Tại sao kiến chúa sống lâu hơn kiến thợ?

Những loài sinh nhiều con có xu hướng có tuổi thọ ngắn, trong khi những loài ít sinh sản có xu hướng sống lâu hơn. Ví dụ như gián đẻ hàng trăm quả trứng khi sống chưa đầy một năm. Chuột đẻ hàng chục con trong một hoặc hai năm của cuộc đời. Cá voi lưng gù chỉ sinh một con sau mỗi hai hoặc ba năm và sống trong nhiều thập kỷ.

Nhưng kiến chúa lại là trường hợp ngoại lệ. Ở một số loài kiến, kiến chúa có thể sống hơn 30 năm trong khi để hàng nghìn quả trứng, sau đó nở thành kiến thợ ở trong tổ. Ngược lại, đối với kiến thợ, những con cái không sinh sản, lại chỉ sống được trong vài tháng. Thế nhưng, trong hoàn cảnh đặc biệt, vì lợi ích của tổ, kiến thợ ở một số loài cũng có thể trở thành kiến chúa, và có tuổi thọ dài hơn một cách đáng kể.

Trên tạp chí Khoa học, các nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã chỉ ra rằng một số kiến chúa sản sinh ra một loại protein ngăn chặn tác dụng lão hóa của insulin để chúng có thể tiêu thụ tất cả thức ăn bổ sung cần thiết cho quá trình đẻ trứng mà không bị rút ngắn tuổi thọ.

Và trong một bản tin trước được đăng gần đây trên máy chủ biorxiv.org, các nhà nghiên cứu ở Đức đã mô tả một loại ký sinh trùng giúp kéo dài tuổi thọ của kiến chủ bằng cách tiết ra một hỗn hợp giàu chất chống oxy hóa và các hợp chất khác. Cả hai nghiên cứu đều bổ sung thêm bằng chứng rằng tuổi thọ quan sát được của các sinh vật ít liên quan đến những hạn chế do gen của chúng áp đặt.

Laurent Keller, Giáo sư sinh thái học và tiến hóa tại Đại học Lausanne ở Thụy Sĩ cho biết: “Hầu hết các nghiên cứu về lão hóa đều được thực hiện trên các sinh vật mẫu có tuổi thọ rất ngắn". Ông giải thích, côn trùng xã hội mang đến những cơ hội hấp dẫn để nghiên cứu tầm quan trọng của biểu hiện gen trong quá trình lão hóa vì ong chúa và ong thợ trong đàn thường có cùng bộ gen nhưng khác nhau về tuổi thọ theo một mức độ lớn. (Hai thập kỷ trước, Keller đã chỉ ra rằng kiến chúa sống lâu hơn khoảng 100 lần so với loài côn trùng đơn độc tổ tiên mà kiến đã tiến hóa từ đó.)

Trong nhiều thập kỷ, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng insulin và hệ thống tín hiệu sinh hóa mà nó kích hoạt là yếu tố điều chỉnh chính của quá trình lão hóa. Insulin ảnh hưởng đến cách các tế bào cơ thể tiếp nhận và sử dụng đường glucose, vì vậy nó có ảnh hưởng cơ bản đến lượng năng lượng dành cho tế bào để phát triển, sinh sản và sửa chữa. Trong quá trình này, nó cũng điều chỉnh việc tạo ra các gốc tự do có khả năng gây hại và các phân tử oxy hóa khác là sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất. Nhiều nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng đây là lý do tại sao chế độ ăn kiêng hạn chế calo, giữ mức insulin thấp, dường như kéo dài tuổi thọ ở nhiều loài.

Hơn nữa, insulin dường như có thêm ý nghĩa đối với kiến. Vài năm trước, công trình do nhà sinh vật học tiến hóa Daniel Kronauer tại Đại học Rockefeller đứng đầu đã chỉ ra rằng những thay đổi trong cách kiến phản ứng với insulin dường như khiến kiến chúa sống lâu hơn.

