נמלים חיות פי 10 יותר על ידי שינוי תגובות האינסולין שלהן

בעלי חיים שמייצרים צאצאים רבים נוטים להיות בעלי חיים קצרים, בעוד שמינים פחות פוריים נוטים לחיות זמן רב יותר. ג'וקים מטילים מאות ביצים בעודם חיים פחות משנה. לעכברים יש עשרות תינוקות במהלך שנת או שנתיים לחייהם. לווייתני גבנון מייצרים רק עגל אחד כל שנתיים או שלוש וחיים עשרות שנים. נראה שכלל האצבע משקף אסטרטגיות אבולוציוניות שמתעלות משאבים תזונתיים או להתרבות מהירה או להגדלת איתנות יותר לטובת יתרון ארוך טווח.

אבל מלכות נמלים יכולות לקבל הכל. בכמה מיני נמלים, המלכות חיות יותר מ-30 שנה תוך הטלת אלפי על אלפי הביצים שהופכות לכל הפועלות בקן. לעומת זאת, נמלים פועלות, שהן נקבות שאינן מתרבות, חיות חודשים בלבד. עם זאת, אם הנסיבות דורשות זאת, העובדים של מינים מסוימים יכולים להתקדם להפוך לפסאודו-מלכות לטובת הקן - ולקצור הארכה משמעותית באורך חייהם.

מה שולט בטווח העצום הזה בתוחלת החיים של נמלים אינו מובן היטב, אך שני מחקרים עדכניים חשפו פרטים חשובים על מה שהופך את תוחלת החיים של נמלים לגמישה כל כך. In מדע, חוקרים מאוניברסיטת ניו יורק הראו שחלק ממלכות הנמלים מייצרות חלבון שמדכא את השפעת ההזדקנות של האינסולין, כך שהן יכולות לצרוך את כל המזון הנוסף הדרוש להטלת הביצים שלהן מבלי לקצר את חייהן. ובתוך הדפס מקדים חוקרים בגרמניה, שפורסם לאחרונה בשרת biorxiv.org, תיארו טפיל שמאריך מאוד את חייהם של מארח הנמלים שלו על ידי הפרשת קוקטייל עשיר של נוגדי חמצון ותרכובות אחרות. שני המחקרים מוסיפים לראיות כי לתוחלת החיים הנצפית של אורגניזמים אין קשר קטן למגבלות המוטלות על ידי הגנים שלהם.

"רוב המחקרים על הזדקנות נעשים על מודלים של אורגניזמים בעלי תוחלת חיים קצרה מאוד", אמר לורן קלר, פרופסור לאקולוגיה ואבולוציה באוניברסיטת לוזאן בשוויץ. חרקים חברתיים, הוא הסביר, מציעים הזדמנויות מרתקות לחקור את החשיבות של ביטוי גנים בהזדקנות מכיוון שלמלכה ולעובדים במושבה יש לרוב אותו גנום אך שונים בתקופת חייהם בסדר גודל. (לפני שני עשורים, קלר הראה שמלכות נמלים חיות בערך פי 100 יותר מהחרקים הקדומים הבודדים שמהם התפתחו נמלים).

ומכיוון שהעובדים הם קצרי מועד, "אתה יכול לנסות להבין איך לגרום להם לחיות יותר", אמר ארג'ונה ראג'קומאר, עמית פוסט-דוקטורט שחוקר כעת את אילוצי הרבייה על נמלים עובדות במכון ווייטהד במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, לאחר שסיים לאחרונה את עבודת התואר שלו באוניברסיטת מקגיל. האפשרות המרגשת היא שהמנגנונים המטבוליים שמאריכים את חייהם של החרקים עשויים לחול גם על מינים אחרים, כולל בני אדם. "אנחנו רוצים להבין איך אתה גורם למשהו לחיות יותר זמן, לא [רק] למה משהו חי כל כך הרבה זמן", אמר.

