Запах королевы голых землекопов не дал другим самкам размножиться

Ученые из Германии, США, Чехии и ЮАР обнаружили соединение, которое позволяет королеве голых землекопов оставаться единственной размножающейся самкой в колонии. Это оказался изопропилмиристат — летучее соединение, которое обнаруживается только в выделениях королев, но не остальных членов колонии. Запах этого вещества вызывает у других самок повышение пролактина и тем самым блокирует овуляцию. Исследование опубликовано в Nature.

Эусоциальность очень редко встречается в животном мире и в основном — у беспозвоночных. Но и среди млекопитающих есть виды, в группах которых есть размножающиеся особи, а есть те, кто обслуживает колонию. Это голые землекопы (Heterocephalus glaber) и еще некоторые грызуны из того же семейства землекоповых. Королева голых землекопов — единственная самка, которая может размножаться. Однако после смерти или удаления королевы остальные самки колонии вскоре вновь становятся способны к размножению. До сих пор не было ясно, как именно королева подавляет репродуктивную функцию остальных. Ученые предполагали, что речь идет о химическом сигнале, подобно тому, как это происходит у пчел и муравьев, но конкретное вещество обнаружено не было.

Теперь команда ученых под руководством Гэри Люина (Gary R. Lewin) из Центра молекулярной медицины имени Макса Дельбрюка нашла это вещество и экспериментально доказала его действие. Они проанализировали химический состав запахов 351 голого землекопа разных рангов с помощью термодесорбционной газовой хромато-масс-спектрометрии и обнаружили соединение — изопропилмиристат, — которое есть в образцах королев, но отсутствует у самцов и рабочих самок. Изопропилмиристат нашли в секретах влагалищных, анальных и слюнных желез, а также в фекалиях и на поверхности тела королев. Самый высокий уровень соединения наблюдался во время овуляции, а во время беременности и лактации он резко снижался (но все еще был значительно выше, чем у неразмножающихся самок).

Обонятельный эпителий умертвленных животных активировался в ответ на изопропилмиристат, но не на диметилсульфоксид, который использовался в качестве растворителя. А когда живые землекопы полтора часа дышали изопропилмиристатом, активность нейронов обонятельной луковицы увеличивалась. Ультразвуковое исследование мозга животных под наркозом показало, что соединение увеличивает кровоток в грушевидной коре, миндалевидном теле и других обонятельных областях. На растворитель такой реакции не было. Дополнительно ученые показали, что человеческие обонятельные рецепторы почти не реагируют на изопропилмиристат.

Затем исследователи проверили, как изопропилмиристат влияет на поведение и гормональный статус членов колонии. Уровни пролактина рабочих самок достигали пика во время овуляции и беременности королевы — как раз тогда, когда она выделяла больше изопропилмиристата. А когда рабочих самок изолировали от колонии и запаха королевы, уровень пролактина у них в плазме падал. Тогда ученые отсадили несколько разнополых пар рабочих особей в отдельные клетки, продолжая воздействовать на часть из них изопропилмиристатом. Эти пары не спаривались, тогда как в пяти из шести контрольных пар самки забеременели.

В конце концов ученые удалили королеву из колонии, но стали каждый день добавлять в подстилку изопропилмиристат. Это привело к тому, что члены колонии вели себя так, будто королева все еще была с ними: никто не размножался, уровни пролактина у самок оставались высокими, а метаболитов прогестерона в фекалиях — низкими, и новой королевы не появлялось. Спустя неделю после того, как запах королевы перестали добавлять в подстилку, высокоранговые самки стали агрессивными, одна самка погибла в результате драки, а еще через пару недель выжившая доминантная самка набрала вес и забеременела, став таким образом новой королевой. А спустя некоторое время она родила детенышей.

Авторы пришли к выводу, что изопропилмиристат у королевы голых землекопов играет ту же роль, что и феромоны королевы у общественных насекомых. Однако они отметили, что не смогли идентифицировать конкретный обонятельный рецептор, реагирующий на запах королевы, и не исключили, что могут быть и другие механизмы, которые вносят вклад в репродуктивное подавление у голых землекопов. 

В предыдущих экспериментах ученые уже пробовали изолировать отдельных особей голых землекопов от колонии, но обеспечить им контакт с запахом королевы, однако это не вызывало репродуктивного подавления. Тогда ученые пришли к выводу, что присутствие королевы необходимо. Это исследование показало, что это не так: ученые связали противоречивые результаты с плохой летучестью изопропилмиристата, колебаниями его уровня в течение цикла королевы и отсутствием его в моче, которую в том числе использовали в прошлых работах. 

Ранее ученые показали, что рабочие особи голых землекопов едят фекалии королевы, которые содержат эстрадиол. Это стимулирует их ухаживать за потомством.