Генетика, Энтомология

Пётр Волцит

Мы все прекрасно знаем, что пчёлы и муравьи — общественные насекомые. Они живут большими семьями, состоящими из  размножающейся матки, или «царицы», (у некоторых видов муравьёв маток несколько или много) и множества рабочих, которые размножаться не способны, но зато выполняют все полезные работы: от добычи пищи до ухода за личинками.

Знаем мы и то, что предки общественных насекомых были одиночными и постепенно в процессе эволюции выработали такие сложные общества. До сих пор в отряде перепончатокрылых, к  которому относятся осы, пчёлы, шмели и муравьи, есть множество переходных форм от одиночных насекомых к общественным.

На начальном этапе молодые пчёлы из первого выводка помогают матери вырастить следующий, а затем разлетаются кто куда и  строят собственные гнёзда. А в дальнейшем помощницы перестают разлетаться и до конца жизни помогают матери, не  откладывая яиц.

Как же в процессе эволюции насекомые «перескочили» на этот этап? Ведь на первый взгляд такой переход полностью противоречит теории естественного отбора. Напомним вкратце её  суть: если гены какой-то особи обеспечивают развитие у неё полезных признаков, то у неё будет много потомков, и в  следующем поколении окажется много носителей этих «полезных» генов. Они снова оставят много потомков, и снова, и снова. Если же гены кодируют какие-то невыгодные признаки, то потомков у такой особи будет мало, и с каждым поколением доля этих генов будет уменьшаться, пока они вовсе не исчезнут. Новые варианты генов появляются за счёт мутаций, а естественный отбор определяет, какие из них полезны и достойны существования, а  какие вредны, и им суждено исчезнуть.

Однако допустим, у какой-то пчелы в результате мутации появился ген альтруизма — стремление помогать маме в уходе за  личинками. Причём так помогать, что даже «забыть» про собственное размножение. Это замечательно: мама благодаря помощи старшей дочери вырастит много молодых пчёл. Вот только наша мутантная помощница свои гены потомкам не  передаст — эти гены умрут вместе с нею. Эволюция общественных насекомых закончится, не успев начаться.

Что же, теория Дарвина неверна? Не спешите, — отвечают учёные-эволюционисты, — не забывайте, что молодые пчёлы, которых вырастит наша мутантка-альтруистка, — её родные сёстры. Может быть, хоть у некоторых из них тоже есть этот ген альтруизма? И помощница, даже не оставляя собственного потомства, продлит свои гены? Так-то оно так, но носительницы «гена эгоизма» оставят больше потомков, чем носительницы «гена альтруизма». Да и вообще: сёстры то ли несут в себе эти гены, то  ли не несут, а собственные потомки уж точно твои гены унаследуют.

В случае с «нормальными» животными всё именно так. Потому-то у большинства общественных животных и нет деления на  плодовитых маток и бесплодных рабочих. В стае обезьян, к  примеру, размножаются все особи. Как и в колонии чаек.

Но перепончатокрылые — не такие, как все. У них совсем иначе происходит определение пола. Как известно, у млекопитающих пол задаётся двумя половыми хромосомами: X и Y. Если ребёнку досталась X-хромосома от мамы и Y-хромосома от папы, он будет мальчиком. Если две X-хромосомы — девочкой. Две Y-хромосомы достаться ему не могут, потому что у мамы такой хромосомы нет, обе её хромосомы — Х (рис. 1).

Рис. 1. Схема наследования пола у человека (а) и у пчёл (б)

А у перепончатокрылых пол определяется... числом хромосом. У самок (и рабочих, которые представляют собой бесплодных самок) — двойной набор, хромосома каждого типа представлена в двух экземплярах. А у самца — одинарный, по одной хромосоме каждого типа. Если самка откладывает оплодотворённые яйца, в них объединяются один набор от матери и один от отца — получаются самки с двойным набором. А если самцов нет, самка откладывает неоплодотворённые яйца с одинарным набором хромосом — и  самцы появляются! Очень удобно.

