Πώς η ινσουλίνη βοήθησε στη δημιουργία κοινωνιών μυρμηγκιών
Τα μυρμήγκια, οι σφήκες, οι μέλισσες και άλλα κοινωνικά έντομα ζουν σε άκρως οργανωμένες «ευκοινωνικές» αποικίες όπου πλήθη θηλυκών εγκαταλείπουν την αναπαραγωγή - που συνήθως θεωρείται ως ο ακρογωνιαίος λίθος της εξελικτικής φυσικής κατάστασης - για να εξυπηρετήσουν τις ανάγκες λίγων βασίλισσων που γεννούν αυγά και των απογόνων τους. Το πώς έφτασαν σε αυτόν τον τρόπο ήταν δύσκολο να εξηγηθεί παρά τις προσπάθειες των βιολόγων για περισσότερα από 150 χρόνια. Πολλοί ερευνητές σκέφτηκαν ότι η απάντηση θα κατέληγε σε μια σύνθετη σειρά γενετικών αλλαγών που εξελίχθηκαν με συγκεκριμένους τρόπους για τα είδη για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ωστόσο, νέα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ένας εκπληκτικά απλός ορμονικός μηχανισμός — ένας που μπορεί να βρεθεί σε όλο το ζωικό βασίλειο — μπορεί να ήταν αρκετός για να βάλει σε κίνηση την ευκοινωνικότητα.
Τον περασμένο μήνα, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Daniel Kronauer, έναν εξελικτικό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο Rockefeller στη Νέα Υόρκη, δημοσίευσε μια εργασία στο Science που λένε πολλοί ειδικοί παρέχει μια από τις πιο λεπτομερείς μοριακές ιστορίες μέχρι σήμερα στη μελέτη της ευκοινωνικής συμπεριφοράς.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο καταμερισμός της αναπαραγωγικής εργασίας στα μυρμήγκια προέκυψε όταν ένα αρχαίο μονοπάτι σηματοδότησης ινσουλίνης, που συνήθως εμπλέκεται στη διατήρηση της διατροφής και της ανάπτυξης, ανταποκρίνεται στα κοινωνικά σημάδια. Με αυτόν τον τρόπο, αποκάλυψαν επίσης βαθύτερες γνώσεις σχετικά με «μια διαδικασία στην οποία βασίζεται το πώς το περιβάλλον περνά κάτω από το δέρμα για να επηρεάσει τη συμπεριφορά, τη φυσιολογία και την υγεία και την ευημερία των άλλων μελών μιας κοινωνίας», δήλωσε ο Gene E. Robinson, εντομολόγος και ο διευθυντής του Carl R. Woese Institute for Genomic Biology στο Πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana-Champaign.
Ο Kronauer και οι συνεργάτες του, ελπίζοντας να αποκαλύψουν μια κοινή προέλευση για το εξελικτικό ταξίδι των μυρμηγκιών προς την ευκοινωνικότητα, συνέκριναν πρώτα ποια γονίδια εκφράστηκαν διαφορετικά στον εγκέφαλο των βασίλισσων και των εργαζομένων μεταξύ επτά διαφορετικών ειδών μυρμηγκιών. Βρήκαν ένα ιδιαίτερα ισχυρό σήμα για ένα γονίδιο, το ilp2 , η οποία κωδικοποιεί την έκδοση μυρμηγκιών της ινσουλίνης και εκφραζόταν σταθερά υψηλότερα στις βασίλισσες. (Τουλάχιστον δύο δωδεκάδες άλλα γονίδια προέκυψαν εξίσου σημαντικά, σημείωσε ο Kronauer - πολλά από αυτά σχετίζονται επίσης με την παραγωγή και τη σηματοδότηση ινσουλίνης ή με την πλαστικότητα του εγκεφάλου και άλλα χαρακτηριστικά.)
