Исследователи из Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне (HHU) изучили, как сложное кооперативное поведение медоносных пчел (Apis mellifera) генетически запрограммировано таким образом, чтобы оно могло передаваться последующим поколениям.
Поведенческие взаимодействия между организмами являются фундаментальными и часто наследуются. Каждый человек и каждое животное взаимодействуют с другими особями в своей социальной группе тем или иным образом посредством своего поведения. В животном мире это имеет значительные преимущества в коллективном поиске пищи, защите от хищников и выращивании потомства.
У некоторых животных, таких как медоносные пчелы, связи социального поведения настолько сильны, что отдельные члены образуют сплоченное общество, которое функционирует коллективно как единый «суперорганизм». Благодаря своему индивидуальному поведению тысячи рабочих пчел защищают всю колонию, кормят ее и заботятся о потомстве.
Профессор, доктор Мартин Бей, возглавляющий Институт эволюционной генетики в HHU и являющийся соавтором исследования, подчеркивает: «Поведенческий репертуар отдельных пчел и их функции в колонии не приобретаются, а наследуются. До сих пор не было известно, как такое сложное поведение генетически кодируется».
Совместно с коллегами из университетов Франкфурта-на-Майне, Оксфорда и Вюрцбурга группа исследователей HHU обнаружила, что особый ген, известный как dsx (doublesex), определяет поведение, специфичное для рабочих пчел.
Ген программирует, будет ли рабочая пчела выполнять то или иное задание в колонии и как долго. Это включает в себя коллективные задачи, такие как уход за личинками или добыча пищи, а также социальные обмены, например, по поводу источников пищи.
Биологи использовали «генетические ножницы» CRISPR/Cas9 в своих исследованиях, чтобы изменить или отключить ген dsx у выбранных пчел. Они прикрепили QR-код к обработанным пчелам, затем отслеживали их поведение в улье с помощью камер. Полученные видеопоследовательности были проанализированы с помощью искусственного интеллекта для определения индивидуальных поведенческих моделей пчел.
«Наш центральный вопрос заключался в том, изменились ли и каким образом унаследованные поведенческие модели в результате генной модификации. Такие изменения должны отражаться в нервной системе рабочих пчел, где контролируется определенное поведение» — говорят ученые.
Исследователи ввели зеленый флуоресцентный белок (GFP) в последовательность dsx, чтобы GFP производился вместе с белком dsx. Затем нейронные цепи можно было просматривать с помощью флуоресцентной микроскопии как у немодифицированных пчел, так и у пчел с генетическими модификациями.
«Мы смогли использовать эти инструменты, чтобы точно увидеть, какие нейронные пути создает ген dsx в мозге и как этот ген, в свою очередь, определяет унаследованные поведенческие модели медоносных пчел», — объясняет Яна Сейлер, которая также является соавтором исследования.
«Наши результаты указывают на фундаментальную генетическую программу, которая определяет нейронную сеть и поведение рабочих пчел».
На следующем этапе исследователи хотят перейти от уровня отдельной медоносной пчелы к уровню суперорганизма пчелиной колонии. Алина Штурм, которая также является научным сотрудником HHU и соавтором исследования, добавляет: «Мы надеемся найти связь между индивидуальным программированием и скоординированным поведением многих индивидуумов».