يعيش النمل 10 مرات أطول من خلال تغيير استجابات الأنسولين

تميل الحيوانات التي تنتج العديد من النسل إلى أن تكون لها حياة قصيرة ، بينما تميل الأنواع الأقل إنتاجًا إلى العيش لفترة أطول. تضع الصراصير مئات البيض بينما تعيش أقل من عام. تنجب الفئران عشرات الأطفال خلال عام أو عامين من حياتهم. تنتج الحيتان الحدباء عجلًا واحدًا فقط كل سنتين أو ثلاث سنوات وتعيش لعقود. يبدو أن القاعدة العامة تعكس الاستراتيجيات التطورية التي توجه الموارد الغذائية إما إلى التكاثر بسرعة أو إلى النمو بشكل أكثر قوة للحصول على ميزة طويلة الأجل.

لكن ملكات النمل يمكن أن يحصلن على كل شيء. في بعض أنواع النمل ، تعيش الملكات أكثر من 30 عامًا بينما تضع الآلاف والآلاف من البيض الذي يصبح كل العاملات في العش. في المقابل ، تعيش النمل العامل ، وهي إناث لا تتكاثر ، إلا شهورًا. ومع ذلك ، إذا تطلبت الظروف ذلك ، يمكن للعاملين في بعض الأنواع أن يتقدموا ليصبحوا ملكات زائفة من أجل خير العش - ولجني امتداد كبير في فترة حياتهم.

ما يحكم هذا النطاق الهائل في مدى حياة النمل غير مفهوم جيدًا ، لكن دراستين حديثتين كشفتا عن تفاصيل مهمة حول ما يجعل فترات حياة النمل مرنة للغاية. In علوم، أظهر باحثون في جامعة نيويورك أن بعض ملكات النمل ينتجون بروتينًا يثبط تأثير الشيخوخة للأنسولين حتى يتمكنوا من تناول كل الطعام الإضافي اللازم لوضع البيض دون تقصير حياتهم. و في نسخة أولية نشر باحثون في ألمانيا مؤخرًا على خادم biorxiv.org وصفًا لطفيليًا يطيل بشكل كبير حياة مضيفه من النمل عن طريق إفراز مزيج غني من مضادات الأكسدة والمركبات الأخرى. تضيف الدراستان إلى الدليل على أن فترات الحياة المرصودة للكائنات لا علاقة لها بالقيود التي تفرضها جيناتها.

قال "معظم الدراسات حول الشيخوخة أجريت على كائنات نموذجية لها فترات حياة قصيرة للغاية" لوران كيلر، أستاذ علم البيئة والتطور في جامعة لوزان في سويسرا. وأوضح أن الحشرات الاجتماعية توفر فرصًا رائعة لدراسة أهمية التعبير الجيني في الشيخوخة لأن الملكة والعاملين في المستعمرة غالبًا ما يكون لديهم نفس الجينوم ولكنهم يختلفون في فترات حياتهم بترتيب من حيث الحجم. (قبل عقدين من الزمان ، أظهر كيلر أن ملكات النمل تعيش حوالي 100 مرة أطول من حشرات الأجداد الانفرادية التي نشأ منها النمل).

ولأن العمال لم يعمروا طويلاً ، "يمكنك محاولة معرفة كيفية جعلهم يعيشون لفترة أطول ،" قال أرجونا راجاكومار، زميل ما بعد الدكتوراه الذي يدرس الآن قيود الإنجاب على النمل العامل في معهد وايتهيد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وقد أكمل مؤخرًا عمله في الدراسات العليا في جامعة ماكجيل. الاحتمال المثير هو أن آليات التمثيل الغذائي التي تطيل عمر الحشرات قد تنطبق أيضًا على أنواع أخرى ، بما في ذلك البشر. قال: "نريد أن نفهم كيف تجعل شيئًا ما يعيش لفترة أطول ، وليس [فقط] لماذا يعيش شيء ما لفترة طويلة".

تناول المزيد مع تقدم العمر أقل

على مدى عقود ، أشارت الدراسات إلى الأنسولين ونظام الإشارات البيوكيميائية الذي ينشطه كمنظمين رئيسيين للشيخوخة. يؤثر الأنسولين على كيفية امتصاص خلايا الجسم للجلوكوز السكري واستخدامه ، لذلك فإن له تأثيرًا أساسيًا على كمية الطاقة المتاحة للخلايا للنمو والتكاثر والإصلاح. في هذه العملية ، ينظم أيضًا إنتاج الجذور الحرة التي يحتمل أن تكون ضارة وجزيئات مؤكسدة أخرى هي منتجات ثانوية لعملية التمثيل الغذائي. يعتقد العديد من الباحثين أن هذا هو السبب في أن الأنظمة الغذائية المقيدة للسعرات الحرارية ، والتي تحافظ على مستويات الأنسولين منخفضة ، يبدو أنها تطيل عمر العديد من الأنواع.

