Как муравьи и пчелы борются с эпидемиями — и чему мы можем у них научиться

Натали Струмейт из Школы биологических наук Бристольского университета изучает пандемии «в миниатюре», заражая смертельными патогенами колонии муравьев. Однако в марте она испытала последствия пандемии на себе. Когда в Британии был объявлен локдаун, Струмейт потеряла доступ к своей лаборатории и высокопроизводительным компьютерам, при помощи которых отслеживала поведение черных садовых муравьев. Только лаборанту было позволено приходить на работу, чтобы ухаживать за насекомыми.

Когда правительство ввело меры социального дистанцирования, чтобы остановить распространение коронавируса, Струмейт мгновенно распознала тактику, которую неоднократно наблюдала у муравьев.

Исследования, проводимые Струмейт, — это часть новой науки, призванной защитить общество от угрозы пандемии. Как и люди, общественные насекомые — муравьи, термиты, пчелы и осы — живут бок о бок друг с другом, поэтому бороться с болезнями им так же трудно, как и нам.

«Насекомые живут в ограниченном пространстве с высокой микробной нагрузкой», — рассказывает поведенческий эколог Ребекка Розенгаус, которая занимается изучением поведения общественных насекомых в Северо-Восточном университете Бостона. В числе этих микробов, добавляет она, есть патогены, которые могут истребить целую колонию.

Однако, как правило, насекомым удается сдержать распространение вирусов.

Исследователи вот уже 30 лет изучают, как именно насекомые это делают. За это время удалось выявить множество тактик, которые колонии применяют в борьбе с болезнями. Некоторые из них кажутся странными. Другими — например, иммунизация и социальное дистанцирование — нам хорошо знакомы. И все они могут в будущем помочь человечеству.

Пока что эпидемиологи не воспринимают это новое направление всерьез. Но Розенгаус и ее коллегам некогда унывать. Их ждет еще много работы.

«Как возможно, — спрашивает Розенгаус, — что особь, контактировавшая с грибком, бактериями, вирусом или другим патогеном, возвращается к колонии и не заражает остальных?»

«Несмотря на то что изучать общественных насекомых начали более ста лет назад, теме патогенов и паразитов долгое время не уделялось должного внимания», — говорит Пол Шмид-Хемпель, эколог из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. В классическом труде биолога Эдварда Осборна Уилсона «Сообщества насекомых» (1971) ни разу не упоминаются слова «заболевание», «патоген», «бактерии» и «вирус».

Работая в Оксфордском университете в 1980-х годах, Шмид-Хемпель обнаружил, что изучаемые им пчелы постоянно сталкиваются с паразитами.

Именно тогда он начал ставить вопросы, которые в итоге привели к возникновению новой области: что, если патогены — не краткосрочная проблема, а постоянная угроза, которая обусловливает ход эволюции целых колоний? можно ли рассматривать муравейники и ульи как крошечные страны, борющиеся с эпидемиями?

Давно было замечено, что общественные насекомые старательно поддерживают чистоту в своих жилищах, а также регулярно чистят друг друга и самих себя. Но за последнее время удалось обнаружить и другие адаптации, помогающие в борьбе с инфекциями.

Некоторые муравьи, например, собирают обладающую противомикробными свойствами древесную смолу и приносят ее в муравейник. Ученые называют этот процесс коллективным лечением. Кроме того, общественные насекомые выделяют убивающие микробов вещества, которые затем наносят на окружающие поверхности и тела других насекомых.

Груминг, как оказалось, также служит лечебным целям. Чистя друг друга, муравьи распространяют маленькие количества патогенов. Как пишет в своей вышедшей статье биолог Сильвия Кремер, эти крошечные дозы патогенов вызывают «слабое заражение», которое «способствует формированию иммунитета».

Она сравнивает этот процесс с вариоляцией, некогда распространенным методом иммунизации от оспы (прививка оспенного гноя из созревшей пустулы больного). В ходе своих исследований Розенгаус удалось обнаружить схожее поведение среди влажнодревесных термитов.

Розенгаус и ее коллеги также обнаружили доказательства того, что черные муравьи-древоточцы, инфицированные патогенными бактериями, способны вырабатывать иммунитет и передавать его остальным обитателям гнезда.

Причем инфицированные муравьи передают иммунизирующие вещества рот в рот до того, как передают инфекцию, тем самым подготавливая других муравьев к заражению. Розенгаус сравнивает это с тем, как если бы человек получал вакцину, целуясь с вакцинированным.

Эти открытия ставят под сомнение утверждение, что совместное проживание повышает угрозу заражения.

«Проживание рядом с другими людьми несет в себе как опасность, так и спасение», — говорит Нина Фефферман, преподаватель экологии и эволюционной биологии в Университете Теннесси в Ноксвилле, которая изучает распространение заболеваний.

