Правительства многих стран по всему миру поощряют людей соблюдать социальную дистанцию, чтобы предотвратить распространение коронавируса. И для Натали Строймейт, старшего преподавателя школы биологических наук в Университете Бристоля в Великобритании, это «звучит знакомо», потому что она «видела такое поведение среди муравьев».
По словам Ребеки Розенгаус, поведенческого эколога, изучающего социальных насекомых в Северо-Восточном университете в Бостоне, муравьи «живут в очень ограниченном пространстве, где существует большая микробная нагрузка». Она добавляет, что многие из этих микроорганизмов являются патогенами, которые могут проникать в колонии и уничтожать их, как чума в Средневековье. Но исследователи социальных насекомых говорят, что такое случается очень редко, и обширные колонии муравьев каким-то образом способны ограничивать распространение инфекций.
В последние три десятилетия исследователи начали изучать, как им это удается, исследуя способы, которыми колонии избегают болезни. Некоторые из этих методов могут показаться чуждыми нам. Другие, включая простое иммунизационное поведение и формы социального дистанцирования от других насекомых, могут казаться до боли знакомыми. Вместе они образуют своего рода параллельную эпидемиологию, которая может дать нам понимание, как людям лучше всего бороться с собственными патогенами.
И именно эти идеи сейчас изучают Розенгаус и некоторые другие исследователи. «Как это возможно», — спрашивает она, — «что индивидуум, который подвергается воздействию грибка, бактерии, вируса или любого другого патогена, возвращается в колонию и не заражает окружающих?»
Пчелы и муравьи активно живут вместе и научились бороться с инфекциями, но как?
В то время как социальные насекомые были предметом интенсивного научного исследования в течение более чем столетия, их способность противостоять патогенам долгое время игнорировалась. «Основные исследования социальных насекомых очень долго не изучали их патогены», — говорит Пол Шмид-Хемпель, экспериментальный эколог в швейцарском государственном исследовательском университете ETH Zurich. Классический обзор, проведенный биологом Э.О. Уилсоном в 1971 году в книге «Общества насекомых», даже не включает в себя такие слова, как «болезнь», «патоген», «бактерия» или «вирус».
Будучи аспирантом Оксфордского университета в 1980-х годах, Шмид-Хемпель понял, что пчелы, которых он изучал, были постоянно заражены паразитами. Он начал формулировать вопросы, которые могли бы пролить на это свет: что, если патогены были не случайной помехой колониям, а серьезной угрозой, которая определила саму эволюцию их сообществ? Как крошечные «государства», такие как колонии или улья, коллективно противостоят эпидемиям?
Наблюдатели за социальными насекомыми давно знают, что животные тщательно следят за чистотой своих жилищ. Рабочие складывают отходы и трупы вне гнезд. Маленькие трудяги ухаживают друг за другом и за самими собой. Но недавние исследования зафиксировали и другие способы, которыми они также борются с инфекцией. Некоторые муравьи, например, собирают антимикробные смолы деревьев и раскладывают их вокруг своих гнезд — процесс, который исследователи описали как «коллективное лекарство». Социальные виды насекомых также нередко умеют выделять убивающие микробов соединения, которые они наносят на свои тела и окружающие поверхности.
Уход друг за другом тоже дает неожиданные преимущества. Когда некоторые муравьи чистят друг друга, они передают небольшое количество патогенов своим соседям по гнезду. Эти мини-воздействия, пишет биолог Сильвия Кремер в недавней статье, вызывают «нелетальные инфекции низкого уровня», которые «запускают защитную иммунизацию». Она сравнивает этот процесс с вариолитацией, когда-то распространенным методом иммунизации людей против оспы путем принятия небольшого количества жидкости или высушенной слюны больного человека. В своих исследованиях Розенгаус пишет о сходной социальной иммунизации среди лесных термитов.
Она и ее коллеги также обнаружили доказательства того, что, когда некоторые члены колонии черных муравьев-древоточцев сталкиваются с патогенными бактериями, они способны развивать иммунный ответ и делиться им со своими соседями по гнезду, делая всю колонию более устойчивой. Муравьи, подвергшиеся инфицированию, похоже, могут передавать готовый ответ иммунной системы рот в рот, опережая инфекцию, тем самым подготавливая тела своих товарищей по гнезду к возможному заболеванию. Розенгаус сравнила такое поведение с миром, где человек может передать другому вакцину, просто поцеловав.