علاوة على ذلك ، يبدو أن الأنسولين قد أضاف أهمية للنمل. منذ عدة سنوات ، قاد عمل عالم الأحياء التطوري دانيال كروناور في جامعة روكفلر أظهرت أن التغييرات في كيف يستجيب النمل للأنسولين يبدو أنهم أقنعوهم بتطوير مجتمعات استعمارية إيثارية مع ملكات الإنجاب والعاملين غير المنتجين.

حتى قبل أربع سنوات ، متى فيكرام شاندرا كان طالب دراسات عليا في جامعة روكفلر يدرس الاختلافات بين ملكات النمل والشغالات، وكان الأنسولين يشغل تفكيره كثيرًا. هو و إنغريد فيتر-برونيدا، زميل ما بعد الدكتوراه في المختبر في ذلك الوقت، شارك في قيادة فريق نظر في التعبير الجيني في سبعة أنواع من النمل وخلص إلى أن إشارات الأنسولين حدثت في أدمغة الملكات أكثر من العمال. عندما قاموا بحقن شغالات النمل بالأنسولين، أدى ذلك إلى تنشيط المبايض النائمة وتحفيز نمو البويضات. ووفقا لكروناور، الذي أشرف على الدراسة، أظهرت هذه النتائج أن إشارات الأنسولين تسببت في تكاثر النمل.

وضع هذا الاكتشاف الأساس لعمل جديد تم إجراؤه كجزء من تعاون طويل الأمد بين علماء الأحياء كلود ديبلان و داني راينبرغ في جامعة نيويورك. لقد أظهروا أن التطور قد أعاد توصيل بعض مكونات مسار إشارات الأنسولين لدى النمل بطرق يمكن أن تفسر سبب عيش الملكات لفترة أطول.

درس ديسبلان ورينبرغ النمل القافز الهندي (مملح Harpegnathos) ، التي تعيش ملكاتها حوالي خمس سنوات ويعيش عمالها حوالي سبعة أشهر فقط. لكن في هذا النوع ، هذا الاختلاف في مدى الحياة ليس ثابتًا. إذا ماتت ملكة أو تم إخراجها من المستعمرة ، يشعر العمال بالتغيير على الفور تقريبًا من اختفاء رائحتها. بعد ذلك يصبح بعضهم "ملكات زائفة" (ملكات زائفة) تتنافس من أجل الهيمنة لتحل محلها. في النهاية ، يتولى عدد قليل من اللاعبين الفائزين - عادة ما بين ثلاثة وخمسة أعوام - دور الملكة بصفتهم طبقات البيض للمستعمرة. ثم يقوم عمال آخرون "بمراقبة" أي لاعبين لا لزوم لها ، ويمنعونهم بالقوة من وضع البيض.

ومع ذلك ، فإن سلوك اللاعبات ليس هو الشيء الوحيد الذي يتغير: فهم يطورون مبايض وظيفية ويمكن أن يضعوا البيض - وتمتد فترة حياتهم إلى ثلاث أو أربع سنوات. نظرًا لأن الألعاب ليست غزيرة مثل الملكات ، فعادة ما يستغرق الأمر من ثلاثة إلى خمسة منها لتحل محل إنتاج الملكة من البيض. إذا تم إدخال gamergate إلى مستعمرة تعيش فيها ملكة ، فإن اللاعب يعود إلى كونه عاملاً ويقصر عمرها الافتراضي.

عندما يصبح العامل لاعبًا ، يتغير التمثيل الغذائي الخاص به. إنها تأكل أكثر ، والارتفاع الناتج في مستويات الأنسولين لديها يؤدي إلى نمو المبايض. تستخدم الطعام لصنع الدهون التي يتم تعبئتها في البيض. ولكن من الدراسات السابقة للأنسولين والشيخوخة ، توقع باحثو جامعة نيويورك أن تكون إشارات الأنسولين الأكبر مرتبطة بعمر أقصر ، وليس أطول.