Другие люди могут заразить нас. Но они также могут предоставить нам заботу, которая спасет нам жизнь.

Сейчас исследователи пытаются ответить на вопрос, как меняется поведение насекомых во время борьбы с распространением болезней.

Большинство общественных насекомых практикуют разделение труда. Ученые несколько десятилетий изучали разделение труда с точки зрения эффективности выполнения задач.

И в начале 2000-х годов было обнаружено, что оно также помогает замедлить распространение инфекции. Например, контактируя только с несколькими рабочими особями, муравьиная матка снижает свои шансы заразиться.

Прежде изучать колонии насекомых было проблематично. Появление автоматизированных систем отслеживания позволило исследователям больше узнать о взаимодействии между отдельными муравьями.

Чтобы отследить контакты муравьев друг с другом, Струмейт и ее коллеги приклеивают на спины насекомых крошечные QR-коды размером меньше одного квадратного миллиметра. Затем вся колония помещается в контейнер для наблюдения. Камеры считывают QR-коды и регистрируют местонахождение каждого муравья дважды в секунду. Сверхмощные компьютеры затем преобразуют данные обо всех контактах внутри колонии в подробную карту социальной сети муравьев.

В 2014 году Струмейт и ее коллеги изучили 22 разные колонии и обнаружили, что взаимодействия муравьев в них не были случайными: определенные особи контактировали с одними представителями колонии, а с другими не имели дела.

Ограничение контактов — это эффективный способ замедлить распространение вируса. Известно, что вирус распространяется быстрее в шумной компании из ста человек, чем в двадцати изолированных группах из пяти человек.

Но более важное открытие удалось сделать позже, когда исследователи инфицировали отдельных муравьев из 11 колоний смертельным грибком Metarhizium brunneum.

Как только муравьи заметили появление патогена, модель их взаимодействия изменилась: колония разделилась на группы, которые контактировали друг с другом реже, чем раньше. Причем не только инфицированные, но и здоровые муравьи сузили круг своих контактов. Нельзя не усмотреть в этом параллели с социальным дистанцированием.

Подобные исследования стали возможны лишь недавно. Как отмечает Струмейт, до сих пор неясно, сформировались ли муравьиные сети взаимодействий, чтобы реагировать на угрозу заражения, или противодействие инфекции лишь одна из особенностей поведения, возникшая по другим причинам. Кроме того, есть сомнения насчет того, насколько лабораторные эксперименты с использованием таких патогенов, как Metarhizium brunneum, отражают реальное положение вещей в природных условиях.

И всё же открытия Струмейт и ее коллег взбудоражили исследователей поведения насекомых. По ее словам, пример муравьев предоставляет нам подтверждение того, что наши действия верны.

Министерства охраны здоровья возникли всего около двухсот лет назад, тогда как колонии муравьев существуют уже на протяжении миллионов лет. «Колонии крайне редко гибнут от патогенов, — говорит Струмейт. — Это доказывает, что их тактика работает».

Колонии общественных насекомых могут служить идеальной моделью для исследования распространения заболеваний. Но, как отмечает Шмид-Хемпель, собрать детальную информацию о состоянии здоровья насекомых нелегко. И всё же, ученые надеются, что когда-нибудь смогут проверить свои гипотезы на сообществах насекомых.

Нина Фефферман из Университета Теннесси — одна из немногих, кто работает на стыке двух областей и публикуется в научных журналах как по энтомологии, так и по эпидемиологии. Статья о виртуальной эпидемии в игре World of Warcraft, написанная ею в 2007 году, привлекла внимание министерства здравоохранения.

Изучая эпидемии среди людей, Фефферман опирается на исследования насекомых.

«Колонии общественных насекомых можно сравнить с городами, — говорит она. — Вопрос только в том, какие стратегии мы можем перенять у насекомых».

Взять, к примеру, термитов. Когда разражается эпидемия, некоторые термиты поедают своих детенышей. По словам Фефферман, это позволяет им устранить «наиболее уязвимых» особей, которые с высокой долей вероятности стали бы носителями инфекции.

В человеческом обществе каннибализм вряд ли будет принят на вооружение в качестве меры по борьбе с распространением вирусов. Однако, утверждает Фефферман, пример термитов показывает, что закрытие школ — правильный шаг, ведь иначе дети могут стать переносчиками вируса и заразить всех остальных.

Новая статья Фефферман, посвященная тому, как компании могут организовать работу во время пандемии или другой чрезвычайной ситуации, основана на модели, которую многие насекомые используют для распределения задач (хотя она вряд ли станет афишировать этот факт, когда статья будет закончена).

Фефферман признается, что неохотно говорит о влиянии энтомологии на свои исследования, особенно с сотрудниками минздрава.