לאכול יותר תוך כדי הזדקנות פחות

במשך עשרות שנים, מחקרים הצביעו על אינסולין ועל מערכת האיתות הביוכימית שהוא מפעיל כמווסת מפתח של הזדקנות. אינסולין משפיע על האופן שבו תאי הגוף קולטים ומשתמשים בגלוקוז הסוכר, ולכן יש לו השפעה מהותית על כמות האנרגיה הזמינה לתאים לצמיחה, רבייה ותיקון. בתהליך זה, הוא גם מסדיר את יצירת רדיקלים חופשיים שעלולים להזיק ומולקולות מחמצנות אחרות שהן תוצרי לוואי של חילוף החומרים. חוקרים רבים חושדים שזו הסיבה שדיאטות הגבלה קלוריות, השומרות על רמות אינסולין נמוכות, מאריכות את תוחלת החיים במינים רבים.

יתרה מכך, נראה כי לאינסולין יש משמעות נוספת עבור נמלים. לפני מספר שנים, עבודה בהובלת הביולוג האבולוציוני דניאל קרונאואר באוניברסיטת רוקפלר הראו ששינויים ב איך נמלים מגיבות לאינסולין נראה ששידל אותם לפתח חברות קולוניאליות אלטרואיסטיות עם מלכות רבייה ועובדים לא פוריים.

אז לפני ארבע שנים, מתי ויקראם צ'נדרה היה סטודנט לתואר שני באוניברסיטת רוקפלר שחקר את ההבדלים בין מלכות נמלים לעובדות, אינסולין היה מאוד חשוב לו. הוא ו אינגריד פטר-פרונדה, פוסט דוקטורט במעבדה באותה תקופה, הוביל צוות שבחן את ביטוי הגנים בשבעה מיני נמלים והגיע למסקנה שיותר איתות אינסולין התרחש במוחן של המלכות מאשר אצל העובדים. כשהן הזריקו לנמלים עובד אינסולין, זה הפעיל את השחלות הרדומות שלהן וגרם להתפתחות ביציות. לדברי קרונאואר, שפיקח על המחקר, ממצאים אלה הראו שאיתות אינסולין גרם לנמלים להתרבות.

תגלית זו הניחה את הבסיס לעבודה חדשה שנערכה כחלק משיתוף פעולה ארוך טווח בין הביולוגים קלוד דספלן ו דני ריינברג באוניברסיטת ניו יורק. הם הראו שהאבולוציה חיווט מחדש כמה מרכיבים של מסלול האותות של אינסולין בנמלים בדרכים שיכולות להסביר מדוע המלכות חיות זמן רב יותר.

דספלן ורינברג חקרו נמלים הודיות קופצות (מלחית הרפגנתוס), שמלכותיו חיות כחמש שנים ועובדיה חיים כשבעה חודשים בלבד. אבל במין זה, ההבדל הזה בתוחלת החיים אינו חקוק בסלע. אם מלכה מתה או מוסרת מהמושבה, העובדים חשים בשינוי כמעט מיד מהיעלמות הריח שלה. כמה מהם הופכים לאחר מכן ל"גיימרגייטס" (פסאודו-קווינס) שמתחרים בדו-קרב על הדומיננטיות כדי לתפוס את מקומה. בסופו של דבר, קומץ גיימרים מנצחים - בדרך כלל בין שלושה לחמישה - משתלטים במשותף על תפקידה של המלכה כשכבות הביצים של המושבה. עובדים אחרים "משטרים" אז כל גיימרגייט מיותר, ומדכאים אותם בכוח מלהטיל ביצים.

התנהגותם של הגיימרגייטס אינה הדבר היחיד שמשתנה, עם זאת: הם מפתחים שחלות פונקציונליות ויכולות להטיל ביצים - ותוחלת החיים שלהן מתארכת לשלוש או ארבע שנים. מכיוון שגיימרגייטים אינם פוריים כמו מלכות, בדרך כלל נדרשים בין שלוש לחמש מהם כדי להחליף את תפוקת הביצים של המלכה. אם גיימרגייט מוכנס למושבה שבה מתגוררת מלכה, הגיימרגייט חוזר להיות עובד ותוחלת חייה מתקצרת.

כאשר עובדת הופכת לגיימרגייט, חילוף החומרים שלה משתנה. היא אוכלת יותר, והעלייה כתוצאה מכך ברמות האינסולין שלה מעוררת את התפתחות השחלות שלה. היא משתמשת במזון לייצור שומנים שנארזים בביצים. אבל ממחקרים קודמים על אינסולין והזדקנות, חוקרי NYU ציפו שאיתות אינסולין גדול יותר יהיה קשור לתוחלת חיים קצרה יותר, לא ארוכה יותר.