Рис. 2

Как это связано с переходом к общественному образу жизни? А вот как. Давайте посмотрим, насколько родственны друг другу родители-дети и братья-сёстры у нас, млекопитающих, и у пчёл. У человека ребёнок получает половину хромосом матери и половину — отца (рис. 2). Значит, с каждым из родителей у него половина общих генов. С сёстрами-братьями дело сложнее. Теоретически одна сестра (или брат, сейчас это не важно) может получить от мамы одну половину хромосом (условно назовём их «левыми», потому что на схеме они нарисованы слева), а вторая — другую («правые»). Тогда у сестёр (или братьев) совсем не окажется одинаковых материнских генов. С другой стороны, возможно и такое, что обеим сёстрам достанутся одни и те же «левые» или «правые» хромосомы, тогда их гены будут полностью идентичны. В реальности вероятность таких крайних вариантов очень мала — хромосомы распределяются между потомками случайно. И в среднем у двух братьев-сестёр совпадает примерно четверть материнских генов. И примерно четверть отцовских. В сумме — половина. Итак, и родители с детьми, и братья с  сёстрами у млекопитающих имеют в среднем половину общих генов.

Рис. 3

А как у перепончатокрылых (рис. 3)? От мамы — та же общая четверть (в среднем), а от папы — все сто процентов! У него просто нет других вариантов: каждая его хромосома представлена в одном экземпляре. Получается, что родители и дети у пчёл имеют половину общих генов, а сёстры — три четверти! Они друг другу роднее, чем матери. Правда, с братьями у пчёл-самок всего четверть общих генов. Но в любой пчелиной семье преобладают самки, а самцы появляются редко и в небольшом количестве — их можно не учитывать.

В итоге выходит так, что с точки зрения продления своих генов пчеле «выгоднее» вырастить побольше сестёр, чем дочерей. А если сестёр вырастить очень много, дочерей уже и вовсе нет нужды заводить. Именно так рабочие пчёлы (а также осы, шмели и муравьи) и поступают.

Разумеется, пчёлы не думали о «выгоде» и генах. Просто, если какая-то особь несла в себе ген «альтруизма», то этот ген не пропадал, вопреки ожиданиям, а, наоборот, с каждым поколением всё больше распространялся в популяции.

Как видите, теория Дарвина верна и для общественных пчёл. Более того, она может объяснить, почему среди перепончатокрылых так много общественных насекомых, а среди, скажем, бабочек — ни одного. Потому что у тех пол наследуется, как у млекопитающих: с помощью двух половых хромосом.

Задача 1

Все муравьи считаются общественными насекомыми. Но у некоторых видов отсутствует каста рабочих — есть только солдаты, не способные ни ухаживать за личинками, ни добывать пищу, ни даже есть самостоятельно. Таковы, например, тропические муравьи-амазонки. Как же они выживают?

Подсказка: рабочие муравьи хранят верность «своему» гнезду, отличая по запаху членов своей семьи (других рабочих, солдат, маток и т. п.) от чужаков. Но «своим» они считают тот муравейник, в котором вышли из куколки: грубо говоря, тот, чей запах впервые ощутили в момент вылупления.

Ответ

Муравьи-амазонки стали самыми настоящими рабовладельцами. Их прекрасно вооружённые солдаты врываются в муравейники других видов, убивая стражу, выносят оттуда личинок и куколок и докармливают их в своём гнезде (силами рабов, захваченных в предыдущих набегах). Вышедшие из куколок рабочие запоминают запах гнезда амазонок как «свой» и покорно работают на новую колонию, считая родных сестёр (оставшихся в материнском муравейнике) чужаками.

Задача 2

Кроме муравьёв, у которых осталась только каста солдат, есть и такие виды, у которых в процессе эволюции вообще исчезли бесплодные особи — остались только самцы и матки. При этом они, как и матки обычных видов муравьёв, неспособны даже полноценно обслуживать сами себя, не то что выкормить личинок. Как выживают такие виды?

Подсказка: как бы хорошо ни работала у муравьёв запаховая система распознавания «свой-чужой», её, как и любую другую охранную систему, можно обмануть...

Ответ

Эти муравьи стали «социальными паразитами». Матка проникает в гнездо обычного вида муравьёв, рабочие которого принимают её, поскольку она пахнет похоже, и начинают о ней заботиться, как и о своих матках. Паразитке остаётся только откладывать яйца, о которых позаботятся местные рабочие, а затем новое поколение самцов и самок вылетает из муравейника и отправляется заселять новые.

Художник Инга Коржнева

elementy.ru