Фото: Барт Зейлстра, UNIL
На протяжении большей части эволюционной истории подавляющее большинство живых существ появлялось на свет и немедленно предоставлялось собственной судьбе: родители не проявляли к потомству ни малейшего интереса. Тем не менее, как свидетельствуют результаты нового исследования, опубликованного в журнале Nature, возникновение родительской опеки могло произойти не за счет создания принципиально новых мозговых структур, а благодаря перепрофилированию древних нервных механизмов, изначально регулировавших чувство голода и процесс питания. Изучая колонии клональных муравьев-налетчиков, группа исследователей обнаружила, что два нейропептида, вырабатываемые в мозге этих насекомых, напрямую модулируют их реакцию на личинок, определяя таким образом социальную роль каждой особи в муравейнике.
Муравьи, как и млекопитающие, эксплуатируют сходные сигнальные системы мозга для контроля за уходом за потомством. Кроме того, у муравьев, в отличие от многих других животных, социальные функции закономерно изменяются по мере взросления: молодые особи преимущественно остаются в гнезде и заботятся о личинках, тогда как более зрелые переключаются на фуражировку. Эта возрастная динамика превращает их в исключительно удобный объект для изучения того, каким образом мозг перестраивает свою работу в ходе индивидуального развития и как вообще формируется поведение, связанное с воспитанием.
Руководитель Лаборатории социальной эволюции и поведения Рокфеллера Дэниел Кронауэр подчеркивает, что эволюция почти никогда не изобретает механизмы с нуля. «Наша работа — незабываемый пример того, как эволюция редко изобретает что-то с нуля, — говорит он. — Эволюция предполагает то, что у нее есть, и работает с этим, иногда весьма неожиданным образом».
Как эволюция могла построить систему воспитания детей
Родительская забота в животном мире принимает самые разнообразные обличья: млекопитающие вскармливают детенышей молоком, птицы самоотверженно охраняют гнезда, а муравьи неустанно ухаживают за личинками. Подобное многообразие форм вызывает закономерный вопрос: каким образом столь сложные стратегии опеки могли выработаться у предков, которые, судя по всему, не уделяли своему потомству ни малейшего внимания?
Одна из доминирующих гипотез гласит, что эволюция неоднократно «перерабатывала» уже имеющиеся биологические системы. Ранее проведенные на млекопитающих исследования показали: некоторые нейропептиды — короткие молекулы, используемые мозгом для передачи сигналов, — могли со временем сменить свою первоначальную функцию, переключившись с контроля аппетита на управление родительским инстинктом.
Однако получить прямые доказательства этой теории было непросто. Плодовые мухи и круглые черви, традиционно служащие модельными организмами в нейробиологии, совершенно не заботятся о своем потомстве. У мышей, напротив, родительское поведение выражено ярко, но их мозг чрезвычайно сложен, что затрудняет анализ нейронных цепей. Команда Кронауэра сумела преодолеть это препятствие, обратившись к муравьям, у которых обнаружились сходные с мышиными нейромодуляторные механизмы, участвующие в уходе за детьми.
Мозг муравья насчитывает всего около 60 000 нервных клеток, тогда как мозг мыши — примерно 100 миллионов. Такое колоссальное различие позволяет ученым реконструировать нейронные схемы муравья гораздо детальнее и в значительно более короткие сроки, что делает этих насекомых идеальной моделью для изучения эволюционных основ социального поведения.
Отслеживание за одним муравьем за раз
Исследователи сконструировали автоматизированную поведенческую установку, в которой отдельный муравей помещался вместе с личинкой. Эта система позволяла в мельчайших деталях регистрировать каждое действие насекомого, связанное с уходом. Затем ученые выделили и синтезировали множество нейропептидов, присутствующих в мозге муравья, и последовательно вводили их, проверяя, какое влияние каждое из соединений оказывает на поведение.
В колониях муравьев существует строгое возрастное разделение труда: молодые особи обычно остаются в гнезде и занимаются личинками, тогда как более взрослые покидают жилище в поисках пищи. Чтобы понять, как изменения в химических процессах мозга управляют этим переходом, исследователи выяснили, где именно вырабатываются наиболее перспективные молекулы, как их концентрация меняется в течение жизни муравья и что происходит при искусственном повышении или подавлении их активности.
Кроме того, команда сравнивала поведение сытых муравьев с насекомыми, испытывавшими голод. Это позволило прояснить, каким образом сигналы, участвующие в родительской опеке, могут быть связаны с древними механизмами питания, — связь, которая, по-видимому, и лежит в основе эволюционного превращения голода в заботу. Авторы исследования полагают, что полученные результаты в конечном итоге могут дать ключ к разгадке процессов, происходящих у млекопитающих и, возможно, у человека.