החוקרים מצאו את התשובה מסתתרת בפרטים של איתות אינסולין. כאשר אינסולין נקשר לקולטן שלו על פני תא, הוא גורם למפלים של תגובות בתוך התא, כולל שני מסלולים כימיים נפרדים. מסלול אחד מפעיל אנזים הנקרא MAP kinase והוא קריטי לחילוף החומרים ולהתפתחות השחלות. המסלול השני מדכא גורם שעתוק שנראה כמקדם תוחלת חיים ארוכה יותר. להפתעת החוקרים, כאשר הסתכלו על השחלה ועל גוף השומן (ששווה בערך לכבד היונקים) ב-gamergates, הם גילו שמסלול ה-MAP kinase היה פעיל אך השני לא.

עבודה נוספת הראתה שהשחלות של הגיימרגייטס ביטאו בחוזקה חלבון, Imp-L2, שהתעלם ממסלול הקינאז של MAP אך הפריע למסלול השני בגוף השומן. "נראה שלחלבון הזה יש את הפונקציה של הגנה על מסלול אחד המאפשר חילוף חומרים, אבל לעכב את המסלול שמוביל להזדקנות", אמר דספלן.

חוקרים אחרים מציינים שהמחקר החדש לא מראה באופן סופי ש-Imp-L2 משפיע על תוחלת החיים: דספלן ורינברג לא בדקו ישירות אם הפעלת החלבון אצל עובדים תגרום להם לחיות יותר זמן או אם עיכוב שלו בגיימרגייט יגרום להם למות מוקדם יותר. ניסויים כאלה הם מאתגרים מכיוון שהם עשויים לחייב הזרקת הנמלים עם מעכבי אינסולין למשך חודשים או שנים.

עם זאת, ההצעה של דספלן ורינברג לפיה הנמלים מבצעות מניפולציות על הענפים השונים של מערכת איתות האינסולין היא "השערה ממש סבירה ומעניינת", אמר צ'נדרה, שהוא כיום חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת הרווארד. "אם זה יעורר עוד מעבדות לנסות לבדוק את זה, זה יהיה מאוד מגניב."

מכיוון שקל יותר לבצע ניסויים גנטיים על זבובי פירות מאשר על נמלים, הצוות של Desplan בוחן כעת אם הם יכולים להאריך את תוחלת החיים של תסיסנית זבובי פירות על ידי הפעלת הביטוי שלהם של Imp-L2. מתישהו, דספלן מקווה לנסות את הניסוי גם בעכברים. "יש לנו הרבה עבודה מרגשת לעשות", אמר.

הטפיל שמאריך חיים

בטוויסט מוזר, נראה שהטבע כבר ניהל גרסה משלו לניסוי דומה במין אחר. חוקרים בגרמניה גילו לאחרונה שתולעת סרט טפילית פיתחה את היכולת לתמרן את הפלסטיות הקיצונית של תוחלת החיים של נמלים לטובתה.

תולעת הסרט חייבת לבלות חלק מחייה בתוך נמלים בלוטים (Temnothorax nylandri), שמקבלים את שמותיהם מהקנים שהם בונים בתוך בלוטים בודדים. כשהעובדים יוצאים לחפש מזון, הם אוכלים לפעמים ביצת תולעת סרט ונדבקים. אבל כדי להשלים את מחזור החיים שלה, תולעת הסרט צריכה להדביק גם נקר, והיא מקבלת את ההזדמנות הזו כאשר הנקרים אוכלים את בתי הבלוט של הנמלים.

לפני כמה שנים, שרה ברוס, סטודנטית במעבדה של סוזן פויציק באוניברסיטת יוהנס גוטנברג במיינץ בגרמניה, פתחו כמה קיני נמלים בלוטים וגילו את התגלית המוזרה שבעוד שכל העובדים הלא נגועים מתו במהלך חודשי התצפית שלהם, הנגועים לא. (קל לזהות את הנמלים הטפילות כי צבען הופך מחום לצהוב.) כשברוס סיפר על כך לפויציק, פויציק נזכר שחשב, "זה לא אפשרי. הכל מת." אבל ברוס התעקש, "ולכן בדקנו את זה כמו שצריך".

