Долгая жизнь в сложном коллективе

Зачем современной медицине пчелы? Времена яда, меда, прополиса и маточного молочка прошли. Точнее, эти продукты используют и сейчас, но в так называемой традиционной медицине. Конечно, медицина современная тоже может искать в этих и других продуктах жизнедеятельности медоносных пчел новые полезные соединения (вот, например, свежая статья о целебных веществах пчелиного воска: «Food and Chemical Toxicology»). Но в нашей статье речь пойдет о другом. А именно о том, как исследования поведения, биохимии, генетики и физиологии пчел помогут лучше понять человеческий организм, его способности и потребности.

Медоносные пчелы Apis mellifera — одни из немногих насекомых, которым человек нашел применение и одомашнил —в той степени, в которой беспозвоночных вообще можно одомашнить. Как и многие другие домашние животные, пчелы служат модельными объектами в биомедицинских исследованиях, темы которых бывают весьма неожиданными. Фото: flickr.com / Gilles San Martin

Неожиданное сходство

Казалось бы, что насекомые способны «рассказать» о млекопитающих? Не так уж мало. Ведь и Homo sapiens, и Apis mellifera — наиболее выдающиеся интеллектуалы среди своих ближайших родственников. И у тех и у других сложные внутригрупповые взаимоотношения. Не в том плане, что они часто конфликтуют (хотя и такое бывает), а в том, что человеческие общества и «социумы» медоносных пчел состоят из представителей разных «каст», в них есть разделение труда и наблюдается определенная иерархия.

Пчелы — животные эусоциальные. Вид называют эусоциальным, если одна его особь практически не в состоянии выжить без остальных. Представители такого вида живут группами, в которых часто присутствует не одно, а несколько поколений. Разные особи выполняют неодинаковые задачи — каждая свою. У каждой группы есть предводитель. Он часто крупнее и сильнее остальных и, в отличие от «простых» особей, способен размножаться. Тем не менее предводитель сам не может себя обеспечить, так что без услуг остальных членов группы он ограниченно жизнеспособен.

Действительно, в пчелином улье есть царица, способная производить яйца. Для ее оплодотворения существуют самцы — трутни. Ни царица, ни трутни сами себе пищи не добывают: их кормят рабочие особи — самки с недоразвитой половой системой. Получается, что ни одна «каста» не может без остальных.

Эусоциальность — явление довольно редкое. Оно присуще в первую очередь перепончатокрылым — отряду насекомых, в который помимо пчел входят муравьи, осы и некоторые другие более индивидуалистичные насекомые. Изначально сам термин относили только к ним. Позже эусоциальность нашли и у других беспозвоночных — жуков-грибовиков, отдельных видов тлей и раков-щелкунов.

Среди позвоночных эусоциальных животных почти нет. Однозначно к ним можно причислить только двух странных грызунов — голого землекопа Heterocephalus glaber и его менее известного родственника дамарского пескороя Fukomys damarensis. Чуть более спорный эусоциал — человек. О том, по каким признакам его можно отнести в ту же группу, что и пчел и голых землекопов, можно подробно прочесть в статье Сергея Ястребова «Эусоциальность и феномен человека» в «Химии и жизни», 2016, 12.

У многих эусоциальных видов есть одна занятная черта: главные особи в каждой группе живут существенно дольше, чем остальные, да при этом еще и размножаются. В чем-то это верно и для нас: богатые и знаменитые могут позволить себе медицинские услуги, продлевающие их жизнь или хотя бы повышающие ее качество при наличии болезней, но из-за своей редкости и дороговизны обычным людям недоступные.

У медоносных пчел такая особенность тоже есть. Царицы улья живут три-четыре года, а рабочие особи всего около шести месяцев. При этом родители у них одни и те же, просто личинок, которым суждено стать царицами, по-другому кормят. Получается, что особи, имеющие, по сути, одинаковую наследственность, отличаются по продолжительности жизни в шесть раз! А наиболее удачные попытки продлить жизнь представителей других видов действием внешних факторов — рационом с небольшим недобором калорий, пониженной температурой, антиоксидантами — давали увеличение ее срока максимум в три раза.

Многая лета царице

Вполне вероятно, что разгадка особо долгой жизни пчел-цариц лежит в их протеоме — наборе белков в клетках организма и их активности. Если удастся выяснить, какие конкретно вещества способствуют долголетию главенствующих самок этих насекомых, вполне вероятно, что прояснятся особенности старения и другого эусоциального вида — нашего собственного. Можно помечтать и о том, что найдется некий молекулярный переключатель, «нажав» на который, мы сможем обеспечить жизнь до ста лет если не всем людям, то хотя бы значительной их доле.

По крайней мере, именно на это надеется Томас Хан из Арканзасского университета в Литл-Роке. Он напоминает: многие животные, на которых сейчас исследуют механизмы старения и влияние на них внешних факторов, не обладают выдающимся долголетием ив целом мало отличаются продолжительностью жизни от своих ближайших родственников (пожалуй, единственное исключение — тот же голый землекоп). Мыши, круглые черви Caenorhabditis elegans, дрозофилы и прочие популярные модельные объекты используются в исследованиях старения только потому, что их генетика и физиология уже хорошо известны и понятно, как их разводить. При этом такого разброса продолжительности жизни, как в пределах всего лишь одного улья медоносных пчел, у этих животных нет, даже если его увеличивать искусственно.

