Куколки, зараженные опасным паразитом, посылают рабочим муравьям сигнал «убей меня»

Рис. 1. Рабочие муравьи Lasius neglectus проводят «разрушающую дезинфекцию», то есть убивают и обеззараживают куколку, зараженную смертельно опасным паразитическим грибом Metarhizium brunneum. Процедура состоит из трех этапов: распаковка (unpacking, сдирание оболочки), ощупывание и прокусывание покровов (Grooming & biting), распыление и впрыскивание яда, действующим веществом которого является муравьиная кислота (Poison spraying). Действие происходит на лакмусовой бумажке, которая краснеет от кислоты. Справа вверху — живая куколка, извлеченная из кокона. Справа внизу — куколка через сутки после «дезинфекции». Изображение из статьи C. D. Pull et al., 2018. Destructive disinfection of infected brood prevents systemic disease spread in ant colonies

В колониях общественных насекомых рабочие особи нередко уничтожают инфицированный расплод, предотвращая распространение инфекции. Зараженных личинок и куколок они идентифицируют по специальным сигнальным веществам — кутикулярным углеводородам. До сих пор оставалось неясным, производит ли зараженный расплод эти вещества «случайно», как побочный результат инфекции, или же это целенаправленный сигнал, поддержанный отбором, то есть, по сути, «альтруистическое самоубийство». Эксперименты на муравьях Lasius neglectus, проведенные европейскими биологами, подтвердили вторую версию. Оказалось, что куколки рабочих муравьев, зараженные смертоносным грибом Metarhizium, производят химический сигнал «убей меня», адресованный взрослым рабочим муравьям, только в присутствии потенциальных исполнителей команды. Зараженные куколки цариц, более крупные и намного более «ценные» с точки зрения интересов генов колонии, не производят подобных сигналов. Вместо этого они вкладывают больше ресурсов в превентивную иммунную защиту, что позволяет им справиться с инфекцией. Результаты хорошо согласуются с предсказаниями теории родственного отбора.

Заразные болезни порождают конфликт эволюционных интересов между инфицированным индивидом и другими членами группы. Зараженной особи часто бывает выгодно скрывать от других свою болезнь, чтобы не стать изгоем, невзирая на риск заразить сородичей (см., например: B. M. G. Gormally et al., 2022. Female presence does not increase testosterone but still ameliorates sickness behaviours in male Japanese quail). Группа, напротив, заинтересована в своевременном выявлении, избегании и обезвреживании источников заразы.

Родственный отбор может сгладить этот конфликт (как и другие типы конфликтов, см.: Родственный отбор способствует кооперации между полами, «Элементы», 20.03.2017), если родство между членами группы достаточно высоко. Это может способствовать эволюции взаимопомощи. Например, термиты, на кутикулу которых попали споры паразитического гриба, посылают особые вибрационные сигналы своим сородичам. Те реагируют усиленным грумингом, то есть облизывают зараженного товарища, удаляют вредоносные споры и предотвращают эпидемию (M. S. Bulmer et al., 2019. Subterranean Termite Social Alarm and Hygienic Responses to Fungal Pathogens). В данном случае честное информирование родственников о своем инфекционном статусе идет на пользу и особи, и группе. Нечто похожее происходит и у муравьев в случае ранений: пострадавшая особь зовет на помощь товарищей поведенческими и химическими сигналами, и те помогают ей продезинфицировать раны (E. T. Frank et al., 2023. Targeted treatment of injured nestmates with antimicrobial compounds in an ant society).

Но что если типичная реакция коллектива на заразную болезнь индивида — не помощь, а изгнание или даже убийство? Могут ли и в этом случае честные сигналы о своем инфекционном статусе развиться под действием родственного отбора? Теоретически, такое возможно у социальных насекомых, особенно у рабочих особей, которым с эволюционной точки зрения «нечего терять»: они всё равно не оставляют потомства. Однако до сих пор не было доказанных примеров такой самоубийственной честности.

Этот пробел восполнила группа биологов под руководством Сильвии Кремер (Sylvia Cremer) из австрийского Института науки и технологий, работающая с инвазивными садовыми муравьями Lasius neglectus. Недавно группа Кремер показала, что эти муравьи предотвращают распространение смертельно опасного гриба Metarhizium brunneum при помощи поведения, получившего название «деструктивная дезинфекция» (destructive disinfection, см. рис. 1). Муравьи выявляют зараженных куколок на стадии, когда они еще не заразны (во время инкубационного периода), используя химические сигналы, испускаемые куколками. Затем они удаляют оболочку куколки, прокусывают ее покровы и вводят яд (раствор муравьиной кислоты), который подавляет размножение патогена. Куколка, конечно, погибает, зато остальные члены колонии остаются здоровыми. Муравьи действуют подобно иммунной системе многоклеточного организма, которая распознаёт и уничтожает инфицированные клетки (C. D. Pull et al., 2018. Destructive disinfection of infected brood prevents systemic disease spread in ant colonies).