Για να προσδιορίσετε το ρόλο του ilp2 , οι ερευνητές εστίασαν σε ένα μόνο είδος μυρμηγκιών, τα κλωνικά μυρμήγκια επιδρομείς Ooceraea biroi , των οποίων οι αποικίες στερούνται σταθερές βασίλισσες. Αντίθετα, τα μυρμήγκια εναλλάσσονται ως ομάδα μεταξύ ρόλων εργάτριας και βασίλισσας, φαινομενικά ως απάντηση στην παρουσία προνυμφών:Με τα μωρά γύρω, όλα τα ενήλικα μυρμήγκια σταμάτησαν να αναπαράγονται για να τα φροντίσουν.
Η ομάδα του Kronauer διαπίστωσε ότι η σηματοδότηση της ινσουλίνης ήταν υπεύθυνη για αυτόν τον κύκλο. Η παραγωγή της ορμόνης μειώθηκε όταν οι ερευνητές εξέθεσαν τα μυρμήγκια σε προνύμφες, καταστέλλοντας την αναπαραγωγή και προκαλώντας τη στροφή στη συμπεριφορά φροντίδας. Όταν αφαιρέθηκαν οι προνύμφες, τα επίπεδα ινσουλίνης αυξήθηκαν σημαντικά - και η έγχυση ινσουλίνης στους ενήλικες προκάλεσε την επανενεργοποίηση των ωοθηκών τους ακόμα και όταν οι προνύμφες ήταν ακόμα γύρω. "Αν το σκεφτείς, είναι ένας τρελός αλλά και πολύ κομψός και απλός τρόπος για να κάνεις έναν οργανισμό κοινωνικό, να τον κάνεις να ανταποκρίνεται στις προνύμφες", είπε ο Kronauer.
(Και όπως αστειεύτηκε ο Allen J. Moore, εντομολόγος στο Πανεπιστήμιο της Τζόρτζια, "Όποιος είναι γονιός ξέρει ότι το παιδί σας σε χειραγωγεί.")
«Το ότι αυτό το μεμονωμένο γονίδιο έχει τόσο μεγάλη επίδραση υποδηλώνει ότι η μετάβαση από τον μοναχικό στον κοινωνικό τρόπο ζωής μπορεί να ξεκινήσει με σχετικά λίγες αλλαγές», δήλωσε ο Andrew Suarez, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana-Champaign. «Δεν χρειάζεται να επικαλεστείτε νέα γονίδια. Δεν χρειάζεται να αλλάξετε μαζικά τη γονιδιωματική αρχιτεκτονική ή τα πρότυπα γονιδιακής έκφρασης. Μπορείτε απλώς να τροποποιήσετε ένα ή μερικά πράγματα και να ξεκινήσετε αυτήν την πορεία προς τον προηγμένο αναπαραγωγικό καταμερισμό της εργασίας."
Τα αποτελέσματα του Kronauer δικαιώνουν μια θεωρία για την προέλευση της ευκοινωνικότητας που προτάθηκε το 1987 από την εξελικτική βιολόγο Mary Jane West-Eberhard, τώρα στο Smithsonian Tropical Research Institute. Είχε παρατηρήσει ότι οι μοναχικές σφήκες περνούσαν από τις φάσεις αναπαραγωγής και φροντίδας σε συγχρονισμό με τη δραστηριότητα των ωοθηκών τους και υποστήριξε ότι ο κοινωνικός καταμερισμός της εργασίας προέκυψε όταν τμήματα αυτού του ωοθηκικού κύκλου έγιναν αποκλειστικά σε κάθε κάστα:Οι βασίλισσες είχαν συνεχώς ενεργές ωοθήκες για την ωοτοκία, ενώ οι εργάτες, των οποίων οι ωοθήκες παρέμειναν καταπιεσμένες, αφοσιώθηκαν στην αναζήτηση τροφής και στη φροντίδα του γόνου. Ο West-Eberhard αργότερα το περιέγραψε ως μοντέλο για την πραγματοποίηση μεγάλων αλλαγών στα είδη μέσω της «αναπτυξιακής αναδιοργάνωσης» και το ονόμασε έναν τρόπο «να δημιουργηθεί κάτι νέο (φαινότυποι εργαζομένων και βασίλισσας) από παλιά κομμάτια» — σε αυτήν την περίπτωση, οι παλιές συμπεριφορές συνδέονται σε διαφορετικές φάσεις του ωοθηκικού κύκλου των μοναχικών σφηκών.
