Μακροζωία μυρμηγκιών:Ξεκλείδωμα μυστικών για εκτεταμένη διάρκεια ζωής - συνέπειες για την ανθρώπινη γήρανση

Τα μυρμήγκια βασίλισσας ζουν πολύ περισσότερο από τους γενετικά πανομοιότυπους εργάτες. Οι ερευνητές μαθαίνουν τι θα μπορούσαν να σημαίνουν τα μυστικά μακροζωίας τους για τη γήρανση σε άλλα είδη.

Εισαγωγή

Τα ζώα που παράγουν πολλούς απογόνους τείνουν να έχουν σύντομη ζωή, ενώ τα λιγότερο παραγωγικά είδη τείνουν να ζουν περισσότερο. Οι κατσαρίδες γεννούν εκατοντάδες αυγά ενώ ζουν λιγότερο από ένα χρόνο. Τα ποντίκια έχουν δεκάδες μωρά κατά τη διάρκεια του ή δύο ετών της ζωής τους. Οι καμπουροφάλαινες παράγουν μόνο ένα μοσχάρι κάθε δύο ή τρία χρόνια και ζουν για δεκαετίες. Ο εμπειρικός κανόνας φαίνεται να αντικατοπτρίζει εξελικτικές στρατηγικές που διοχετεύουν τους διατροφικούς πόρους είτε στην ταχεία αναπαραγωγή είτε στην ανάπτυξη πιο ισχυρή για ένα μακροπρόθεσμο πλεονέκτημα.

Αλλά οι βασίλισσες των μυρμηγκιών μπορούν να τα έχουν όλα. Σε ορισμένα είδη μυρμηγκιών, οι βασίλισσες ζουν περισσότερα από 30 χρόνια ενώ γεννούν τα χιλιάδες αυγά που γίνονται όλοι οι εργαζόμενοι στη φωλιά. Αντίθετα, τα μυρμήγκια εργάτες, που είναι θηλυκά που δεν αναπαράγονται, ζουν μόνο μήνες. Ωστόσο, αν το απαιτούν οι περιστάσεις, οι εργάτριες ορισμένων ειδών μπορούν να γίνουν ψευδοβασίλισσες για το καλό της φωλιάς — και να αποκομίσουν σημαντική παράταση στη διάρκεια της ζωής τους.

Το τι διέπει αυτό το γιγάντιο εύρος στη διάρκεια ζωής των μυρμηγκιών είναι ελάχιστα κατανοητό, αλλά δύο πρόσφατες μελέτες έχουν αποκαλύψει σημαντικές λεπτομέρειες σχετικά με το τι κάνει τη διάρκεια ζωής των μυρμηγκιών τόσο ευέλικτη. Στην Επιστήμη , ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης έδειξαν ότι ορισμένες βασίλισσες μυρμηγκιών παράγουν μια πρωτεΐνη που καταστέλλει τη γήρανση της ινσουλίνης, ώστε να μπορούν να καταναλώνουν όλη την πρόσθετη τροφή που χρειάζονται για την ωοτοκία τους χωρίς να συντομεύουν τη ζωή τους. Και σε μια προεκτύπωση που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στον διακομιστή biorxiv.org, ερευνητές στη Γερμανία περιέγραψαν ένα παράσιτο που παρατείνει πολύ τη ζωή των ξενιστών του μυρμηγκιού εκκρίνοντας ένα πλούσιο κοκτέιλ αντιοξειδωτικών και άλλων ενώσεων. Και οι δύο μελέτες προσθέτουν στις ενδείξεις ότι η παρατηρούμενη διάρκεια ζωής των οργανισμών έχει μικρή σχέση με τους περιορισμούς που επιβάλλονται από τα γονίδιά τους.

