Муравьи имеют специальный мозговой центр для обработки сигналов опасности

Известно, что муравьи общаются с помощью запахов, называемых феромонами. Но как они распознают и реагируют на эти запахи? И как они координируют свои действия в случае угрозы? Исследование, опубликованное в журнале Cell, раскрывает удивительные подробности о том, как муравьи обрабатывают феромоны тревоги в своем мозге и как это влияет на поведение всей колонии.


Для проведения исследования ученые использовали особый вид муравьев — клональных рейдеров (Ooceraea biroi). Эти муравьи не имеют королевы, а размножаются партеногенетически, то есть без оплодотворения. Все особи в колонии являются генетическими копиями друг друга, поэтому их называют клональными. Кроме того, эти муравьи специализируются на охоте на других муравьев и постоянно совершают рейды на чужие гнезда, похищая личинок и куколок.

Клональные рейдеры имеют очень развитую обонятельную систему, которая позволяет им распознавать разные виды феромонов. Феромоны — это химические вещества, которые выделяются животными и влияют на поведение и физиологию других особей того же вида. Муравьи используют феромоны для общения о разных аспектах своей жизни: поиске пищи, строительстве гнезда, размножении и т. д. Одним из самых важных типов феромонов являются феромоны тревоги, которые сигнализируют об опасности и вызывают у муравьев реакцию защиты или бегства.

Ученые хотели выяснить, как муравьи обрабатывают информацию о феромонах тревоги в своем мозге и как это влияет на поведение всей колонии. Для этого они создали трансгенных муравьев, которые выражали специальный белок — кальциевый индикатор GCaMP — в олфакторных сенсорных нейронах. Эти нейроны отвечают за восприятие запахов и передают сигналы в антеннальные доли мозга, где находятся гломерулы — скопления нейронов, которые образуют первичный центр обработки запахов. Белок GCaMP светился при активации нейронов, что позволяло ученым измерять их активность с помощью двухфотонной микроскопии.

Какие же изменения в поведении вызывают феромоны тревоги у муравьев? Ученые провели ряд экспериментов, в которых они подвергали муравьев разным концентрациям феромонов тревоги и наблюдали за их реакцией. Они обнаружили, что при низких концентрациях феромонов муравьи становились более возбужденными и двигались к источнику запаха, как будто хотели узнать, что происходит. При высоких концентрациях феромонов муравьи испытывали панику и бежали от источника запаха, как будто чувствовали непосредственную опасность. Кроме того, муравьи начинали эвакуировать свое потомство из гнезда, если оно находилось рядом с источником феромонов тревоги.

Эти поведенческие реакции имеют смысл с эволюционной точки зрения, так как они помогают муравьям защищать свою колонию от врагов. Например, если муравей находит пищу, но при этом обнаруживает опасность, он может выделить феромон тревоги, чтобы предупредить своих сородичей. Тогда другие муравьи, которые чувствуют этот запах на расстоянии, могут прийти на помощь или избежать ловушки. А если опасность угрожает всему гнезду, то муравьи могут быстро покинуть его и спасти свое потомство.

Ученые также сравнили реакцию на феромоны тревоги у клональных рейдеров и других видов муравьев. Они обнаружили, что клональные рейдеры более чувствительны к феромонам тревоги, чем другие виды, которые имеют большие колонии и королеву. Это может быть связано с тем, что клональные рейдеры живут в более опасных условиях, так как они постоянно атакуют другие гнезда и подвергаются нападениям со стороны защитников. Поэтому им необходима более быстрая и сильная реакция на угрозы.

Исследование муравьиных феромонов тревоги не только раскрывает тайны их общения и поведения, но и имеет практическое значение для человека. Например, знание о химическом составе и действии феромонов тревоги может помочь в борьбе с вредными видами муравьев, которые наносят ущерб сельскому хозяйству, лесному хозяйству и здоровью людей. Один из таких видов — огненные муравьи (Solenopsis invicta), которые обитают в Северной и Южной Америке, Австралии и Азии. Огненные муравьи агрессивно защищают свое гнездо от врагов и могут укусить человека или животное, вызывая сильную боль, зуд и аллергические реакции. Ученые нашли способ использовать феромоны тревоги для приманки огненных муравьев к ловушкам, содержащим яд или стерилизующие вещества. Таким образом, можно снизить численность этих муравьев и уменьшить их влияние на окружающую среду.

Другой пример практического применения исследования муравьиных феромонов тревоги — разработка биоинспирированных алгоритмов для решения сложных задач оптимизации. Такие задачи возникают в разных областях науки и техники, например, при поиске кратчайшего пути между несколькими точками, распределении ресурсов или планировании расписаний. Муравьи решают подобные задачи в природе, используя феромоны для обмена информацией о наилучших путях к источникам пищи. Ученые создали математические модели, имитирующие поведение муравьев, и применили их для решения разных задач оптимизации. Такие алгоритмы называются муравьиными алгоритмами (ant colony optimization algorithms) и показывают хорошие результаты по сравнению с другими методами.

Таким образом, изучение муравьиного общения с помощью феромонов тревоги открывает новые горизонты для понимания сложных социальных систем как в животном, так и в человеческом мире.