Αυτό που έλειπε από τη θεωρία του West-Eberhard ήταν ένας υποψήφιος για ένα πιθανό έναυσμα για αυτή την αναδιοργάνωση στις σφήκες ή σε οποιοδήποτε από τα άλλα κοινωνικά έντομα. Τα ευρήματα του Kronauer υποδηλώνουν τώρα ότι ο ένοχος, τουλάχιστον στην περίπτωση των μυρμηγκιών, ήταν ο ilp2 , με τις προνύμφες να χειραγωγούν τους ενήλικες μέσω των οδών ινσουλίνης τους για να μετατραπούν οι περισσότεροι σε φροντιστές πλήρους απασχόλησης και λίγοι σε μητέρες της κοινότητας.
Η συμμετοχή της ινσουλίνης έχει νόημα εκ των υστέρων, είπε ο Kronauer, δεδομένου ότι η ορμόνη είναι γνωστό ότι παίζει κρίσιμο ρυθμιστικό ρόλο τόσο στην πρόσληψη τροφής όσο και στην αναπαραγωγή. Μετά την αρχική προσαρμογή, οι εξελικτικές δυνάμεις θα είχαν οδηγήσει σε έμφυτες διαφορές στα επίπεδα ινσουλίνης μεταξύ των ατόμων, πέρα από τις ξεχωριστές κάστες. Ακόμη και μεταξύ των κλωνικών μυρμηγκιών επιδρομέων χωρίς βασίλισσα, ο Kronauer και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι μερικά είχαν ελαφρώς μεγαλύτερες, πιο ενεργές ωοθήκες και αναζητούσαν λιγότερη τροφή, παρά την παρουσία προνυμφών. Τα επίπεδα ινσουλίνης τους αποδείχθηκαν υψηλότερα από την αρχή.
«Ακόμη και σε αυτήν την πρόδρομη κατάσταση, φαίνεται να υπάρχει ακόμα μια σύνδεση μεταξύ της αναπαραγωγικής συμπεριφοράς και των επιπέδων ινσουλίνης», είπε ο Kronauer. Τελικά, τα άτομα με υψηλότερα επίπεδα ινσουλίνης έγιναν βασίλισσες και αυτά με χαμηλότερα επίπεδα έγιναν εργάτριες. "Ξεκινά σε έναν πληθυσμό όπου όλοι μοιάζουν πολύ, αλλά με τον εξελικτικό χρόνο αυτές οι μικρές διαφορές επιδεινώνονται."
Αυτό που κάνει αυτή την εργασία επιπρόσθετα συναρπαστική είναι ότι προηγούμενες έρευνες ενέπλεξαν την ινσουλίνη στη ρύθμιση του καταμερισμού εργασίας και στις μέλισσες — αλλά με πολύ διαφορετικό τρόπο. Για εκείνα τα είδη μελισσών, που εξέλιξαν την ευκοινωνικότητα ανεξάρτητα από τα μυρμήγκια, η σηματοδότηση ινσουλίνης βοηθά να καθοριστεί εάν οι εργαζόμενοι αναζητούν τροφή ή μένουν πίσω για να θηλάσουν τις προνύμφες και μπορεί να καθορίσει το είδος της τροφής που προτιμούν οι τροφοσυλλέκτες (πράγμα που επηρεάζει περαιτέρω τη φυσιολογία τους και τις εργασίες που εκτελούν). Τόσο στα μυρμήγκια όσο και στις μέλισσες, ο μηχανισμός της ινσουλίνης είναι συνυφασμένος με την ευαισθησία στους απογόνους.
