Все новости

Королевская диета. Как еда определяет судьбу пчелы: старение, иммунитет и социальная несправедливость

© Muhammad Mahdi Karim / wikimedia commons / GNU Free Documentation License 1.2
Сегодня в журнале Cell Reports выходит статья, посвященная горизонтальному переносу РНК между пчелами. Оказалось, что пчелы в улье обмениваются молекулами РНК через маточное молочко: одни их выделяют, другие поглощают и выделяют снова. В связи с этим «Чердак» вспоминает, какие еще необычные вещества можно обнаружить в пчелином рационе и как они связаны с кастовой структурой сообщества.

В улье медоносной пчелы Apis mellifera царит диктатура: большая часть ресурсов и эксклюзивное право на размножение сосредоточены в лапках пчелы-царицы. Остальным же самкам — рабочим пчелам — достались повседневные заботы: они собирают нектар и выкармливают потомство. Однако это разделение на касты не передается по наследству: большинство детей царицы становится такими же рабочими пчелами, как и их тетки. Исключение составляют только самцы-трутни, которые, в отличие от самок, развиваются из неоплодотворенных яиц. 

Истоки этого неравенства до сих пор не ясны. Коль скоро дело не в генах, значит, социальной стратификацией занимается какой-то внешний фактор. Главный кандидат на эту роль — еда.

В течение первых трех дней жизни все пчелы питаются одинаково: их единственное блюдо — маточное молочко. Это жидкость, которую выделяют рабочие пчелы-няньки из своих внутриротовых желез. В составе молочка белки и сахара (каждых примерно по ⅙ части), жиры (их существенно больше) и вода. Судя по всему, в ходе этой трапезы одна из личинок иногда оказывается прожорливее других. Она вырастает более крупной и постепенно становится царицей. Если это произошло, то до конца своих дней (а они у нее необычно долгие, но об этом позже) она продолжает питаться маточным молочком, в то время как простые пчелы переходят на мед, пыльцу и цветочный нектар.

Однако было бы наивно полагать, что царицу отличает от сестер только размер. При ближайшем рассмотрении оказывается, что их организмы устроены совсем по-разному, хотя бы потому, что царица размножается, а у рабочих пчел даже не развиваются половые органы. Кроме того, царица живет в среднем 3-5 лет, а ее сестры — несколько месяцев, в лучшем случае — 9, с учетом зимовки. Это заставляет думать, что маточное молочко не просто питательная водица, а инструмент программирования пчелиной судьбы. И действительно, чем дальше, тем больше неожиданных веществ в нем удается обнаружить.

Пчеловек-паук

Неравенство начинается еще на уровне геометрии сот. Большинство рабочих пчел развиваются в горизонтальных ячейках, но для будущих королев построены отдельные, более вместительные покои. Единственный их недостаток — они выглядят как перевернутый колодец: выход из них внизу. Поэтому пчелиной принцессе нужно как-то закрепиться в своей каморке, чтобы не выпасть из родительского дома.

Рабочие пчелы вокруг будущей ячейки для принцессы
Описание
Рабочие пчелы вокруг будущей ячейки для принцессы

На помощь тут вновь приходит маточное молочко. Пара белков из его состава — аписимин и MJP1способны полимеризоваться. В организме пчелы-кормилицы они находятся в нейтральной среде, поэтому остаются жидкими и не связаны друг с другом. А в королевской ячейке среда более кислая, и белки образуют вязкую нить, которая и удерживает пчелу земному тяготению назло. Механизм этой реакции такой же, как и при образовании паутины (и похож на формирование белковых комочков при болезни Альцгеймера, хотя это совсем другая история), — застывание при изменении кислотности. Получается, что будущая начальница улья буквально висит на собственной еде. Правда, чтобы этот механизм работал, нужно, чтобы в молочке поддерживалась достаточная концентрация белков, а пчела непрерывно их поглощала, устанавливая контакт с нитью.

Подкормка для мозга

Белки, которыми кормят юных пчел, содержат 26 разных аминокислот. Но кажется, ключевой оказывается лишь одна из них, далеко не самая распространенная, тирозин. Она служит предшественником для множества биогенных аминов, гормонов и медиаторов. Один из них — дофамин, вероятно, участвует в половом созревании царицы. По крайней мере, в ее мозге дофамина существенно больше, чем у рабочих пчел. А если сознательно добавить пчелам в еду избыток тирозина, у них начинают развиваться яичники и королевские замашки: они перестают заниматься своим привычным делом — вылетать из улья на поиск пропитания.