«Οι περισσότερες μελέτες σχετικά με τη γήρανση γίνονται σε οργανισμούς-μοντέλους που έχουν πολύ μικρή διάρκεια ζωής», δήλωσε ο Laurent Keller, καθηγητής οικολογίας και εξέλιξης στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης στην Ελβετία. Τα κοινωνικά έντομα, εξήγησε, προσφέρουν συναρπαστικές ευκαιρίες για τη μελέτη της σημασίας της γονιδιακής έκφρασης στη γήρανση, επειδή η βασίλισσα και οι εργαζόμενοι σε μια αποικία έχουν συχνά το ίδιο γονιδίωμα, αλλά διαφέρουν ως προς τη διάρκεια ζωής τους κατά μια τάξη μεγέθους. (Πριν από δύο δεκαετίες, ο Κέλερ έδειξε ότι οι βασίλισσες των μυρμηγκιών ζουν περίπου 100 φορές περισσότερο από τα προγονικά μοναχικά έντομα από τα οποία εξελίχθηκαν τα μυρμήγκια.)

Και επειδή οι εργάτες είναι βραχύβιοι, «μπορείτε να προσπαθήσετε να βρείτε πώς να τους κάνετε να ζήσουν περισσότερο», είπε ο Arjuna Rajakumar, ένας μεταδιδακτορικός συνεργάτης που τώρα μελετά τους αναπαραγωγικούς περιορισμούς στα μυρμήγκια εργαζομένων στο Ινστιτούτο Whitehead στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, έχοντας πρόσφατα ολοκληρώσει το μεταπτυχιακό του έργο στο Πανεπιστήμιο McGill. Η συναρπαστική πιθανότητα είναι ότι οι μεταβολικοί μηχανισμοί που επεκτείνουν τη ζωή των εντόμων μπορεί να ισχύουν και για άλλα είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. «Θέλουμε να καταλάβουμε πώς κάνετε κάτι να ζήσει περισσότερο, όχι [μόνο] γιατί κάτι ζει τόσο πολύ», είπε.

Τρώτε περισσότερο ενώ γερνάτε λιγότερο

Για δεκαετίες, μελέτες έχουν δείξει ότι η ινσουλίνη και το βιοχημικό σύστημα σηματοδότησης που ενεργοποιεί ως βασικοί ρυθμιστές της γήρανσης. Η ινσουλίνη επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα του σώματος προσλαμβάνουν και χρησιμοποιούν τη γλυκόζη του σακχάρου, επομένως έχει θεμελιώδη επίδραση στην ποσότητα ενέργειας που διατίθεται στα κύτταρα για ανάπτυξη, αναπαραγωγή και επισκευή. Στη διαδικασία, ρυθμίζει επίσης τη δημιουργία δυνητικά επιβλαβών ελεύθερων ριζών και άλλων οξειδωτικών μορίων που είναι υποπροϊόντα του μεταβολισμού. Πολλοί ερευνητές υποψιάζονται ότι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δίαιτες περιορισμού θερμίδων, οι οποίες διατηρούν τα επίπεδα ινσουλίνης χαμηλά, φαίνεται να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής σε πολλά είδη.

Επιπλέον, η ινσουλίνη φαίνεται να έχει πρόσθετη σημασία για τα μυρμήγκια. Πριν από αρκετά χρόνια, η εργασία με επικεφαλής τον εξελικτικό βιολόγο Daniel Kronauer στο Πανεπιστήμιο Rockefeller έδειξε ότι οι αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο τα μυρμήγκια αντιδρούν στην ινσουλίνη φαίνεται ότι τα ώθησαν να εξελίξουν αλτρουιστικές αποικιακές κοινωνίες με αναπαραγωγικές βασίλισσες και μη αναπαραγωγικές εργαζόμενες.

