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

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

Энтомологи изучили живущих колониями насекомых, чтобы посмотреть, как они справляются с эпидемиями. Оказалось, что самые эффективные методики — социальное дистанцирование, «вакцинация» и поедание детенышей. Журнал Wired разобрался, какие из этих способов нам стоит взять на вооружение, а без каких мы пока обойдемся.

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.

Пчелы-традиционалисты и муравьи-общественники

Энтомолог о насекомых: традиции и развитые коммуникации

В эфире “Радио Кузичев” на Царьграде энтомолог, научный сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ, кандидат биологических наук Владимир Карцев. Он рассказал, в чем социальность муравьев и пчел.

Семья насекомых

На основе изучения поведения муравьев учёные делают выводы и даже прогнозы. Например, возможно предугадать землетрясение.

По словам Карцева, муравьиное сообщество можно называть “семьей”. Одна или несколько самок откладывают яйца, в то время как молодые особи и рабочие муравьи выполняют разные функции, например, – приносят пищу и строят гнездо, ухаживают за самкой.

“Это именно социальная структура, потому что они общественные в том смысле, что никто из них не может жить поодиночке. Ни матка не может жить без рабочих, ни рабочие без матки“.

Обычные муравьи не размножаются, трудятся до своей смерти. У них обмен гормонами очень сложный – больше изучен этот прочесс у пчел. Самка выделяет массу феромонов, или экзогормонов, рабочие слизывают, они обмениваются кормом изо рта в рот (трофолаксис, от слова “трофос” – питание) и тем самым заодно передают вещества, которые выделяет матка.

Похожий принцип и у пчел. “У пчел, если матку изъять, они пытаются первым делом вывести новую матку… Но если уж этого не получилось, то потом пчёлы – у них начнут развиваться яичники без воздействия матки, они начинают между собой драться, кто-то из пчел начнет откладывать яйца (самый успешный). Из этих яиц выводятся только трутни, потому, что из неоплодотворенных яиц у пчел – ну и у муравьев тоже – выводятся самцы“, – рассказал Карцев.

Отношения муравьев: кусание, полиция и дуэль

У муравьев есть социальная иерархия. Многие считают, что царица является ключевым звеном в муравьиной семье, но это не так. Главную роль играют рабочие муравьи. Именно они распоряжаются жизнью матки и имеют право переселять их из одной части гнезда в другую.

Когда в сообществе умирает королева, начинаются ритуальные бои среди работников для установления господства. Между муравьями существует три типа отношений – кусание, полиция и дуэль. Муравьи регулярно обмениваются пищей – кормят друг друга. Сытый кормит голодного, тот передает часть полученной пищи следующему.

Функционирование каждого рабочего муравья направлено на обеспечение благополучия семьи. Например, в семьях многих муравьев имеется специальная группа муравьев-носильщиков. Все формы ухода муравьев друг за другом базируются на обязательной взаимности или вознаграждении.

Взаимодействие особей разных групп и возрастов строится по иерархическому принципу. Активные фуражиры-разведчики у разных видов не только обнаруживают источники пищи, но и являются поводырями для групп пассивных фуражиров. Уже доказано, что муравьи быстрее всех других насекомых обучаются в лабиринте, они хорошо отличают фигуры по их форме и в состоянии различать число углов при выборе пути, ведущего к кормушке. Интересен и тот факт, что в естественных поселениях муравьев охотники одного вида, доминирующего на территории, используют сигналы разведчиков других видов для обнаружения и захвата найденной теми добычи.

Мало того, что муравьи имеют четко установленный социальный лад внутри муравьиной семьи, так они еще и ведут так называемые междоусобные войны, порабощая таким образом муравьев других видов и существуют за счет своих рабов. Все эти факты доказывают, что муравьи – это, возможно, самые близкие к человеку существа по своей социальной организации, и, мало кому известно, что эти маленькие насекомые намного умнее, чем о них думают.

“Они даже более социальны, чем человек, потому что у нас пока бесполых рабочих нет”

А еще у муравьев есть свои домашние животные – выращивают тлю. “Более того, есть один из видов муравьев, пахучий муравей-древоточец, который яйца тли на зиму прячет в муравейник, а весной высаживает на кормовые растения“, – сказал Карцев.

По его словам, существует более 20 000 видов муравьев, а тли еще больше. “Это больше, чем всех видов позвоночных наземных, то есть, они очень разные. От примитивных до очень сложной социальной структуры. Они действительно социальные животные. Они иначе социальные, чем люди. Но их социальность – тоже настоящая социальность. Более того, они даже более социальны, чем человек, потому что у нас пока бесполых рабочих нет, а у них уже есть“.