В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications, ученые попытались выяснить, можно ли в данном случае говорить о настоящих «самоубийственных сигналах», которые куколки производят специально для того, чтобы рабочие муравьи уничтожили их. Альтернативная версия состоит в том, что выделение этих веществ — не специальная адаптация куколок, а лишь неизбежное побочное следствие инфекции. Если в первом случае можно было бы говорить об альтруистическом самопожертвовании куколок, то во втором — только об обычной адаптации рабочих, которые в ходе эволюции приобрели способность находить и обезвреживать инфицированных куколок, не предпринимающих для этого никаких специальных действий.

Ранее было показано, что на инфицированных куколках возрастает количество некоторых кутикулярных углеводородов — важнейших сигнальных веществ, которые используются муравьями и другими насекомыми для химической коммуникации. Если смыть с зараженной куколки кутикулярные углеводороды, рабочие муравьи не будут проводить «деструктивную дезинфекцию».

Планируя эксперимент, ученые исходили из того, что производство кутикулярных углеводородов — затратный процесс. Поэтому зараженной куколке, по идее, не стоило бы тратить последние силы на производство дорогостоящего сигнала, если поблизости нет рабочих муравьев, способных этот сигнал принять и отреагировать соответственно. С другой стороны, если синтез углеводородов — не специальный самоубийственный сигнал, а всего лишь побочное следствие инфекции (или иммунной реакции на нее), то зараженная куколка будет производить углеводороды вне зависимости от того, есть ли поблизости рабочие муравьи.

Кроме того, из теории родственного отбора следует, что зараженные куколки цариц должны быть менее склонны к альтруистическому самоубийству, чем зараженные куколки рабочих. На то есть две причины. Во-первых, рабочие не размножаются. Поэтому, с точки зрения генов куколки (а также их копий, находящихся в телах других членов колонии), ущерб от самоубийства невелик: он сводится к тому, что у семьи будет на одного рабочего меньше. Царица, напротив, может произвести многочисленное потомство и передать свои гены в следующие поколения. Во-вторых, куколка царицы крупная (примерно в 9 раз тяжелее куколки рабочего) и «дорогая» в том смысле, что семья потратила больше ресурсов, чтобы ее выкормить. Поэтому можно ожидать, что эволюция найдет какие-то другие способы борьбы с инфекцией в случае заражения куколки царицы, нежели альтруистическое самоубийство.

Исходя из этого был поставлен следующий эксперимент. Куколки рабочих искусственно заражали спорами патогенного гриба: наносили на стекло капельку (1 микролитр) суспензии, содержавшей примерно 1000 спор, и аккуратно катали куколку по этой капле. Потом зараженную куколку держали трое суток в изоляции, чтобы споры успели прорасти (спустя двое суток доля непроросших спор на поверхности куколки не превышала 2%). С контрольными куколками проделывали те же операции, только без грибных спор. Изоляция была нужна, чтобы рабочие муравьи не вмешивались в инфекционный процесс на этой стадии — в противном случае они бы удалили часть спор с кутикулы куколок.

Затем половину куколок (как зараженных, так и здоровых) на двое суток помещали в камеры (закрытые чашки Петри диаметром 3,5 см и высотой 1,0 см) с двумя рабочими из той же колонии, что и куколка. Вторую половину куколок помещали в такие же камеры, но без рабочих. В течение трех недель перед экспериментом рабочих кормили глюкозой, в которой почти весь углерод был представлен тяжелым изотопом ¹³C. Это делалось для того, чтобы различать кутикулярные углеводороды куколки и взрослого муравья (дело в том, что при общении муравья с куколкой часть углеводородов муравья переходит на куколку).

Таким образом, эксперимент продолжался пять суток и проводился в четырех вариантах: зараженные куколки в присутствии рабочих (I+W+), зараженные куколки без рабочих (I+W-), незараженные куколки с рабочими (I-W+) и незараженные куколки без рабочих (I-W-). Всё то же самое было затем проделано и с куколками цариц, так что на самом деле вариантов было восемь. Поскольку куколки цариц крупнее, для их заражения использовали пропорционально большее количество грибных спор.

