Эволюция не изобретает с нуля — она перекраивает то, что уже есть. Иногда результат выглядит почти чудом: древний сигнал голода превращается в нежность к потомству. Новая работа, опубликованная в Nature, показывает, как это могло произойти.

Исследователи из Рокфеллеровского университета изучали муравьёв вида Ooceraea biroi — клональных бродячих муравьёв. Эти насекомые интересны тем, что их поведение меняется с возрастом: молодые особи остаются в гнезде и ухаживают за личинками, а старые отправляются фуражировать. Такая возрастная смена ролей делает их удобной моделью для изучения того, как мозг управляет социальным поведением.

От голода к заботе

Долгое время считалось, что родительская забота — сложное поведение, которое должно было потребовать создания принципиально новых мозговых структур. Но данные, полученные на муравьях, говорят об обратном. Эволюция, похоже, не стала строить новые системы, а перепрофилировала древние нейронные пути, которые когда-то регулировали голод и питание.

«Наша работа — яркий пример того, как эволюция редко изобретает что-то с нуля, — говорит Дэниел Кронауэр, руководитель лаборатории социальной эволюции и поведения в Рокфеллеровском университете. — Эволюция берёт то, что есть, и работает с этим, иногда удивительными способами».

Идея о том, что забота о потомстве могла вырасти из пищевых сигналов, витала в воздухе давно. У млекопитающих уже находили нейропептиды, которые, судя по всему, переключились с регуляции голода на родительское поведение. Но доказать эту связь было трудно. Дрозофилы и круглые черви — излюбленные объекты нейробиологов — потомством не занимаются. Мыши заботятся о детёнышах, но их мозг слишком сложен, чтобы разобраться в деталях.

Муравьи оказались золотой серединой. В их мозге всего около 60 тысяч клеток — против примерно 100 миллионов у мыши. Это позволяет изучать нейронные цепи с гораздо большей точностью и скоростью.

Два сигнала — два поведения

Команда Кронауэра создала автоматизированную систему, которая помещала каждого муравья вместе с отдельной личинкой. Так они могли отслеживать сотни взаимодействий. Затем учёные выделили и синтезировали множество химических messengers, найденных в мозге муравьёв, и проверили, как каждый из них влияет на поведение.

Результат оказался удивительно чётким. Два нейропептида действовали как противоположные силы. Нейропептид F (NPF) подталкивал муравьёв заботиться о личинках. Аллостатин A (AstA), наоборот, заставлял их бросать личинок и отправляться на поиски еды.

У молодых муравьёв уровень NPF был высоким, а AstA — низким. У старых — наоборот. Это точно соответствовало их естественному переходу от ухода за потомством к фуражировке.

Но главное — когда исследователи искусственно меняли активность этих молекул, поведение муравьёв менялось. Нейропептиды не просто сопровождали заботу о потомстве — они активно управляли выбором между «нянчить» и «добывать еду».

Связь с голодом

Чтобы проверить, действительно ли эти сигналы произошли от древних пищевых цепей, учёные сравнили муравьёв, которые были сыты, с теми, кого лишили еды. Если связь с голодом сохранилась, голодные особи должны были вести себя иначе.

«Мы аннотировали нейропептидом этого муравья — полный набор нейропептидов, — говорит Кей, один из авторов работы. — Мы смогли идентифицировать 70 молекул. Это потребовало огромной работы, но теперь у нас есть набор молекул, которые можно исследовать множеством способов».

Сходство между муравьями и млекопитающими в этих сигнальных системах — не случайность. Похожие нейропептиды участвуют в заботе о потомстве и у тех, и у других. Это указывает на то, что эволюция, возможно, использовала один и тот же базовый план у совершенно разных животных.

Почему это важно

Муравьи и люди разделены сотнями миллионов лет эволюции. Но если родительское поведение у них строится на схожих древних механизмах, это значит, что понимание муравьиного мозга может пролить свет на то, как работает наш собственный.

Исследование показывает: забота о потомстве не была «изобретена» эволюцией как нечто принципиально новое. Она выросла из более древних систем, связанных с выживанием и питанием. Голод — одна из самых фундаментальных потребностей — со временем превратился в способность чувствовать потребности другого.

Пока рано говорить, насколько далеко простирается эта аналогия. Но тот факт, что у муравьёв и млекопитающих работают родственные сигнальные молекулы, заставляет задуматься: возможно, мы носим в себе куда более древние механизмы, чем привыкли думать.

Те же молекулы реагировали и на голод — совсем как родственные сигналы у млекопитающих. У голодных муравьёв уровень NPF поднимался, а AstA падал, и они начинали вести себя как няньки.

Стоило муравьям поесть — химический баланс менялся на противоположный. Они теряли интерес к личинкам и отправлялись фуражировать.

«Мы выяснили, что родительское поведение строится на нейронных цепях, отвечающих за питание, и в этом есть смысл, — говорит Кронауэр. — Родительское поведение во многом связано с кормлением — не только себя, но и своего потомства».

Эти данные подтверждают идею, что родительская забота развилась путём адаптации мозговых систем, которые изначально отвечали за поиск и потребление пищи. Вместо того чтобы изобретать заботу о потомстве с нуля, эволюция, возможно, расширила пищевое поведение, и животные стали мотивированы обеспечивать питанием не только себя, но и своё потомство.

Общий план родительства

Исследователи теперь планируют выявить конкретные нейронные цепи, на которые влияют NPF и AstA. Картирование этих путей может показать, как химические сигналы превращаются в заботливое поведение.

У млекопитающих при уходе за детёнышами, судя по всему, задействованы некоторые из тех же нейропептидов. Сравнение соответствующих цепей у муравьёв и млекопитающих может помочь учёным обнаружить общую биологическую стратегию родительства, которая распространяется на далеко разошедшиеся ветви животного царства.

«Меня поражает, что сходное родительское поведение столько раз эволюционировало в столь многих различных линиях животных, — говорит Кей. — Наша работа показывает, что эволюционные пути к такого рода поведению гораздо более ограничены, чем мы могли наивно представить. Это очень захватывающе, потому что в конечном счёте может привести к созданию плана того, как эволюционируют эти сложные социальные поведения».

Муравьи могут рассказать и о старении мозга

Клональные муравьи-кочевники могут пригодиться не только для изучения родительства. Их предсказуемый переход от нянек к фуражирам может помочь исследователям понять, как здоровое старение меняет мозг и поведение.

Бо́льшая часть исследований старения сосредоточена на тяжёлых расстройствах, появляющихся в конце жизни. Учёным известно гораздо меньше о постепенных изменениях, которые происходят в здоровом мозге на протяжении нормальной продолжительности жизни особи.

Поскольку возрастные изменения в поведении муравьёв необходимы для организации колонии, муравьи дают естественную систему для изучения того, как химия мозга перестраивает социальные роли со временем. Исследователи полагают, что сходные химические механизмы могут влиять на возрастные изменения поведения и у других животных.

«В исследования и финансирование поздних стадий нейродегенеративных заболеваний вкладывается много сил, но мы на самом деле очень мало знаем о том, как мозг меняется на протяжении нормального здорового периода жизни индивида, — говорит Кронауэр. — В муравьиных колониях эта динамика является центральной для организации общества. Наше открытие даёт поразительную демонстрацию того, что нейромодуляторы могут производить возрастные изменения поведенческих склонностей у муравьёв, и я подозреваю, что это справедливо и для других животных, включая человека».