Одно из вероятных различий цариц и рабочих особей медоносных пчел — активность фермента теломеразы. Именно этот белок, поддерживающий длину «защитных колпачков» концов хромосом, теломер, позволяет избежать порчи ДНК и последующего нарушения клеточных функций (и, по одной из теорий, играет важную роль в старении и его предотвращении). Соответственно, чем активнее теломераза, тем меньше вероятность ухудшения работы клеток и тканей и старения в целом.

И надо сказать, что активность теломеразы у медоносных пчел уже измерили («Chromosoma»). В расчет брали и личинок различных возрастов, и взрослых рабочих, и половозрелых цариц, и трутней. Оказалось, что теломераза у цариц действительно гораздо активнее, чем у бесплодных рабочих самок, —в 2,5—70 раз. Вот только закономерность эта наблюдалась лишь в тканях яичников (выше на 160%) и скоплениях нервных клеток, выполняющих функции головного мозга (в те самые 70 раз). А в соматических клетках, не относящихся к нервной системе, активность теломеразы у зрелых рабочих и цариц разнилась существенно меньше.

Впрочем, такой результат не означает, что молекулярно-биологические процессы внутри пчел-долгожителей не имеют никаких особенностей. Активность теломеразы — лишь один из факторов, способных повлиять на отпущенный организму срок. Есть и многие другие, и их у медоносных пчел еще лишь предстоит изучить. При этом логично начать с эпигенетических модификаций ДНК — ненаследуемых изменений доступности различных генов для «считывания». Очевидно, что у трутней, рабочих особей и цариц активность многих генов существенно отличается: ведь в пределах колонии генотип более-менее один и тот же, однако на его основе получаются совершенно разные по свойствам и способностям животные.

Иммунитет

Высокая плотность населения идет рука об руку с высоким риском эпидемий. Любые формы контакта между особями более вероятны, если эти особи обитают на небольшой территории. Это верно не только для жителей развивающихся стран вроде Индии, но и для медоносных пчел. Их точно так же, как и всех остальных живых существ, атакуют различные вирусы, грибы —в общем, разнообразные наружные и внутренние паразиты. Учитывая, что в одном улье может проживать до 80 000 особей, нетрудно себе представить, в какой тесноте они живут. Любая инфекция, если только она не «спящая», в такой обстановке будет распространяться как лондонский пожар 1666 года по деревянным домам.

Как пчелы борются с инфекциями? С помощью индивидуального и социального иммунитета («Current Opinion in Insect Science» - полный текст). Индивидуальный иммунитет у них — это в первую очередь сигнальные пути Toll, Imd, Jak-STAT и JNK, хорошо описанные на примере дрозофил. Играют немалую роль и интерферирующие РНК, мешающие копировать генетический материал вирусов, и конечно же рецепторы к молекулам, характерным для организмов патогенов. А вот социальный иммунитет, отсутствующий у дрозофил и большинства прочих насекомых, у пчел основан на сложных формах поведения. Рабочие особи, которых в колонии подавляющее большинство, выполняют небольшие индивидуальные задания, а суммарный результат их выполнения уже обеспечивает защиту всем насекомым улья.

Какие это могут быть задачи? Например, выбросить из улья или съесть смертельно больную или уже погибшую сестру либо личинку, чтобы ее паразиты не инфицировали остальных. Выбор стратегии зависит от того, жива ли «жертва» или успела основательно разложиться: тех, кто мертв вторые или третьи сутки, не едят, а выкидывают. Некоторые рабочие, видимо, понимая, что жить им осталось недолго, сами выползают за пределы улья и погибают вне его.

Помимо этих санитарных мер, пчелы практикуют и профилактику болезней. Собираются в кучи они не только для того, чтобы не замерзнуть зимой, но и для того, чтобы убить паразитов, плохо переносящих повышенные температуры. В их число входит гриб Ascosphaera apis. А собранный рабочими особями прополис служит водоотталкивающим и воздухонепроницаемым заслоном от бактерий и вирусов. Им замазывают щели улья. К тому же в прополисе содержатся вещества, повышающие активность пчелиных генов, чьи белки участвуют в работе иммунной системы.

Многие из этих идей люди, конечно, уже используют, чтобы предотвратить распространение инфекций в густонаселенных местностях. Тем не менее у медоносных пчел почти наверняка можно подсмотреть еще много полезного эпидемиологам. К примеру, интерферирующие РНК Apis mellifera точно стоит изучить подробнее.

Заключение

Помимо перечисленных исследований, медоносных пчел используют в качестве модельных объектов ив экспериментах на другие темы. Так, в 2017 году выяснилось, что среди рабочих особей этого вида есть «аутисты», почти не взаимодействующие с другими обитателями улья (см. «Химию и жизнь», 2017, 11). Вероятно, молекулярные механизмы такой особенности поведения помогут нам понять кое-что и о человеческих расстройствах аутистического спектра. Также интересно узнать, как пчелы справляются с этанолом, попадающим в их организм из дрожжей и прочих грибов, обитающих в ульях, и из ферментированного нектара, и что побуждает их добровольно потреблять растворы этилового спирта крепостью до 50 градусов.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2018) на с. 30 — 31.