Πριν από τέσσερα χρόνια λοιπόν, όταν ο Vikram Chandra ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Rockefeller και μελετούσε τις διαφορές μεταξύ των βασίλισσων των μυρμηγκιών και των εργαζομένων, η ινσουλίνη ήταν πολύ στο μυαλό του. Μαζί με την Ingrid Fetter-Pruneda, μια μεταδιδακτορική συνεργάτιδα στο εργαστήριο εκείνη την εποχή, ηγήθηκαν μιας ομάδας που εξέτασε την έκφραση γονιδίων σε επτά είδη μυρμηγκιών και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι περισσότερα σήματα ινσουλίνης εμφανιζόταν στον εγκέφαλο των βασίλισσων παρά στις εργάτριες. Όταν έκαναν ένεση ινσουλίνης σε μυρμήγκια εργαζομένων, αυτή ενεργοποίησε τις αδρανείς ωοθήκες τους και προκάλεσε την ανάπτυξη ωαρίων. Σύμφωνα με τον Kronauer, ο οποίος επέβλεψε τη μελέτη, αυτά τα ευρήματα έδειξαν ότι η σηματοδότηση της ινσουλίνης έκανε τα μυρμήγκια να γίνουν αναπαραγωγικά.

Αυτή η ανακάλυψη έθεσε τα θεμέλια για νέα εργασία που διεξήχθη ως μέρος μιας μακροχρόνιας συνεργασίας μεταξύ των βιολόγων Claude Desplan και Danny Reinberg στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. Έδειξαν ότι η εξέλιξη έχει επανασυνδέσει ορισμένα στοιχεία της οδού σηματοδότησης της ινσουλίνης στα μυρμήγκια με τρόπους που θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί οι βασίλισσες ζουν περισσότερο.

Ο Ντέσπλαν και ο Ράινμπεργκ μελέτησαν ινδικά μυρμήγκια που πηδούσαν (Harpegnathos saltator ), του οποίου οι βασίλισσες ζουν περίπου πέντε χρόνια και του οποίου οι εργάτριες ζουν μόνο περίπου επτά μήνες. Αλλά σε αυτό το είδος, αυτή η διαφορά στη διάρκεια της ζωής δεν είναι πέτρα. Εάν μια βασίλισσα πεθάνει ή απομακρυνθεί από την αποικία, οι εργαζόμενοι αντιλαμβάνονται την αλλαγή σχεδόν αμέσως μετά την εξαφάνιση του αρώματος της. Κάποιοι από αυτούς στη συνέχεια γίνονται «gamergates» (ψευδοβασίλισσες) που μονομαχούν για την κυριαρχία για να πάρουν τη θέση της. Τελικά, μια χούφτα νικηφόρων παικτών - συνήθως μεταξύ τριών και πέντε - αναλαμβάνουν από κοινού τον ρόλο της βασίλισσας ως στρωμάτων αυγών για αποικία. Άλλοι εργαζόμενοι στη συνέχεια «αστυνομεύουν» τυχόν περιττά παιχνίδια παιχνιδιών, καταστέλλοντάς τους βίαια από το να γεννούν αυγά.

Ωστόσο, η συμπεριφορά των gamergates δεν είναι το μόνο πράγμα που αλλάζει:αναπτύσσουν λειτουργικές ωοθήκες και μπορούν να γεννήσουν αυγά - και η διάρκεια ζωής τους εκτείνεται σε τρία ή τέσσερα χρόνια. Επειδή τα gamergates δεν είναι τόσο παραγωγικά όσο οι βασίλισσες, χρειάζονται συνήθως από τρία έως πέντε από αυτά για να αντικαταστήσουν την παραγωγή αυγών της βασίλισσας. Εάν ένα gamegate εισαχθεί σε μια αποικία όπου ζει μια βασίλισσα, το gamegate επανέρχεται ως εργάτρια και η διάρκεια ζωής της μειώνεται.

Όταν μια εργαζόμενη γίνεται gamegate, ο μεταβολισμός της αλλάζει. Τρώει περισσότερο και η επακόλουθη αύξηση των επιπέδων ινσουλίνης της πυροδοτεί την ανάπτυξη των ωοθηκών της. Χρησιμοποιεί την τροφή για να παράγει λιπίδια που συσκευάζονται στα αυγά. Αλλά από προηγούμενες μελέτες για την ινσουλίνη και τη γήρανση, οι ερευνητές του NYU περίμεναν ότι η μεγαλύτερη σηματοδότηση ινσουλίνης θα συνδεόταν με μικρότερη διάρκεια ζωής, όχι μεγαλύτερη.