בעבודה שהוצגה בקיץ שעבר בפגישה של האיגוד הבינלאומי לחקר חרקים חברתיים ופורסמה ממש לפני חג המולד ב- שרת preprint biorxiv.org, הצוות של פויציק הראה שבמהלך שלב הזחל של תולעת הסרט בנמלים, הוא שואב חלבונים אל המקבילה של הנמלה לדם (המולימפה) שמאריכים באופן דרמטי את תוחלת החיים של העובד. בניגוד לנמלים הקופצות ההודיות, נמלים בלוטות אינן מתפתחות בדרך כלל לגיימרגייטים, ולכן להארכת חייהן של הטפיל אין תקדים טבעי.

"האפקט הוא סופר חזק," אמר קרונאואר. במהלך הניסוי שנמשך שלוש שנים, עובדות נגועות חיו פי חמישה מעובדות לא נגועות והראו שיעורי תמותה נמוכים כמו אלו של המלכות. המניפולציה של הטפיל האריכה את תוחלת החיים של העובדים כל כך "שבעצם אתה לא יכול להבחין בינו לבין של מלכה", אמר.

למרות שעובדי נמלת הצנובר הנגועים לא הופכים לרבייה, הם הופכים להיות יותר מלכים מכמה בחינות, אמר פויציק: הם עובדים פחות וזוכים לטיפול קשוב יותר מעובדים לא נגועים במושבה. אם המלכה מוסרת מהקן, הן גם העובדות הראשונות לפתח שחלות.

פויציק וצוותה גילו שזחלי תולעי הסרט מייצרים ומפרישים יותר מ-250 חלבונים להמולימפה של הנמלים הנגועות - מספיק כדי להוות כ-7% מכלל החלבונים במחזור. רוב החלבונים לא אופיינו, אבל שניים מהם ניתנים לזיהוי כנוגדי חמצון. "אז זה נראה כאילו [תולעת הסרט] משחררת נוגדי חמצון לתוך הנמלה, וזה יכול להגדיל את תוחלת החיים", אמרה.

כאשר פויציק וצוותה מדדו שינויים בביטוי הגנים בנמלים הטפילות, הם גילו שהנמלים הנגועות גם מייצרות יותר נוגדי חמצון. יתרה מכך, המלכות והעובדות הנגועות הביעו יותר גן שנקרא כסף, אבל העובדים הלא נגועים לא היו. חוקרים קישרו בעבר את כסף גן לתוחלת חיים ממושכת בזבובי פירות.

למרות שברור שסדרה של שינויים התפתחותיים ומטבוליים מתרחשים כאשר עובדים הופכים להיות יותר מלכים, קשה להפריד ביניהם איזה מהשינויים הכי חשוב להארכת תוחלת החיים. אינסולין ונוגדי חמצון חשובים, אבל קלר חושב שסביר להניח שגם גורמים רבים אחרים ישחקו תפקיד. "אז אני חושב שלא יהיה מסלול אחד שפשוט יסביר את ההבדל בתוחלת החיים - אתה צריך לשנות הרבה דברים, כנראה", אמר.

קלר חושב שהממצאים לגבי הטפילים מרתקים מכיוון שטפילים בדרך כלל מקצרים ולא מאריכים חיים. אבל במקרה זה, נראה שהארכת תוחלת חייה של הנמלה מתאימה גם לטפיל: תולעת הסרט צריכה להתמיד בנמלה הנגועה מספיק זמן כדי שנקר ימצא את הבלוט ויאכל אותו. אם העובד מת לפני כן, תולעת הסרט מתה איתה. על ידי הארכת חיי העובד בשנים, תולעת הסרט משפרת את הסיכויים שבסופו של דבר יופיע נקר. שפע נוגדי החמצון בהמולימפה עשוי גם לעזור לזחלים של תולעי סרט לחיות כל עוד מארחיהם.

"כאן הטפיל מנצל מארח חברתי", הסביר פויציק. זה לא הגיוני לטפיל חסרי חוליות בודדים כי הם אף פעם לא חיים כל כך הרבה זמן. "אבל בחרק חברתי, שבו המלכות כבר חיות בבטחון הקן במשך 20 שנה, אתה יכול לשחק טריק כזה."

תיקון: 10 בינואר 2023
גרסה קודמת של מאמר זה לא הזכירה את תרומתו של פטר-פרונדה למחקר עם צ'נדרה על הבדלים בביטוי הגנים בין קסטות נמלים.