Состав кутикулярных углеводородов тестировался у куколок в течение последних двух дней эксперимента регулярно, с интервалами в 6 часов. Результаты потом усреднялись. Естественно, тестировали только живых куколок, еще не подвергшихся смертельной «дезинфекции» и потому способных контролировать состав своих кутикулярных углеводородов.

У куколок также измеряли «инфекционный груз» (его оценивали по количеству грибной ДНК в куколке) и уровень активности (экспрессии) нескольких ключевых генов, связанных с иммунной защитой.

Оказалось, что инфекция ведет к резкому повышению относительного обилия двух типов кутикулярных углеводородов: С33:1 (неразветвленная цепочка из 33 атомов углерода с одной двойной связью; у изучаемых муравьев обнаружено несколько изомеров C33:1, различающихся положением двойной связи) и C33:2 (такая же цепочка с двумя двойными связями; тоже есть несколько изомеров). Важно, что повышенное производство C33:1 и С33:2 наблюдалось только у куколок рабочих в присутствии взрослых рабочих муравьев (вариант I+W+). Ни у куколок цариц, ни у куколок рабочих, рядом с которыми нет взрослых муравьев, инфекция не приводила к росту доли этих углеводородов (рис. 2).

Рис. 2. Относительное количество кутикулярных углеводородов C33:1 и C33:2 у куколок рабочих (слева, Worker pupae) и цариц (справа, Queen pupae) в восьми вариантах опыта. Рисунок показывает, что инфекция (I+) ведет к повышению доли этих углеводородов только у куколок рабочих, содержащихся вместе со взрослыми рабочими муравьями (I+W+). Рисунок из обсуждаемой статьи

Как и следовало ожидать, в варианте I+W+ рабочие энергично проводили «деструктивную дезинфекцию», убивая и обеззараживая куколок. Во всех остальных вариантах этого не наблюдалось.

Таким образом, патогенный гриб, попав в куколку, сам по себе не приводит к росту производства куколкой C33:1 и C33:2. Зараженные куколки рабочих начинают усиленно производить эти вещества только в присутствии потенциальных реципиентов сигнала, а куколки цариц не делают этого вообще.

Ученые не обнаружили корреляции между тяжестью протекания инфекции у конкретной куколки («инфекционным грузом») и производством C33:1 и С33:2. То есть, по-видимому, это реакция по принципу «всё или ничего»: если куколка заражена, если это куколка рабочего муравья, а не царицы, и если рядом есть взрослые рабочие муравьи, то куколка начинает усиленно производить C33:1 и С33:2. А если нет, то нет.

Дополнительные эксперименты подтвердили, что именно кутикулярные углеводороды дают рабочим муравьям приказ провести «деструктивную дезинфекцию». Чтобы это выяснить, с куколок смывали углеводороды специальными растворителями, а потом наносили полученный экстракт на других куколок. Оказалось, что углеводороды, смытые с зараженных куколок рабочих из варианта I+W+ (и только с них), а потом нанесенные на здоровую куколку (неважно, рабочего или царицы), побуждают муравьев распаковать эту куколку, убить и обеззаразить муравьиной кислотой. Так что царский статус, как видим, сам по себе не защищает куколку от «деструктивной дезинфекции». Если бы зараженные куколки цариц производили соответствующий сигнал, они бы тоже уничожались.

Выяснилось также, что активация генов имунной защиты в ответ на инфекцию происходит независимо от того, есть ли рядом с куколкой рабочие муравьи. Это справедливо и для куколок рабочих, и для куколок цариц. Из этого следует, что усиленное производство C33:1 и С33:2 не является автоматическим следствием включения иммунного ответа.

Кроме того, ученые обнаружили, что базовый (до заражения) уровень активности генов иммунной защиты у куколок цариц на 35% выше, чем у куколок рабочих, хотя после заражения экспрессия этих генов повышается у обоих типов куколок примерно до одинакового уровня.

Позволяет ли повышенный базовый уровень экспрессии генов иммунной защиты, характерный для куколок цариц, лучше справляться с инфекцией? Чтобы это выяснить, ученые сравнили «инфекционный груз» на разных стадиях протекания инфекции у двух типов куколок. Оказалось, что у зараженных куколок рабочих количество грибной ДНК после заражения неуклонно растет. То есть клетки гриба активно размножаются и растут в теле куколки рабочего муравья, а иммунная система куколки не в состоянии остановить этот рост. В естественных условиях это, скорее всего, приведет к гибели куколки, а гриб прорастет из нее наружу и будет рассеивать миллионы губительных спор — если только рабочие заблаговременно не проведут «деструктивную дезинфекцию».

