели того же возраста, и в их мозге больше белков, связанных с сопротивлением старению клеток и их восстановлением.
Несколько статей в тематическом выпуске журнала Philosophical Transactions за март 2021 г. более глубоко исследуют молекулярный контроль старения у социальных насекомых. В одной из них сравниваются паттерны экспрессии генов между молодыми и старыми особями шести видов муравьев, пчел и термитов, например. В ходе исследования была измерена активность двух биохимических путей, распространенных у животных, которые обнаруживают питательные вещества и регулируют развитие клеток. Ученые ранее обнаружили тесную связь между этими путями и продолжительностью жизни у мух и других одиночных насекомых, но не у социальных насекомых. Однако в новом исследовании они тщательно изучили части и продукты тех же путей, которые в значительной степени игнорировались в исследованиях старения, и обнаружили гены и белки, в том числе вителлогенин, которые тесно связаны со старением у социальных насекомых. «Эти результаты подтверждают необходимость широкого охвата и изучения старения многих видов», — говорит Корб, ведущий автор новой статьи.
Томас Флатт, изучающий генетику старения дрозофилы в Университете Фрибурга, является одним из исследователей, которых покорили перспективы появления социальных насекомых. Флатт работал с Корбом, Хайнце и другими исследователями в рамках проекта стоимостью 6,2 миллиона евро, финансируемого Немецким исследовательским фондом, по изучению необычной взаимосвязи между плодовитостью и старением социальных насекомых. Геномная революция в конечном итоге поможет этой области взлететь, предсказывает Флетт, и даст ученым гораздо лучшее понимание того, как старение работает в животном мире. «Я мечтаю, чтобы мы обнаружили у муравьев то, что важно для людей, — сказал он, — то, о чем мы даже не подозревали, исследуя дрозофилу».