За то, чтобы размножаться, рабочий муравей уже не борется. Ему это не надо, ему это не хочется, он борется за самые хорошие кормовые участки. Иерархия у рыжих лесных муравьев состоит в том, чтобы захватить самые хорошие кормовые участки возле гнезда, а если там чужой какой-то муравей пришел из своего же муравейника, но это не его участок, то вот этот рабочий – доминирующий – может схватить его и просто унести обратно в муравейник, рассказал Карцев.

Общественники и одиночки

Кроме того, у насекомых развитая коммуникация. У пчел есть специальный язык танцев, а муравьи-разведчики могут приводить к месту источника корма, который муравей нашел. Во-вторых, они могут оставлять пахучий след. В-третьих, у муравьев есть так называемый антеннальный код – муравей-разведчик, встретив знакомого муравья-фуражира, может объяснить тому дорогу к корму.

“Как он это делает, в точности не известно. Муравьи сидят голова к голове и постукивают антеннами друг о друга. После этого тот муравей, который поговорил с этим уже знающим разведчиком, запоминает дорогу, то есть, до шести поворотов точно запоминает“.

А у пчел коммуникация – танец. “Там всё расшифровано, там и траектория движения, и виляние брюшком, и акустические сигналы крыльями, жужжание, то есть, вот танец – это не просто ритуальные движения“, – рассказал специалист.

Пчел – тоже тысячи видов. И если все муравьи – существа общественные, то пчелы бывают одинокими. “Одинокие пчелы, которые роют норки, друг у друга воруют иногда“.

Традиционное общество

Каждый муравей, пояснил Карцев, может учиться, помнить. “Культурные традиции у муравейников есть – там весной старые муравьи тропы восстанавливают. То есть, если мы интеллект насекомых изучаем – я этим профессионально занимаюсь, то, конечно, мы имеем дело с каждой особью. Но как биологическая единица – это, конечно, семья, муравейник, гнездо, потому что сам по себе муравей воспроизводиться не может“.

Когда наступает пора размножения, вылетают полноценные самки, самцы, рассказал Карцев. Они покидают муравейник, спариваются вне гнезда, причем так устроено, что обычно из разных семей спариваются. “Особенно для пчел недопустимо спариваться внутри семьи. Там такой генетический механизм, что будет уродливое потомство. Спариваются, потом самцы очень быстро погибают, а самки – они крупнее рабочих – сбрасывают крылья, и либо у одних видов они могут в одиночку основать новую семью, либо – как у рыжих лесных муравьев, о которых мы больше знаем – одиночно, самка уже ничего не может основать. Они либо возвращаются обратно в семью, если есть вакансия, – слишком много же самок тоже не нужно – либо проникают в гнезда других видов (так называемый социальный паразитизм)“.

Где это можно использовать

Модели роевого интеллекта уже применяют там, где из множества решений нужно выбрать самое оптимальное.

• Поисково-спасательные операции. Учёные из Курчатовского института запрограммировали группу роботов с помощью роевого интеллекта. Роботы находят предметы, разбросанные по локации, и перетаскивают их в точку сбора по кратчайшему маршруту. При этом муравьиный алгоритм хорошо подходит для устройств, движущихся по поверхности земли, а пчелиный — для летающих (дронов, квадрокоптеров).
• Автомобильные грузоперевозки. Европейская компания Ant Optima разрабатывает системы, оптимизирующие перевозку грузов на автомобилях. Её программисты написали на основе муравьиного алгоритма ряд компьютерных программ для доставки продуктов питания, медикаментов и нефтепродуктов по городам и торговым точкам. Софт Ant Optima отслеживает количество товара на складах, мониторит обстановку на европейских дорогах и помогает выбрать оптимальный маршрут для доставки грузов.
• Гражданская авиация. Роевой интеллект помогает авиакомпании Southwest Airlines выбирать места для стоянки самолётов и оптимизировать поток пассажиров, которые покупают билеты и проходят регистрацию. Так авиаперевозчик борется с очередями возле касс и стоек регистрации.
• Градостроение и наука. С помощью муравьиного алгоритма учёные определяют оптимальное расположение электростанций, трансформаторов и линий электропередач, а также разрабатывают дизайн формы портативных антенн.

А вот британские учёные предложили создавать объёмные рисунки с помощью муравьиного и птичьего алгоритмов. Они даже придумали термин «роевое искусство» (Swarm Art).

Исследователи нарисовали простейшие контуры объектов, а затем пустили по ним виртуальную стаю. Перемещаясь вдоль нарисованных линий, виртуальные животные за несколько итераций алгоритма придали рисункам объём.

Крупным IT-компаниям всё чаще нужны знатоки искусственного интеллекта. Поступайте на онлайн-бакалавриат по Data Science & Machine Learning и становитесь востребованным IT-специалистом с дипломом государственного вуза.