Иберийские муравьи-жнецы демонстрируют уникальную особенность: королевы не только обеспечивают воспроизводство своего вида, но и посредством клонирования создают самцов другого вида. Эти «пришельцы» впоследствии становятся отцами всех рабочих особей в колонии. Ученые давно были осведомлены об этом муравьином парадоксе, который переворачивает общепринятые взгляды на размножение и выживание муравьиных колоний, однако не хватало информации для его детального изучения. Теперь необходимые данные собраны.
Во время экспедиции на итальянский остров Сицилия биологи во главе с Джонатаном Ромигье обнаружили ( Jonathan Romiguier) из Университета Монпелье во Франции изучила иберийских муравьев-жнецов (Messor ibericus) и было выявлено, что у них присутствует одна особенность. Стало известно, что во всех колониях рабочие муравьи — стерильные самки, продолжительность жизни которых составляет от нескольких недель до нескольких лет, являлись гибридами. Около половины их ДНК совпала с ДНК степного муравья-жнеца (Messor structor), то есть с представителем другого вида.
По мнению Ромигье и его соавторов, наиболее вероятным сценарием было рождение самок от самцов Messor structor, которые появились на свет после соединения их «отцов» и королевы Messor ibericus. Межвидовое скрещивание происходит у некоторых других видов муравьев, но пока ученые не знают почему. Существует два наиболее вероятных объяснения. Первое — гетерозис, в некоторых случаях потомство, возникшее в результате скрещивания двух тесно связанных видов, демонстрирует повышенную жизнеспособность и лучшее здоровье.
Возможно, второе объяснение кроется в особенностях генетики Messor ibericus. При размножении королевы с самцами своего вида все ее потомки становятся новыми королевами. Рабочие особи не формируются, и без них колония не может существовать. Скрещивание с особями другого вида может являться эволюционным способом преодоления этой проблемы.
Но загадка в том, что колонии Messor ibericus встречаются и в регионах, где Messor structor вовсе не живут. Например, на той же Сицилии. И все же там в гнездах исследователи находили странных самцов без волосков на теле, похожих на Messor structor. Как такое возможно?
Понять природу парадокса позволило генетическое исследование особей, считавшихся «чужаками». Ромигье и его соавторы изучили митохондриальную ДНК этих самцов – небольшой фрагмент генома, передаваемый исключительно по материнской линии. В результате выяснилось, что она соответствует ДНК другого вида Messor ibericus. Это могло означать лишь одно: самцы были потомством матери Messor structor была королева Messor ibericus.
Для проверки выдвинутой гипотезы исследователи провели сбор образцов, взяв под наблюдение около 50 колоний иберийских муравьев-жнецов, и в течение двух лет изучали их поведение в лабораторных условиях. Создание самцов в неволе представляет собой весьма непростая задача. Однако, несмотря на трудности, ученым удалось получить результат: в лаборатории появились три гибридных самца. Это подтвердило: королева Messor ibericus действительно способна производить на свет самцов двух видов — своего и чужого.
Как осуществляется оплодотворение, учитывая отсутствие живых особей другого вида в исследуемых колониях? Наиболее вероятным объяснением представляется клонирование «чужаков» на основе спермы Messor structor, хранящейся в специализированном органе, называемом сперматекой.
Яйцо королевы несет в себе ее генетический код. В случае отсутствия оплодотворения сперматозоидом, из него формируется самец Messor ibericus, если оплодотворено — самка, которая станет будущей королевой. Это означает, что самцы своего вида развиваются исключительно из генов матери, без вклада отцовских генов, в то время как самки, наоборот, формируются с участием отца. Такую форму размножения называют гаплодиплоидным.
Если в прошлом королева Messor ibericus спарилась с самцами своего вида и Messor structor, в ее сперматеке хранятся два типа спермы: собственная (от Messor ibericus) и «чужая» (от Messor structor). Когда королева производит на свет самца Messor structor, она использует сперму, не принадлежащую ей. Однако она применяет ее не для естественного оплодотворения, а как носитель генетической информации для создания клона. Вместо оплодотворения происходит замена генетического материала яйцеклетки генетическим материалом сперматозоида.
Сперматозоид Messor structor, по всей видимости, полностью разрушает или деактивирует ядерную ДНК яйцеклетки королевы. Затем ДНК самца Messor structor, для формирования эмбриона используется специализированный механизм. В яйце сохраняется лишь митохондриальная ДНК королевы-матери, что приводит к созданию копии (клона) самца, поскольку воспроизводятся гены отца, а вклад матери незначителен.
Благодаря этому механизму обеспечивается выживание всей колонии. Королевы откладывают яйца, из которых появляются два типа репродуктивных самцов. Ее дочери, которые в будущем станут королевами, скрещиваются с самцами своего вида, Messor ibericus, для воспроизводства нового поколения маток используются специальные технологии. А чтобы сформировать армию рабочих, особи женского пола применяют самцов, являющихся генетическими копиями Messor structor. Их сперма способна давать жизнеспособное гибридное потомство, необходимое для рабочей силы, а также генерировать новых клонированных самцов Messor structor для будущих поколений.
В природе известны случаи, когда сперма самца одного вида проникает в яйцеклетку самки другого вида и вызывает развитие гибридного потомства, это можно назвать обманом. Однако подобный паразитизм приносит пользу исключительно самцу. У иберийских муравьев-жнецов сложилась иная система, основанная на взаимовыгодном симбиозе.
Королевам необходимы клонированные самцы для поддержания жизни колонии, а им, в свою очередь, нужна королева для размножения. Помимо этого, эти особи, которых называют «чужаками», существуют и защищаются благодаря гибридным рабочим, которые обеспечивают питание и охраняют всех. И еще один важный момент: отсутствуют данные, что клоны Messor structor когда-либо спаривались с самками своего вида, то есть они не возвращаются к «родной» половой репродукции.
Поскольку клоны Messor structor не получают новых генов извне, они накапливают опасные мутации. Это делает всю линию уязвимой и в долгосрочной перспективе может привести к ее вырождению. Однако пока механизм работает. Колонии Messor ibericus успешно распространяются по Средиземноморью, занимая даже те регионы, где Messor structor ранее не встречался.
Результаты исследования представлены в журнале Nature.