они, возможно, возникли.
«Мы аннотировали нейропептидом этого муравья, полный набор нейропептидов», — сказал он. — говорит Кей. «Мы смогли определить 70 человек. Это потребовало огромной работы, но теперь у нас есть набор молекул, которые мы можем считать Соединенными Штатами».
Две молекулы мозга мышления муравьева
Результаты явления, что уход за муравьями по-прежнему тесно связан с хронической болезнью сердца, которая регулирует голод. Две сигнальные молекулы, по-видимому, управляли поведением муравья в противоположных направлениях, в зависимости от лестницы и внутреннего состояния муравья.
Нейропептид F (NPF) продолжал Муравьев следить за личинками. Аллатостатин А (АстА), напротив, повышает вероятность того, что муравьи покинут личинки и начнут добывать пищу.
Молодые муравьи, работающие таким образом, имели более высокий уровень NPF и более низкий уровень AstA в важных областях мозга. У более старых муравьев наблюдалась обратная картина. Этот переходный знак нормальному переходу растений от выкармливания личинок внутри гнезда для сбора продуктов питания для его хозяйств.
Когда исследователи изменили активность любых молекул, Муравьи изменили свое поведение. Это показало, что нейропептиды не просто влияют на уход, но могут активно влиять на то, как выкармливают муравей личинок или отправляют в поисках еды.
Голод может подтолкнуть муравьева к заботе
Те же самые молекулы реагировали на голод так же, как и на сигналы у млекопитающих. У голодных муравьев вырабатывается более высокий уровень NPF и более низкий уровень AstA, что заставляет их вести себя больше как воспитатели.
После того, как Муравьев накормили, химический баланс изменился на противоположный. Они стали менее сложными в уходе за лицами и более склонны к добыче еды.
«Мы узнали, что поведение родителей основано на нейронных схемах кормления, и в этом нет никакого смысла», — говорит он. — говорит Кронауэр. «Родительское поведение во многом зависит от питания – не только вас самих, но и вашего потомства».
Полученные данные подтверждают идею о том, что родительская забота развивалась в результате адаптации системы мозга, которая уже проверяет поиск и потребление пищи. Вместо этого, чтобы изобрести уход из ничего, эволюция, возможно, расширила пищевое поведение, так что у животных появилась мотивация обеспечения питания своего потомства, а также самого себя.
Общий план воспитания детей
Теперь исследователи планируют определить конкретные нейронные цепи, которые определяют NPF и AstA. Картирование этими способами может показать, как химические сигналы преобразуются в действие при уходе.
Похоже, что млекопитающие используют одни и те же нейропептиды при уходе за потомством. Таким образом, сравнение соответствующих цепей у муравьев и млекопитающих может помочь в изучении последствий биологической динамики воспитания детей, которая распространяется на широко разделенные ветви млекопитающих царства.
«Меня удивляет, что такое родительское поведение так сильно развилось в столь разных странах животных», — сказал он. — говорит Кей. «Наша статья предполагает, что эволюционные пути к такого рода поведению более ограничены, чем мы могли себе представить. Это очень интересно, потому что в конечном итоге может привести к пониманию того, что такое сложное социальное поведение».
Муравьи также может рассказать, как стареет мозг
Клональные муравьи-рейдеры могут быть полезны не только для изучения воспитания детей. Их выгодный переход от воспитателей к коллекционерам также может помочь исследователям изучать, как здоровое старение меняет мозг и поведение.
Большая часть исследований старения связана с расстройствами, которые проводятся в позднем возрасте. Ученые знают гораздо меньше о постепенных изменениях, которые постоянно остаются здоровыми в мозге на протяжении всей нормальной жизни человека.
Поскольку возрастные изменения в поведении муравьев важны для организации колонии, муравьи представляют собой естественную систему для изучения того, как химия мозга меняет социальное положение с течением времени. Исследователи полагают, что аналогичные химические механизмы могут влиять на возрастные изменения в поведении других животных.
«В изучении последних стадий нейродегенеративных заболеваний предусмотрено множество исследований и средств, но на самом деле мы очень мало знаем о том, как меняется мозг на протяжении нормального периода здоровья человека», — говорит он. — говорит Кронауэр. «В муравьиных колониях этот динамик играет центральную роль в организации общества. Наше открытие представляет собой яркую демонстрацию того, что нейромодуляторы могут происходить возрастные изменения в поведенческом склоне жизни муравьев, и я подозреваю, что то же самое происходит и с другими животными, в том числе и с людьми».