Муравьиную колонию можно завести и дома.
Такого рода выводы бросают вызов предположениям о том, что социальная жизнь, создавая благоприятные условия для распространения болезней, автоматически создает риски для отдельных людей. «И риск, и смягчение риска происходят от самой социальной жизни», — говорит Нина Фефферман, профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Теннесси. «От других людей мы можем заболеть. Но они также могут предложить нам заботу, пищу и знания, которые спасают наши жизни. Все сводится к этому очень сложному набору ограничений и целей».
Для исследователей социальных насекомых есть один важный вопрос: действительно ли, подобно департаментам общественного здравоохранения, которые вводят карантин по коронавирусу, самоизоляцию и ограничивают посещаемость ресторанов, социальные общества насекомых изменяют свои взаимодействия, чтобы затруднить распространение болезней — явление, которое называется организационным иммунитетом?
Большинство колоний социальных насекомых имеют сложные системы разделения труда. Некоторые работники могут в конечном итоге заботиться о королеве, или кормить личинок, или стоять на страже, или добывать пищу. Десятилетия в исследованиях анализировали это разделение труда с точки зрения эффективности выполнения рабочих задач. Но, начиная с начала 2000-х годов, математические модели предположили, что эти социальные разделения могут также замедлить распространение инфекций. Например, взаимодействуя только с несколькими назначенными рабочими, у королевы снижается шанс заболеть.
Исследователи говорят, что проверить некоторые из этих теорий на реальных колониях было сложно. Но появление автоматизированных систем отслеживания насекомых открыло новые возможности, позволяя таким исследователям, как Строймейт, создавать подробные картины того, кто с кем взаимодействует, например, внутри колонии муравьев.
Чтобы визуализировать социальную сеть муравьев, Строймейт и ее коллеги-исследователи приклеивали к спине муравьев крошечные QR-метки размером менее квадратного миллиметра. После того, как каждый муравей в колонии был помечен — по оценкам Строймейт, ей удалось «проименовать» 500 муравьев за 12-часовой рабочий день — колония помещалась в ящик для наблюдений. Камеры над ним считывают QR-коды и записывают положение каждого муравья два раза в секунду в течение нескольких часов подряд. Этот процесс генерирует данные о каждом отдельном контакте между муравьями в колонии — сотни тысяч точек данных, которые с помощью мощных компьютеров можно преобразовать в детальную картину социальной сети муравьиной колонии.
Размеры этих QR-кодов достаточно малы, чтобы не мешать муравьям нормально жить.
В 2014 году Строймейт и ее коллеги сделали карты общественных сетей 22 колоний, визуализировав все взаимодействия в каждой из них в течение нескольких дней. Эти сети показали, что муравьи взаимодействуют друг с другом не случайным образом. Их контакты устроены куда сложнее. В колонии были как муравьи-«интроверты», так и «экстраверты».
По крайней мере в теории одни только модульные сети могут существенно замедлить распространение инфекции в колонии. В конце концов, человеческий вирус распространяется быстрее через активную вечеринку из 100 человек, чем среди 20 изолированных групп по пять друзей в каждом, которые в основном просто тусуются друг с другом.
Но еще больший прорыв произошел после того, как команда заразила особей в 11 колониях смертельно опасным муравьиным грибком Metarhizium brunneum, а остальные 11 колоний стали контрольными. Как только муравьи почувствовали патогенные микроорганизмы, их взаимодействие серьезно изменилось: модульность увеличилась, и различные группы насекомых в колониях стали взаимодействовать меньше, чем раньше.
Муравьи-фуражиры, подвергшиеся воздействию грибка, стали демонстрировать меньше контактов. Даже незараженные муравьи начали взаимодействовать друг с другом по-другому, «общаясь» в тесных кругах товарищей по гнезду. Этот процесс, по словам Строймейт, мало чем отличается от социального дистанцирования. «Это очень дешевый и простой способ защитить колонию от эпидемии», — говорит она.
