Робочі особи індійських стрибаючих мурашок здатні перетворюватися на розмножуваних самок - так званих гамергат. Вони живуть довше простих робітників, однак мозок у них при цьому зменшується. Американські ентомологи встановили, що при зворотному переході мурахи відновлюють втрачений обсяг мозку. Це дозволяє колишній гамергаті успішно видобувати їжу як робітник-фуражир. Крім того, вони повертають і ряд інших характеристик робочих особин. Результати дослідження опубліковані в статті для журналу.
Мурахова колонія - складно влаштоване співтовариство, у кожного члена якого є певні обов'язки. У більшості випадків матка відповідає за виробництво яєць, а безплідні робочі самки забезпечують її їжею і захищають. Однак у деяких видів мурашок, насамперед примітивних, дорослі робітники можуть перетворюватися на самок, що розмножуються, і виробляти потомство. Таких особин називають гамергатами.
Ентомологи давно зацікавилися гамергатами як рідкісним і найбільш яскравим прикладом міжкастового переходу у еусоціальних комах. За роки досліджень їм вдалося з'ясувати, наприклад, що, перетворення безплідної самки на розмножувану пов'язано з епігенетичними змінами і починається з активації яєчників. Крім того, виявилося, що гамергати живуть довше звичайних робітників, зате їх мозок після початку розмноження зменшується.
Команда фахівців на чолі з Клінтом Пеніком (Clint A. Penick) зі Школи медицини Нью-Йоркського університету вирішила з'ясувати, чи може гамергата повернути колишній обсяг мозку, якщо знову стане звичайною робочою особиною. У інших еусоціальних комах такі зміни, що супроводжують перехід з однієї касти в іншу, зазвичай незворотні. Наприклад, у медоносних бджіл (), які змінює професію з няньки на фуражира, мозок стає більшим - але при зворотному переході не зменшується.
Дослідники зосередили увагу на індійських стрибаючих мурахах, у яких гамергати вивчені найкраще. Невеликі колонії даного виду засновує звичайна матка, а після її смерті вакантне місце в результаті напруженої боротьби з сородичами займають кілька колишніх робочих особин. Коли структура спільноти стабілізується, в ньому залишаються представники трьох основних жіночих чотирьох: гамергати (кількість яких контролюють робочі); молоді робітники, які виконують обов'язки всередині гнізда; а також більш старші робітники-фуражири. Крім того, тут є самці, з якими спарюються гамергати. Щорічно в колонії з'являються на світ нові матки: досягнувши зрілості, вони розлітаються і дають початок новим спільнотам.
У розпорядженні Пеніка і його колег було тридцять колоній, що містяться в лабораторних умовах. З кожної вони взяли по дві гамергати. Одну особину з пари позначали і відразу повертали на місце (вона служила як контроль), а другу поміщали в окремий контейнер на три-чотири тижні і лише після цього возз'єднували з колонією. Дослідники очікували, що сородичі почнуть атакувати тих, хто побував в ізоляції і встиг випасти з ієрархії мурахів (це типова реакція на особин, які демонструють проміжні ознаки між звичайним робітником і гамергатою - і механізм обмеження чисельності останніх), чим викличуть у них сильний стрес і змусять знову стати безплідними.
Спостереження, що проводилися протягом восьми тижнів після повернення мурахів, показали, що особини з контрольної групи проводили весь час всередині гнізда, як і належить гамергатам. Водночас їхні сородичі, які побували в ізоляції, активно брали участь у зборі їжі і нападали на цвіркунів, яких їм пропонували дослідники. Крім того, вони активно захищалися, коли експериментатори намагалися налякати їх щипцями. Іншими словами, після повернення з ізоляції гамергати стали поводитися як робочі особини. Водночас представники контрольної групи не виявляли ні мисливської, ні захисної поведінки - вони залишилися гамергатами.
Розмножуються і нерозмножені робочі особи відрізняються один від одного не тільки поведінкою, але і за хімічним складом кутикули. Коли дослідники проаналізували концентрацію вуглеводню 13,23-диметилгептатриаконтана (13,23-dimethylheptatriacontane) у гамергат з контрольної та експериментальної груп, з'ясувалося, що хімічний підпис у перших залишився колишнім. А ось гамергати, які побували в ізоляції, змінили склад кутикули на той, що характерний для робітників. Площа хроматографічного піку 13,23-диметилгептатриаконтана у них скоротилася у вісім разів порівняно з контрольною групою.
Пенік і його колеги також виявили фізіологічні відмінності між двома групами гамергат. Мурахи, яких повернули в колонію незабаром після упіймання, справно виробляли яйцеклітини (медіанне значення - 6,8 ооциту на особину). Однак гамергати з експериментальної групи, як і звичайні робочі, яйцеклітин майже не виробляли. Обсяг резервуара отруйної залози у особин, які пережили ізоляцію, збільшився в два-три рази порівняно з представниками контрольної групи і став приблизно таким же, як у муравців-фуражирів.
Згідно з попередніми дослідженнями, обсяг мозку гамергат на 26 відсотків нижчий, ніж у звичайних робочих особин. В експерименті Пенік цифри виявилися схожими: в особин з контрольної групи загальний обсяг мозку був на 19 відсотків меншим, ніж у робітників-фуражирів. Водночас гамергати, які знову стали робочими, майже не відрізнялися за цим параметром від фуражирів. Обсяг центральної частини мозку (з урахуванням грибовидних тіл) у контрольній групі також виявився на 15 відсотків нижче, ніж у фуражирів, і на 20 відсотків менше, ніж у гамергат, які знову стали безплідними. Іншими словами, відмовившись від здатності розмножуватися, колишні гамергати змогли повернути собі колишній обсяг мозку (втім, не повністю: обсяг зорових часток у них залишився проміжним між гамергатами і фуражирами).
Додатковий генетичний аналіз дозволив пов'язати фенотипічні зміни гамергат з роботою двох конкретних генів: і. У особливостей контрольної групи їх експресія була набагато вищою порівняно з гамергатами, які пережили ізоляцію, і звичайними робочими (p < 0,0001 для обох генів).
За словами Пеніка і його колег, зміни обсягу мозку, що спостерігалися у гамергат, нагадують ті, що відомі для деяких хребетних - наприклад, звичайних бурозубок (). Мозок цих комоїдних зменшується напередодні зими і знову збільшується навесні, що дозволяє їм економити енергію у важкі часи. Автори погоджуються з гіпотезою, згідно з якою завдяки скороченню обсягу мозку гамергати можуть перенаправляти звільнені ресурси на виробництво яєць. Однак мурахи, які повернулися в статус робітників-фуражирів, змушені брати участь у зборі корму за межами гнізда - і для цього їм життєво необхідний великий мозок. На щастя, у них є спосіб збільшити його. Це ж стосується змін в обсязі отруйних залоз (фуражирам потрібна більш потужна хімічна зброя, ніж гамергатам, які сидять у гнізді) і поведінки.
Конфлікти гамергат за ієрархічний статус і право розмножуватися, які відбуваються, наприклад, після смерті матки, можуть тривати до 40 днів. Дослідники вважають, що особи, які програли таке протистояння, повертаються до ролей робітників - і здатність змінювати обсяг мозку і отруйних залоз допомагає їм у цьому. Ймовірно, саме тому природний відбір підтримав дану адаптацію.
Мозок людини також може бути дуже пластичним. Наприклад, нещодавно дослідники виявили, що у полярників, які провели в Антарктиді 14 місяців, його обсяг помітно скоротився. Зокрема, постраждала зубчаста звивина гіпокампа.