Οι ερευνητές βρήκαν την απάντηση κρυμμένη στις λεπτομέρειες της σηματοδότησης της ινσουλίνης. Όταν η ινσουλίνη συνδέεται με τον υποδοχέα της σε μια κυτταρική επιφάνεια, προκαλεί καταρράκτες αντιδράσεων μέσα στο κύτταρο, συμπεριλαμβανομένων δύο διακριτών χημικών οδών. Ένα μονοπάτι ενεργοποιεί ένα ένζυμο που ονομάζεται κινάση MAP και είναι κρίσιμο για το μεταβολισμό και την ανάπτυξη των ωοθηκών. Η άλλη οδός καταστέλλει έναν μεταγραφικό παράγοντα που φαίνεται να προάγει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Προς έκπληξη των ερευνητών, όταν εξέτασαν την ωοθήκη και το λίπος σώμα (το οποίο είναι περίπου ισοδύναμο με το συκώτι των θηλαστικών) σε gamergates, διαπίστωσαν ότι η οδός κινάσης MAP ήταν ενεργή αλλά η άλλη όχι.

Περαιτέρω εργασία έδειξε ότι οι ωοθήκες των gamergates εξέφραζαν έντονα μια πρωτεΐνη, την Imp-L2, η οποία αγνόησε το μονοπάτι της κινάσης MAP αλλά παρενέβαινε στη δεύτερη οδό στο λιπώδη σώμα. "Αυτή η πρωτεΐνη φαίνεται να έχει τη λειτουργία της προστασίας μιας οδού που επιτρέπει τον μεταβολισμό, αλλά αναστέλλει την οδό που οδηγεί στη γήρανση", είπε ο Desplan.

Άλλοι ερευνητές επισημαίνουν ότι η νέα μελέτη δεν δείχνει οριστικά ότι το Imp-L2 επηρεάζει τη διάρκεια ζωής:οι Desplan και Reinberg δεν εξέτασαν άμεσα εάν η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης στους εργαζόμενους θα τους έκανε να ζήσουν περισσότερο ή εάν η αναστολή της σε gamergates θα τους έκανε να πεθάνουν νωρίτερα. Τέτοια πειράματα είναι προκλητικά γιατί μπορεί να απαιτήσουν την ένεση στα μυρμήγκια με αναστολείς ινσουλίνης για μήνες ή χρόνια.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Ωστόσο, η πρόταση των Desplan και Reinberg ότι τα μυρμήγκια χειρίζονται τους διαφορετικούς κλάδους του συστήματος σηματοδότησης της ινσουλίνης είναι «μια πραγματικά εύλογη, ενδιαφέρουσα υπόθεση», δήλωσε ο Chandra, ο οποίος είναι επί του παρόντος μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Αν διεγείρει περισσότερα εργαστήρια να προσπαθήσουν να το δοκιμάσουν, θα ήταν πολύ ωραίο."

Δεδομένου ότι είναι ευκολότερο να εκτελούνται γενετικά πειράματα σε μύγες φρούτων παρά σε μυρμήγκια, η ομάδα του Desplan εξετάζει τώρα εάν μπορούν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του Drosophila φρουτόμυγες ενεργοποιώντας την έκφραση Imp-L2. Κάποτε, ο Desplan ελπίζει να δοκιμάσει το πείραμα και σε ποντίκια. "Έχουμε πολλή συναρπαστική δουλειά να κάνουμε", είπε.

Το παράσιτο που μακραίνει τη ζωή

Σε μια περίεργη ανατροπή, η φύση φαίνεται να έχει ήδη εκτελέσει τη δική της εκδοχή ενός παρόμοιου πειράματος σε άλλο είδος. Ερευνητές στη Γερμανία ανακάλυψαν πρόσφατα ότι μια παρασιτική ταινία έχει εξελίξει την ικανότητα να χειρίζεται την εξαιρετική πλαστικότητα της διάρκειας ζωής των μυρμηγκιών προς όφελός του.