Такие исследования, конечно, стали возможны лишь недавно. Как указывает Строймейт, пока неясно, эволюционировали ли модульные социальные сети муравьев как реакция на угрозу инфицирования, или такое подавление распространения патогенов — просто полезный побочный эффект паттернов, которые эволюционировали по другим причинам.
Система наблюдения за муравьиной колонией.
И хотя конкретный механизм, описанный в исследовании, был успешным в замедлении распространения инфекции, он может быть только одним из нескольких доступных для колонии. К тому же остаются вопросы, насколько лабораторные условия соответствуют тем, с которыми колонии встречаются в дикой природе — а ведь от этого могут зависеть ее способы борьбы с патогенами.
Тем не менее, выводы Строймейт и ее коллег широко обсуждались среди исследователей насекомых. И, как она указывает, дистанцирование муравьев предполагает, что люди не одиноки в переустройстве наших сообществ перед лицом эпидемий.
Во всяком случае, Строймейт считает, что ее исследование вдохновит людей, борющихся с пандемией. Институты общественного здравоохранения человечества существуют всего пару столетий, в то время как муравьиные общества эволюционировали миллионы лет. «Очень редко можно найти колонию, разрушающуюся под тяжестью патогена», — говорит Строймейт. «Мы знаем, что их механизмы борьбы чрезвычайно эффективны».
Теоретически, говорят исследователи, социальные насекомые могли бы стать идеальной моделью: своего рода миниатюрным обществом с небольшими этическими ограничениями, в котором можно было бы исследовать, как распространяется болезнь. Но, как указывает Шмид-Хемпель, сбор подробной информации о здоровье насекомых затруднен. «В случае с людьми у нас гораздо больше данных, по сравнению с тем, что мы имеем на социальных насекомых», — говорит он. В один прекрасный день исследователи могут счесть полезным проверить эпидемиологические принципы в сообществах насекомых. «Я уверен, что он придет», — говорит Шмид-Хемпель. «Но до этого еще далеко».
Одним из немногих ученых, преодолевших эту пропасть, является Фефферман, исследователь из Университета Теннесси. Она изучает, как вирусы циркулируют в сетях — среди насекомых, людей и даже компьютеров. Ее исследования были опубликованы как в энтомологических, так и в эпидемиологических журналах. Статья, написанная ею в соавторстве в 2007 году о виртуальной эпидемии в World of Warcraft, привлекла пристальное внимание экспертов общественного здравоохранения.
Фефферман объясняет, что «можно рассматривать социальные колонии насекомых как успешные города. И тогда вы можете сказать: какие из поведенческих стратегий, используемых социальными насекомыми, мы можем позаимствовать?» В качестве примера она привела каннибализм термитов. При резкой вспышке заболеваемости некоторые термиты немедленно съедают всех детенышей в колонии. Это, как утверждает Фефферман, помогает им ликвидировать пул «высокочувствительных» особей, которые, вероятно, будут служить резервуаром инфекции, позволяя эпидемии надолго задержаться в гнезде.
Конечно, человечество едва ли примет каннибализм в качестве стратегии общественного здравоохранения. Но основной принцип, утверждает Фефферман, может быть актуален во время пандемии коронавируса. «Если мы подумаем, как адаптировать это к людям», — сказала она, «то лучше всего подходит закрытие школ». Урок от термитов может быть таким — разлучите детей. «Дети могут превратиться в огромный ходячий резервуар инфекции, которая заразит всех. Не стоит этого допускать», — говорит Фефферман.
Такие идеи привели Фефферман к созданию моделей, направленных на поиск наиболее эффективного способа распределения работников во время пандемии. Новое исследование, над которым она работает, направлено на то, чтобы помочь компаниям структурировать своих работников, дабы минимизировать влияние пандемии. Она вдохновлялась когортной моделью, которую многие колонии насекомых используют для распределения задач.
Фефферман отлично понимает, что такую работу могут встретить скептически. «Я бы никогда не побежала на собрание общественного здравоохранения и не стала кричать «ребята, посмотрите на букашек!», — говорит она. «Но если в конечном итоге моя работа позволит снизить ущерб от пандемии — я буду рада».
