Муравьи обладают исключительным обонянием

У муравьев в 4-5 раз больше рецепторов запахов, чем у большинства других насекомых.

Группа ученых во главе с Лоренсом Звибелем недавно завершила разметку обонятельной системы, которая дает муравьям возможность ощущать вкус и запах. Выяснилось, что у трудолюбивых насекомых есть гены, которые формируют примерно 400 различных рецепторов ароматов, специальных белков, которые обнаруживают разные запахи. Для сравнения, шелковая моль имеет 52 таких рецептора, плодовые мушки — 61, москиты — от 74 до 158, а медоносные пчелы — 174 рецептора ароматов.

«Наиболее захватывающее то, что анализ выявил свыше 400 рецепторов — наибольшее количество у насекомых», сказал Xiaofan Zhou. „Это означает, что мы сделали успешный первый шаг на пути понимания одной из наиболее успешных популяций на планете“.

Людей долгое время интриговали и вдохновляли способности муравьев формировать высокоорганизованные колонии с разделением труда, общением между особями и способностью решать сложные проблемы. Уже некоторое время ученые знают, что важную роль в поведении муравьев играет химическая связь. „Таким образом, это разумная гипотеза, что именно расширенная способность чувствовать запахи позволила муравьям развить столь высокий уровень общественной организации“, сказал профессор биологии Лоренс Звибел.

Результаты исследования опубликованы в издании PLoS Genetics.

Группа ученых описала обонятельные системы двух существенно различных видов муравьев в ходе междисциплинарного проекта „Эпигенетика поведения, долгожительства и общественной организации среди муравьев“. В 2010 ученые впервые секвенировали геномы двух видов — флоридского муравья-плотника (Camponotus floridanus) и индийского подпрыгивающего муравья (Harpegnathos saltator). Тем самым была подготовлена почва для проведения детального обонятельного исследования.

Обонятельная система большинства насекомых сосредоточена в антеннах и состоит из трех различных классов рецепторов: рецепторы ароматов, которые определяет различные ароматические соединения и феромоны; вкусовые рецепторы, которые различают различные вкусы и реагируют на некоторые феромоны; и недавно выявленные ионотропические глутаматные рецепторы, которые специфично настроены на различные токсичные вещества. Исследование показало, что первичная экспансия обонятельной системы муравьев сосредоточена на ароматах, а число рецепторов токсинов и вкусов сопоставимо найденным у других насекомых.

Автоматизированный анализ двух муравьиных геномов нашел лишь примерно 100 генов ароматических рецепторов и 10 генов вкусовых рецепторов. „Мы знали, что на самом деле эти цифры занижены, поскольку идентифицировать обонятельные рецепторы весьма сложно“, сказал Жоу. Так он и его коллеги разработали новейший автоматизированный биоинформатический процесс, объединенный с обширной ручной оценкой.

Исследователи также сравнили идентичность и уровни выражения обонятельных рецепторов двух видов муравьев, и нашли существенные различия. Это не удивительно, поскольку два вида специально отобрали, чтобы отразить высокий уровень несоответствий в рамках популяции. Муравьи-плотники живут в больших колониях с долгоживущими королевами, которые производят оплодотворенные яйца. Когда королева умирает, гибнет и колония. Подпрыгивающие муравьи, в отличие от этого, живут в маленьких группах, различия между королевами и рабочими особями есть, но их не так много, а некоторые рабочие муравьи способны откладывать оплодотворенные яйца. „Различия в рецепторах с большей вероятностью связаны с различиями в образе жизни двух разновидностей“, сказал Жоу.

Также в процессе анализа ученые выявили важные различия в ароматических рецепторах самцов и самок. В целом у самцов была лишь треть рецепторов самок. „Первичная роль самцов — оплодотворение яиц, а потому количество рецепторов зависит от настройки на феромоны королевы колонии“, отметил ученый.

Ученые провели начальный анализ для идентификации химических сигналов, которые выделяют определенные обонятельные рецепторы. Джесс Слоун провел испытание, включающее внедрение гена рецептора в икру лягушки так, чтобы рецепторы были выражены на поверхности икринки. В момент активации рецепторов, как выяснилось, икринки генерируют измеримый электрический сигнал.

Слоун использовал это испытание для определения веществ, которые активируют один обонятельный рецептор муравья. Он установил, что ароматический компонент, обнаруженный в анисе, активирует обонятельный рецептор прыгающего муравья. Рецепторы были обнаружены и у самцов, и у рабочих особей. Поскольку исследования показали, что анисовое масло имеет репеллентный и инсектицидный эффект на некоторые виды насекомых, вещество может быть распространенным репеллентом, на обнаружение которого настроен обонятельный рецептор.

Для сравнения, обонятельный рецептор муравья-плотника реагировал на естественный аромат в приготовленной говядине и свинине. Ученые понятия не имеют, почему муравьи реагируют на это вещество, однако было точно установлено, что определенный рецептор увеличен у рабочих особей.

„Это лишь начало, но мы уже показали, что имеем все основные инструменты, которые необходимы для разметки и определения карты химических сигналов, которые руководят поведением муравьев“, заключил Слоун.

11.09.2012