«Υποδηλώνει ότι υπάρχει κάτι πολύ γενικό για το πώς προχωρά η εξέλιξη όταν αυξάνει την πολυπλοκότητα ενός συστήματος», είπε ο Kronauer. Για τον Suarez, σημαίνει ότι αυτού του είδους η εξελικτική καινοτομία είναι κατά κάποια έννοια «προβλέψιμο, ότι υπάρχουν γενετικά μηχανιστικά μοτίβα στο παιχνίδι. Αυτό είναι αρκετά συναρπαστικό."
Το ότι η ινσουλίνη έχει χρησιμοποιηθεί πολλές φορές ανεξάρτητα ενισχύει επίσης μια αναδυόμενη εικόνα ότι η εξέλιξη επαναχρησιμοποιεί συστηματικά διατηρημένα μεταβολικά και αναπτυξιακά μονοπάτια για να δημιουργήσει σύνθετα νέα χαρακτηριστικά και συμπεριφορές. Στην περίπτωση των κοινωνικών εντόμων, οι οδοί της ινσουλίνης και της αναπαραγωγής περίμεναν να χρησιμοποιηθούν μόνο για κοινωνικές λειτουργίες — ή «προέρχονταν από προγονικά σχέδια εδάφους», δήλωσε η Karen Kapheim, εξελικτική βιολόγος στο Utah State University.
«Η εξέλιξη είναι μια ταπετσαρία από κάτι παλιό, κάτι νέο», είπε ο Robinson. «Βλέπουμε ότι αυτό εκτίθεται όμορφα σε αυτό το έργο:το αρχαίο, εξαιρετικά συντηρημένο μονοπάτι ινσουλίνης με αυτό το νέο κομμάτι παρεμβάλλεται - ότι ένα συγκεκριμένο στάδιο της ζωής, τα μωρά, μπορεί να επηρεάσει την κατάσταση σηματοδότησης της ινσουλίνης και επομένως τη φυσιολογική κατάσταση των ενηλίκων».
Ο Kronauer και άλλοι πρέπει ακόμα να προσδιορίσουν πώς οι προνύμφες προκάλεσαν αυτή τη σηματοδοτική απόκριση στους ενήλικες και πώς η ινσουλίνη ανταποκρίθηκε αρχικά στα κοινωνικά σημάδια. Απαιτείται επίσης περισσότερη δουλειά για το τι συμβαίνει στον εγκέφαλο των μυρμηγκιών για να μεσολαβήσει αυτή η διαδικασία.
Το γεγονός ότι η σηματοδότηση της ινσουλίνης είναι τόσο σημαντική σε άλλα ζώα έχει επίσης ευρύτερες επιπτώσεις. Για παράδειγμα, οι βασίλισσες των εντόμων είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις εργάτριες και απολαμβάνουν σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Σύμφωνα με τον Kronauer, οι βαθύτεροι λόγοι για αυτές τις διαφορές παραμένουν άγνωστοι, αλλά η μελέτη του υποδηλώνει ότι η σηματοδότηση της ινσουλίνης θα μπορούσε να παίζει ρόλο. "Οι άνθρωποι μπορούν τώρα να αρχίσουν να εξετάζουν εάν η σηματοδότηση της ινσουλίνης σε άλλους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, παίζει παρόμοιο ρόλο στη ρύθμιση κάτι όπως το προσδόκιμο ζωής", είπε.
Και ίσως παίζει ρόλο στην εξέλιξη των πρωτόγονων κοινωνικών συμπεριφορών και σε άλλα είδη, πρόσθεσε ο Moore, ο οποίος μελετά τις μεταβάσεις στην κοινωνική οργάνωση στα σκαθάρια. Στον τομέα του, «δεν έχουμε μια τόσο ολοκληρωμένη, αιτιολογική ιστορία», είπε. "Αυξάνει πραγματικά τον πήχη για εμάς τους υπόλοιπους."