Vì vậy, bốn năm trước, khi Vikram Chandra còn là sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Rockefeller để nghiên cứu về sự khác biệt giữa kiến chúa và kiến thợ, insulin đã khiến anh suy nghĩ rất nhiều. Ông và Ingrid Fetter-Pruneda, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm vào thời điểm đó, đã đồng lãnh đạo một nhóm nghiên cứu biểu hiện gen ở bảy loài kiến và kết luận rằng nhiều tín hiệu insulin xảy ra trong não của kiến chúa hơn là kiến thợ. Khi họ tiêm insulin cho kiến thợ, nó sẽ kích hoạt buồng trứng không hoạt động của chúng và kích hoạt sự phát triển của trứng. Theo Kronauer, người giám sát nghiên cứu, những phát hiện này cho thấy tín hiệu insulin khiến kiến bắt đầu sinh sản.

Khám phá đó đã đặt nền móng cho công việc mới được thực hiện như một phần của sự hợp tác lâu dài giữa các nhà sinh vật học Claude Desplan và Danny Reinberg tại Đại học New York. Họ chỉ ra rằng quá trình tiến hóa đã sắp xếp lại một số thành phần của con đường truyền tín hiệu insulin ở kiến theo cách có thể giải thích tại sao kiến chúa sống lâu hơn.

Desplan và Reinberg đã nghiên cứu loài kiến nhảy Ấn Độ (Harpegnathos saltator), kiến chúa sống khoảng 5 năm và kiến thợ chỉ sống khoảng 7 tháng. Nhưng ở loài này, sự khác biệt về tuổi thọ này không cố định. Nếu kiến chúa chết hoặc bị loại khỏi thuộc địa, những con ong thợ sẽ cảm nhận thấy sự thay đổi gần như ngay lập tức, vì mùi hương của kiến chúa biến mất. Sau đó, nếu kiến thợ nào đó chiến trắng trong một cuộc chiến tranh ngôi thì sẽ trở thành kiến chúa giả.

Kiến chúa giả không chỉ có hành vi đóng giả làm "nữ vương". Thay vào đó, chúng sẽ phát triển buồng trứng và thậm chí có thể đẻ trứng, kéo dài tuổi thọ từ 3 - 4 năm.

Khi kiến thợ trở thành kiến chúa giả, nó sẽ ăn nhiều hơn, quá trình trao đổi chất sẽ thay đổi, làm nồng độ insulin tăng, từ đó kích hoạt sự phát triển của buồng trứng. Thế nhưng điều kỳ lạ là việc truyền tín hiệu insulin nhiều hơn đáng ra sẽ làm ngắn tuổi thọ, thay vì kéo dài.

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy câu trả lời cho bí mật này nằm ở tín hiệu insulin. Theo đó, khi insulin liên kết với thụ thể của nó ở trên bề mặt tế bào, nó sẽ tạo ra một loạt phản ứng ở trong tế bào, bao gồm hai con đường hoá học riêng biệt. Trong đó, một con đường kích hoạt một loại enzyme gọi là MAP kinase, rất quan trọng đối với quá trình trao đổi chất và phát triển buồng trứng.

Ngoài ra, con đường khác ngăn chặn quá trình tổng hợp RNA và làm rút ngắn tuổi thọ. Nhưng ở loài kiến, con đường MAP kinase hoạt động, còn con đường kia thì không.

Nhà sinh vật học Claude Desplan, cho biết: "Imp-L2, một loại protein ở kiến, dường như có chức năng bảo vệ con đường cho phép trao đổi chất, nhưng lại ức chế con đường dẫn tới lão hoá".

Vì việc thực hiện những thí nghiệm di truyền ở trên ruồi giấm dễ dàng hơn so với kiến, nên, nhóm nghiên cứu này đang xem xét liệu họ có thể kéo dài tuổi thọ của loài này bằng cách sử dụng protein Imp-L2. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng hy vọng sẽ thí nghiệm được trên chuột để tìm ra những tác động tương tự.