وجد الباحثون الإجابة مختبئة في تفاصيل إشارات الأنسولين. عندما يرتبط الأنسولين بمستقبلاته على سطح الخلية ، فإنه يطلق سلسلة من التفاعلات داخل الخلية ، بما في ذلك مساران كيميائيان متميزان. ينشط أحد المسارات إنزيمًا يسمى MAP kinase وهو أمر بالغ الأهمية لعملية التمثيل الغذائي وتطور المبيض. يقوم المسار الآخر بقمع عامل النسخ الذي يبدو أنه يعزز عمر أطول. ولدهشة الباحثين ، عندما نظروا إلى المبيض والجسم الدهني (وهو ما يعادل تقريبًا كبد الثدييات) في gamergates ، وجدوا أن مسار MAP kinase كان نشطًا ولكن الآخر لم يكن نشطًا.

أظهر المزيد من العمل أن المبايض من gamergates عبرت بقوة عن بروتين ، Imp-L2 ، الذي تجاهل مسار MAP kinase ولكنه يتداخل مع المسار الثاني في الجسم الدهني. قال ديبلان: "يبدو أن هذا البروتين له وظيفة حماية مسار واحد يسمح بالتمثيل الغذائي ، لكنه يثبط المسار الذي يؤدي إلى الشيخوخة".

يشير باحثون آخرون إلى أن الدراسة الجديدة لا تُظهر بشكل قاطع أن Imp-L2 يؤثر على مدى الحياة: لم يختبر Desplan و Reinberg بشكل مباشر ما إذا كان تنشيط البروتين لدى العمال سيجعلهم يعيشون لفترة أطول أو إذا كان تثبيطه في الألعاب سيؤدي إلى موتهم. عاجلا. تعتبر مثل هذه التجارب صعبة لأنها قد تتطلب حقن النمل بمثبطات الأنسولين لأشهر أو سنوات.

ومع ذلك ، فإن اقتراح ديبلان ورينبيرج بأن النمل يتلاعب بالفروع المختلفة لنظام إشارات الأنسولين هو "فرضية معقولة حقًا ومثيرة للاهتمام" ، كما قال تشاندرا ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه حاليًا في جامعة هارفارد. "إذا حفز المزيد من المعامل على محاولة اختبار هذا ، فسيكون ذلك رائعًا للغاية."

نظرًا لأنه من الأسهل إجراء تجارب جينية على ذباب الفاكهة مقارنة بالنمل ، فإن فريق ديسبلان يرى الآن ما إذا كان بإمكانهم إطالة عمر ذبابة الفاكهة ذباب الفاكهة عن طريق تنشيط تعبيرها عن Imp-L2. في يوم من الأيام ، يأمل Desplan أن يجرب التجربة على الفئران أيضًا. قال "لدينا الكثير من العمل المثير الذي يتعين القيام به".

الطفيلي الذي يطيل الحياة

في تطور غريب ، يبدو أن الطبيعة قامت بالفعل بتشغيل نسختها الخاصة من تجربة مماثلة في نوع آخر. اكتشف باحثون في ألمانيا مؤخرًا أن الدودة الشريطية الطفيلية قد طورت قدرتها على التلاعب باللدونة الشديدة لفترات حياة النمل لصالحها.

يجب أن تقضي الدودة الشريطية جزءًا من حياتها داخل نمل البلوط (تيمنوثوراكس نيلاندري) ، والتي تحصل على أسمائهم من الأعشاش التي يبنونها داخل الجوز الفردي. عندما يخرج العمال للبحث عن الطعام ، يأكلون أحيانًا بيضة الدودة الشريطية ويصابون بالعدوى. ولكن لإكمال دورة حياتها ، تحتاج الدودة الشريطية أيضًا إلى إصابة نقار الخشب ، وتنال هذه الفرصة عندما يأكل نقار الخشب منازل البلوط للنمل.

قبل بضع سنوات ، سارة بيروس ، طالبة في مختبر سوزان فوتسيك في جامعة يوهانس جوتنبرج في ماينز في ألمانيا ، فتحت بعض أعشاش النمل البلوط وتوصلت إلى اكتشاف غريب أنه في حين أن جميع العمال غير المصابين ماتوا خلال شهور المراقبة ، فإن المصابين لم يموتوا. (من السهل التعرف على النمل المصاب بالطفل لأن لونه يتحول من البني إلى الأصفر). عندما أخبر بيروس فويتسيك عن ذلك ، يتذكر فويتزيك التفكير ، "هذا غير ممكن. كل شيء يموت." لكن بيروس كان مصرا ، "ولذا نظرنا في الأمر بشكل صحيح."