Никакой химии

Еще 50 лет назад энтомологи заметили, что пчелы-кормилицы различают своих подопечных не только по полу, но и по касте. При этом детей рабочих они то и дело подкармливают цветочной пыльцой, а вот принцессам пыльцы не достается. Долгие годы причины такой избирательности оставались неизвестными: пыльца в основном состоит из белков, но их там не так много, чтобы они всерьез могли повлиять на калорийность пищи.

Но недавно появилась гипотеза, согласно которой поведение кормилиц нужно интерпретировать строго наоборот: они не отдают предпочтение рабочим пчелам, а оберегают будущую царицу. Пыльца содержит биоактивные вещества, с помощью которых растения, например, могут регулировать численность поедающих их насекомых, и от них принцессу следует оградить. Вероятно, таким веществом является р-кумаровая кислота. По крайней мере, если кормить ей принцесс насильно,  развитие яичника у них останавливается и царицами они вырасти уже не могут.

Царское спокойствие

Еще одно важное различие между «молочной» и «пыльцевой» диетами — жировой состав. В течение первой недели жизни, пока все пчелы развиваются в ячейках, мембраны их клеток собраны из одинакового набора фосфолипидов. В их состав входят так называемые мононенасыщенные жирные кислоты с длинными углеводородными хвостами, в которых есть лишь одна двойная (ненасыщенная) связь. По мере перехода рабочих особей на питание пыльцой в их мембранах накапливаются другие фосфолипиды с полиненасыщенными кислотами, то есть содержащие несколько двойных связей.

Опасность их в том, что при окислительном стрессе (который может быть вызван физическими нагрузками, перепадами температуры или действием токсинов) полиненасыщенные кислоты легко превращаются в радикалы — высокоактивные молекулы. Возникает цепная реакция: липиды разрушают друг друга, превращаясь в радикалы, и, как следствие, клетки гибнут. В организме царицы же этого не происходит, потому что ее мембраны крепче. И, вероятно, эта стрессоустойчивость позволяет ей прожить беззаботную и долгую жизнь.

Молодящее молоко

Пчелиную царицу всю жизнь кормят, как ребенка, и это неспроста. В некотором смысле ее необычно длинная жизнь как раз и объясняется тем, что ее постоянно удерживают в детском состоянии, не давая по-настоящему взрослеть. В маточном молочке обнаружили белок ройалактин, буквально «создающий королеву». Он запускает в клетках царицы механизм репрограммирования, то есть раскручивания ДНК.

С возрастом ДНК в клетке все сильнее сворачивается и все меньше генетической информации становится доступно. На молекулярном уровне это выглядит следующим образом: в ходе жизни на ДНК навешиваются метильные группы, которые способствуют скручиванию, как клей. Ферменты деметилазы их отщепляют, не давая ДНК сворачиваться, а клетке — стареть. Ройалактин активирует деметилазы, продлевая таким образом жизнь царице. Мышиные клетки он тоже, кстати, поддерживает в зародышевом состоянии, запрещая им взрослеть. Правда, сведений о том, помогает ли он как-то человеку, пока нет.

Молекулярные доносы

Наконец, в маточном молочке нашли молекулы РНК. Строго говоря, о том, что разные животные поглощают РНК извне, знали и до этого, но только сейчас появилась гипотеза о том, зачем это нужно пчелам. Оказалось, что собственной РНК пчел — всего 3,5% в маточном молочке и 0,6% в молочке, которым питаются рабочие особи. Зато 25% и 17% соответственно составляют ДНК потенциальных патогенов: вирусов, бактерий и грибов.

Эти молекулы попадают в организм рабочей пчелы с едой, всасываются сквозь стенку кишечника в гемолимфу (аналог крови), оттуда попадают в железы, выделяющие молочко, и снова выходят наружу с молочком. При этом другие пчелы, в том числе и царица, получают короткие фрагменты чужеродной РНК — молекулярные доносы на потенциального врага.

Эти короткие нити РНК могут проникать в клетки и помогать там бороться с врагом, если он вдруг решит атаковать, посредством РНК-интерференции. Короткая нить-донос может слипнуться с длинной РНК врага, сформировав двунитевой комплекс. Но в норме в эукариотической клетке не бывает двухцепочечной РНК, поэтому она воспринимается как вражеская и тут же расщепляется. Таким образом, РНК в молочке работает как вакцина. А каждая пчела, поедающая чужую РНК, работает на благо коллективного иммунитета, собирая информацию о возможных патогенах и распространяя ее по улью.

 Полина Лосева