Η ταινία πρέπει να περάσει μέρος της ζωής της μέσα σε μυρμήγκια βελανιδιών (Temnothorax nylanderi ), που παίρνουν τα ονόματά τους από τις φωλιές που χτίζουν μέσα σε μεμονωμένα βελανίδια. Όταν οι εργάτες βγαίνουν για τροφή, μερικές φορές τρώνε ένα αυγό ταινίας και μολύνονται. Αλλά για να ολοκληρώσει τον κύκλο ζωής του, η ταινία πρέπει επίσης να μολύνει έναν δρυοκολάπτη και έχει αυτή την ευκαιρία όταν οι δρυοκολάπτες τρώνε τα σπίτια βελανιδιών των μυρμηγκιών.

Πριν από μερικά χρόνια, η Sara Beros, φοιτήτρια στο εργαστήριο της Susanne Foitzik στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Mainz στη Γερμανία, άνοιξε μερικές φωλιές μυρμηγκιών και έκανε την περίεργη ανακάλυψη ότι ενώ όλοι οι μη μολυσμένοι εργαζόμενοι πέθαναν κατά τη διάρκεια των μηνών παρατήρησής τους, οι μολυσμένοι δεν το έκαναν. (Τα παρασιτισμένα μυρμήγκια είναι εύκολο να αναγνωριστούν επειδή το χρώμα τους γίνεται από καφέ σε κίτρινο.) Όταν ο Μπέρος είπε στον Φόιτζικ για αυτό, ο Φόιτζικ θυμάται ότι σκέφτηκε:"Αυτό δεν είναι δυνατό. Όλα πεθαίνουν." Αλλά ο Beros ήταν επίμονος, «και έτσι το εξετάσαμε σωστά».

Σε εργασία που παρουσιάστηκε το περασμένο καλοκαίρι σε μια συνάντηση της Διεθνούς Ένωσης για τη Μελέτη Κοινωνικών Εντόμων και δημοσιεύτηκε λίγο πριν από τα Χριστούγεννα στον preprint server biorxiv.org, η ομάδα του Foitzik έδειξε ότι κατά το στάδιο της προνύμφης της ταινίας στα μυρμήγκια, αντλεί πρωτεΐνες στο ισοδύναμο αίμα του μυρμηγκιού (αιμολέμφο) που παρατείνουν δραματικά τη ζωή του εργάτη. Σε αντίθεση με τα ινδικά μυρμήγκια που πηδούν, τα μυρμήγκια βελανιδιών δεν εξελίσσονται κανονικά σε πτερύγια παιχνιδιών, επομένως η παράταση της ζωής του παρασίτου δεν έχει φυσικό προηγούμενο.

«Το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά ισχυρό», είπε ο Kronauer. Κατά τη διάρκεια του τριετούς πειράματος, οι μολυσμένες εργάτριες έζησαν πέντε φορές περισσότερο από τους μη μολυσμένους και παρουσίασαν ποσοστά θνησιμότητας τόσο χαμηλά όσο αυτά των βασίλισσων. Η χειραγώγηση του παρασίτου επέκτεινε τη διάρκεια ζωής των εργαζομένων τόσο πολύ "που βασικά δεν μπορείτε να το ξεχωρίσετε από τη βασίλισσα", είπε.

Αν και οι μολυσμένες εργάτριες μυρμηγκιών βελανιδιών δεν αναπαραγωγίζονται, γίνονται πιο βασίλισσες από πολλές απόψεις, είπε ο Φόιτζικ:Δουλεύουν λιγότερο και αντλούν περισσότερη προσοχή από τους μη μολυσμένους εργάτες στην αποικία. Εάν η βασίλισσα αφαιρεθεί από τη φωλιά, είναι επίσης οι πρώτες εργάτριες που ανέπτυξαν ωοθήκες.