في العمل قدم الصيف الماضي في اجتماع الاتحاد الدولي لدراسة الحشرات الاجتماعية ونشر قبل عيد الميلاد مباشرة على خادم ما قبل الطباعة biorxiv.orgأظهر فريق فويتزيك أنه خلال مرحلة يرقات الدودة الشريطية في النمل ، تقوم بضخ البروتينات في الدم المكافئ للنمل (الدملمف) الذي يطيل عمر العامل بشكل كبير. على عكس النمل القافز الهندي ، لا يتطور نمل البلوط عادةً إلى gamergates ، وبالتالي فإن إطالة الطفيلي في حياته ليس له سابقة طبيعية.

قال كروناور: "التأثير قوي للغاية". خلال التجربة التي استمرت ثلاث سنوات ، عاش العمال المصابون خمسة أضعاف عمر العمال غير المصابين وأظهروا معدلات وفيات منخفضة مثل تلك الخاصة بالملكات. وقال إن التلاعب بالطفيلي أدى إلى إطالة العمر الافتراضي للعمال إلى حد كبير "لدرجة أنه لا يمكنك في الأساس تمييزه عن حياة الملكة".

قال فويتزيك إنه على الرغم من أن عمال نملة البلوط المصابة لا يتكاثرون ، إلا أنهم يصبحون أكثر شبهاً بالملكة من عدة نواحٍ: إنهم يعملون بشكل أقل ويجتذبون رعاية أكثر يقظة من العمال غير المصابين في المستعمرة. إذا تمت إزالة الملكة من العش ، فإنهم أيضًا أول عاملين يطورون المبايض.

وجدت فويتسيك وفريقها أن يرقات الدودة الشريطية تنتج وتفرز أكثر من 250 بروتينًا في الدملمف للنمل المصاب - وهو ما يكفي لتشكل حوالي 7٪ من جميع البروتينات المنتشرة. لم يتم توصيف معظم البروتينات ، لكن يمكن التعرف على اثنين منها كمضادات للأكسدة. قالت: "يبدو أن [الدودة الشريطية] تطلق مضادات الأكسدة في النمل ، وهذا يمكن أن يزيد من عمر النملة".

عندما قامت فويتسيك وفريقها بقياس التغيرات في التعبير الجيني في النمل المصاب بالطفيليات ، وجدوا أن النمل المصاب يصنع أيضًا المزيد من مضادات الأكسدة. علاوة على ذلك ، كانت الملكات والعمال المصابون يعبرون أكثر عن جين يسمى فضي، لكن العمال غير المصابين لم يكونوا كذلك. ربط الباحثون سابقًا فضي لعمر ممتد في ذباب الفاكهة.

على الرغم من أنه من الواضح أن مجموعة من التغييرات التنموية والأيضية تحدث عندما يصبح العمال أكثر شبهاً بالملكة ، إلا أنه من الصعب التفريق بين التغييرات الأكثر أهمية لإطالة العمر الافتراضي. الأنسولين ومضادات الأكسدة مهمان ، لكن كيلر يعتقد أن العديد من العوامل الأخرى من المحتمل أيضًا أن تلعب دورًا. قال: "لذلك أعتقد أنه لن يكون هناك مسار واحد يشرح ببساطة الاختلاف في مدى الحياة - تحتاج إلى تغيير أشياء كثيرة ، على الأرجح".

يعتقد كيلر أن النتائج المتعلقة بالطفيليات رائعة لأن الطفيليات عادةً ما تقصر العمر بدلاً من إطالتها. ولكن في هذه الحالة ، يبدو أن إطالة عمر النملة تكيفي أيضًا مع الطفيل: تحتاج الدودة الشريطية إلى البقاء في النملة المصابة لفترة كافية حتى يتمكن نقار الخشب من العثور على البلوط وأكله. إذا مات العامل قبل ذلك ، فإن الدودة الشريطية تموت معها. من خلال إطالة عمر العامل بسنوات ، تعمل الدودة الشريطية على تحسين احتمالات ظهور نقار الخشب في النهاية. قد تساعد وفرة مضادات الأكسدة في الدملمف أيضًا على حياة يرقات الدودة الشريطية طالما يعيش مضيفها.

أوضح فوتسيك أن "الطفيل هنا يستغل مضيفًا اجتماعيًا". لن يكون من المنطقي تطفل اللافقاريات الانفرادية لأنها لا تعيش طويلًا أبدًا. "ولكن في حشرة اجتماعية ، حيث تعيش الملكات بالفعل في عش آمن لمدة 20 عامًا ، يمكنك لعب هذا النوع من الحيلة."

التصحيح: ٨ يناير ٢٠٢٣
أهملت نسخة سابقة من هذه المقالة ذكر مساهمات Fetter-Pruneda في الدراسة التي أجريت مع شاندرا حول الاختلافات في التعبير الجيني بين طبقات النمل.