Напротив, у куколок цариц количество грибной ДНК после заражения сначала немного растет, но затем начинает быстро снижаться. Это значит, что иммунная система куколки царицы успешно справляется с инфекцией. Вероятно, в естественных условиях такие куколки обычно выздоравливают, могут продолжить род и, главное, не становятся источником заразы для всей колонии.

Получается, что отказ зараженных куколок цариц от производства «самоубийственного сигнала» — это не эгоистическое утаивание от сородичей своего инфекционного статуса, угрожающее здоровью коллектива, а оптимальное поведение, отражающее высокую иммунокомпетентность.

Возникает естественный вопрос: если от смертоносного гриба можно защититься, всего лишь повысив базовый уровень экспрессии защитных генов на 35%, то почему куколки рабочих этого не делают? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет, но с эволюционной точки зрения ситуация не выглядит парадоксальной. Куколки цариц, как уже говорилось, крупнее и «ценнее» куколок рабочих. Поэтому у них, с одной стороны, больше ресурсов, которые они могут вложить в фоновую иммунную защиту. С другой стороны, поскольку царицы ценнее для генов семьи, то больше шансов, что отбор предпочтет «альтруистическому самоубийству» «повышение оборонных расходов».

Что же касается рабочих особей, то с точки зрения генов колонии они — дешевый расходный материал. Гибель куколки рабочего — не слишком большая потеря. К тому же не исключено, что у маленькой куколки рабочего просто не хватило бы сил (ресурсов) на то, чтобы постоянно поддерживать высокий уровень экспрессии защитных генов, как это делают куколки цариц. Или, может быть, такие высокие инвестиции в иммунную защиту нарушили бы нормальное развитие куколок, и на свет появлялись бы слишком слабые или дефектные рабочие муравьи. Проще в случае заражения отправлять их в утиль, то есть на «деструктивную дезинфекцию».

Является ли система оповещения сородичей о болезнях при помощи кутикулярных углеводородов универсальной для всех общественных насекомых? Этого мы пока не знаем. Однако известно, что у пчел один из изомеров С33:1, а именно 10-С33 (с двойной связью в 10-й позиции), сигнализирует о вирусной инфекции расплода и стимулирует уничтожение рабочими пчелами зараженных личинок и куколок. Правда, для пчел пока не доказано, что это именно «самоубийственный сигнал» и «альтруистическое самоубийство». Так или иначе, именно этот изомер С33:1 у муравьев Lasius neglectus хотя и присутствует, но как сигнал для «деструктивной дезинфекции» не работает. Это проверили, нанося его в чистом виде на куколок. По-видимому, для муравьев важны другие изомеры (на муравьиных куколках найдено семь изомеров С33:1).

Кроме того, известно, что у термитов в ответ на инфекцию усиливается производство совсем других кутикулярных углеводородов — с разветвленными цепочками и без двойных связей. Это позволяет предположить, что система оповещения сородичей о своем инфекционном статусе при помощи кутикулярных углеводородов возникала у общественных насекомых несколько раз независимо.

Самым ярким результатом обсуждаемой работы является демонстрация того, что производство «самоубийственного сигнала» зараженными куколками — это не случайный побочный эффект проникновения патогенов в организм или активации иммунного ответа, а настоящее «альтруистическое самоубийство». Похожим образом в многоклеточном организме инфицированные клетки подают иммунной системе сигнал «убей меня». Интересно, что принципы эволюции иммунной защиты оказываются сходными на уровне многоклеточного орагнизма и на уровне «сверхорганизма», как некоторые специалисты называют колонии эусоциальных насекомых.

Источник: Erika H. Dawson, Anna V. Grasse, Michaela Hoenigsberger, Niklas Kampleitner, Lukas Lindorfer, Jennifer Robb, Farnaz Beikzadeh, Florian Strahodinsky, Hanna Leitner, Harikrishnan Rajendran, Thomas Schmitt & Sylvia Cremer. Altruistic disease signalling in ant colonies // Nature Communications. 2025. V. 16. Article number: 10511.

См. также:
1) В. П. Скулачев. 2005. Феноптоз, или Запрограммированная смерть организма.
2) Быстрое старение у нематоды C. elegans поддерживается родственным отбором, «Элементы», 15.01.2019.

Александр Марков