Η Foitzik και η ομάδα της διαπίστωσαν ότι οι προνύμφες της ταινίας παράγουν και εκκρίνουν περισσότερες από 250 πρωτεΐνες στην αιμολέμφο των μολυσμένων μυρμηγκιών - αρκετές για να αποτελούν περίπου το 7% όλων των πρωτεϊνών που κυκλοφορούν. Οι περισσότερες από τις πρωτεΐνες δεν έχουν χαρακτηριστεί, αλλά δύο από αυτές είναι αναγνωρίσιμες ως αντιοξειδωτικές. "Έτσι φαίνεται ότι ο [ταινία] απελευθερώνει αντιοξειδωτικά στο μυρμήγκι και αυτό θα μπορούσε να αυξήσει τη διάρκεια ζωής", είπε.

Όταν η Foitzik και η ομάδα της μέτρησαν τις αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση στα παρασιτισμένα μυρμήγκια, διαπίστωσαν ότι τα μολυσμένα μυρμήγκια παράγουν επίσης περισσότερα αντιοξειδωτικά. Επιπλέον, οι βασίλισσες και οι μολυσμένες εργάτριες εξέφραζαν περισσότερο ένα γονίδιο που ονομάζεται ασήμι , αλλά οι μη μολυσμένοι εργάτες δεν ήταν. Οι ερευνητές είχαν συνδέσει προηγουμένως το ασήμι γονίδιο για παρατεταμένη διάρκεια ζωής στις μύγες των φρούτων.

Αν και είναι σαφές ότι μια σειρά από αναπτυξιακές και μεταβολικές αλλαγές συμβαίνει όταν οι εργαζόμενοι γίνονται πιο βασίλισσες, είναι δύσκολο να ξεχωρίσουμε ποια από τις αλλαγές είναι πιο σημαντική για την παράταση της διάρκειας ζωής. Η ινσουλίνη και τα αντιοξειδωτικά είναι σημαντικά, αλλά ο Keller πιστεύει ότι πολλοί άλλοι παράγοντες είναι επίσης πιθανό να παίζουν ρόλο. «Επομένως, νομίζω ότι δεν θα υπήρχε ούτε ένα μονοπάτι που θα εξηγούσε απλώς τη διαφορά στη διάρκεια της ζωής — πρέπει να αλλάξετε πολλά πράγματα, πιθανώς», είπε.

Ο Keller πιστεύει ότι τα ευρήματα σχετικά με τα παράσιτα είναι συναρπαστικά επειδή τα παράσιτα συνήθως συντομεύουν παρά παρατείνουν τη ζωή. Αλλά σε αυτήν την περίπτωση, η παράταση της διάρκειας ζωής του μυρμηγκιού φαίνεται επίσης να είναι προσαρμοστική για το παράσιτο:Η ταινία πρέπει να επιμείνει στο μολυσμένο μυρμήγκι αρκετό καιρό ώστε ένας δρυοκολάπτης να βρει το βελανίδι και να το φάει. Εάν ο εργάτης πεθάνει πριν από τότε, πεθαίνει και η ταινία. Επιμηκύνοντας τη ζωή του εργάτη κατά χρόνια, η ταινία βελτιώνει τις πιθανότητες να εμφανιστεί τελικά ένας δρυοκολάπτης. Η αφθονία των αντιοξειδωτικών στην αιμολέμφο μπορεί επίσης να βοηθήσει τις προνύμφες της ταινίας να ζήσουν όσο οι ξενιστές τους.

«Εδώ το παράσιτο εκμεταλλεύεται έναν κοινωνικό οικοδεσπότη», εξήγησε ο Φόιτζικ. Δεν θα είχε νόημα να παρασιτούν τα μοναχικά ασπόνδυλα επειδή δεν ζουν ποτέ τόσο πολύ. "Αλλά σε ένα κοινωνικό έντομο, όπου οι βασίλισσες ζουν ήδη στην ασφάλεια της φωλιάς για 20 χρόνια, μπορείτε να κάνετε αυτό το κόλπο."

Διόρθωση:10 Ιανουαρίου 2023
Μια παλαιότερη έκδοση αυτού του άρθρου παραμέλησε να αναφέρει τις συνεισφορές του Fetter-Pruneda στη μελέτη με τον Chandra σχετικά με τις διαφορές στη γονιδιακή έκφραση μεταξύ των καστών των μυρμηγκιών.