社會分工和大腦演化組“CP”！同窩螞蟻，“腦回路”為啥不一樣
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在動物的演化歷程中，社會組織的出現(xiàn)是一個重要的轉(zhuǎn)折性事件，它使得動物的適應(yīng)性大為增強(qiáng)。
今天，我們?nèi)阅茉诓煌锓N中找到社會組織從簡單到復(fù)雜的一系列連續(xù)變化形式，其中，最引人注目的就是人類社會以及以蜜蜂、螞蟻等為代表的社會性昆蟲。
而與人類社會不同，社會性昆蟲在發(fā)育過程中就表現(xiàn)出了形態(tài)、生理上的分化現(xiàn)象。
近日，我國科學(xué)家通過構(gòu)建法老蟻不同品級大腦單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了社會性昆蟲在品級分化過程中出現(xiàn)腦結(jié)構(gòu)和功能特化的現(xiàn)象，揭示了蟻后成熟過程中大腦的可塑性變化，挖掘了調(diào)節(jié)其生殖力和壽命的關(guān)鍵細(xì)胞類群。
該研究6月16日發(fā)表在《自然—生態(tài)與演化》上。
螞蟻“超個體”
螞蟻起源于1.4億年以前的白堊紀(jì)時代，現(xiàn)存約2萬多個物種。它們廣布于除極地冰原以外的所有陸地生態(tài)系統(tǒng)，是生物演化歷程中最成功的動物類群之一。
社會性是螞蟻成功的基石。在螞蟻的社會中，存在著明確的分工，也就是品級分化，如工蟻和繁殖蟻。
法老蟻的社會品級分化 劉薇薇等制圖
“雖然工蟻和蟻后具有同樣的二倍體基因組，但卻表現(xiàn)出明顯的形態(tài)、生理和行為的分化。”
該論文第一作者、華大生命科學(xué)研究院研究員李啟業(yè)介紹說，“多數(shù)螞蟻物種的工蟻沒有繁殖能力，它們只負(fù)責(zé)打理巢穴的事務(wù)，而繁殖任務(wù)是由繁殖蟻來承擔(dān)的。未交配的繁殖蟻有翅，交配后雄蟻死亡，雌蟻翅膀脫落，成為真正的蟻后。”
現(xiàn)在一個被學(xué)界普遍接受的觀點認(rèn)為，整窩螞蟻是一個“超個體”，每個螞蟻都是這個超個體的一個“細(xì)胞”，工蟻是它的“體細(xì)胞”，而繁殖蟻是它的“生殖細(xì)胞”。
為了進(jìn)一步揭示螞蟻品級分化的內(nèi)在機(jī)制，該研究團(tuán)隊以法老蟻為模式生物，通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)開展了研究。
“同一個體細(xì)胞的細(xì)胞核具有相同的遺傳物質(zhì)，但不同的體細(xì)胞卻具有不同的功能，這是在不同的細(xì)胞中由不同的基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄的結(jié)果。因此，通過對不同細(xì)胞轉(zhuǎn)錄情況進(jìn)行測序和分析，就可以確定這些細(xì)胞承擔(dān)的功能。”李啟業(yè)說。
支持社會性的頭腦
“通過華大自主研發(fā)的單細(xì)胞建庫平臺和測序技術(shù)，我們獲得了涵蓋法老蟻工蟻、處女繁殖蟻、蟻后、雄蟻4種全品級大腦總共206367個高質(zhì)量的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。”
該論文共同通訊作者、華大生命科學(xué)研究院研究員劉傳宇介紹說，“這是世界上首個全面覆蓋一個螞蟻社會中所有分工角色的單細(xì)胞圖譜。”
“我們的研究顯示，比起不具有社會性的果蠅，法老蟻腦中負(fù)責(zé)高級認(rèn)知功能的蘑菇體細(xì)胞的豐度顯著提高了。而在跳鐮猛蟻和蜜蜂中，蘑菇體細(xì)胞相比果蠅也同樣發(fā)生了擴(kuò)張和多樣性分化。”該論文共同通訊作者、中科院昆明動物研究所副研究員劉薇薇說。
與人類社會的分工不同，螞蟻的品級分化是生理上的。該團(tuán)隊的研究結(jié)果顯示，螞蟻不僅在體形上有明顯的分化，在腦結(jié)構(gòu)和功能上也存在明顯的分化。
比如，工蟻負(fù)責(zé)高級認(rèn)知功能的蘑菇體非常發(fā)達(dá)，嗅葉也很發(fā)達(dá)，而雄蟻則是視葉非常發(fā)達(dá)，雌性繁殖蟻的大腦則介于工蟻和雄蟻之間。
“這意味著工蟻是更傾向于嗅覺感知的動物，這與我們對螞蟻的一般認(rèn)識吻合，而雄蟻則更依賴視覺。”劉薇薇說。
大腦變化造就了蟻后
相比工蟻，蟻后的壽命要長得多，比多數(shù)同體型的昆蟲都要長。
“在研究中，我們看到了處女繁殖蟻在交配后轉(zhuǎn)變?yōu)橄伜蟮倪^程中，大腦發(fā)生了明顯的可塑性變化。”劉薇薇說，“很多細(xì)胞類群的豐度都變化明顯。”
其中，視葉細(xì)胞類群豐度降低，而多巴胺細(xì)胞及其下游神經(jīng)肽細(xì)胞豐度增加，一類具有神經(jīng)保護(hù)功能的膠質(zhì)細(xì)胞豐度也顯著增加。
“這揭示了蟻后成熟過程中調(diào)控其生理、行為發(fā)生劇烈變化的神經(jīng)機(jī)制，大腦細(xì)胞類群的變化以及神經(jīng)環(huán)路的重塑，決定了蟻后職責(zé)功能的轉(zhuǎn)變以及壽命的極度延長。”劉薇薇表示。
在該論文共同通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心教授張國捷看來，這項研究提示了螞蟻不同品級個體的社會分工和展現(xiàn)出的行為差異與其大腦不同的特化程度有關(guān)。
張國捷表示，不同品級個體的大腦有不同方向和程度的特化，彼此之間又功能互補(bǔ)，執(zhí)行不同的社會行為和功能，從而使得整個蟻群能夠同時擁有生殖、育幼、覓食、防御等全面的功能，因此蟻群成為一個真正意義上的“超個體”。
自然選擇作用上升到了蟻群這一更高的組織層次，使得螞蟻在1.4億年的生存競爭中獲得優(yōu)勢，演化成為地球上極具優(yōu)勢的動物類群。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41559-022-01784-1
編輯 | 計紅梅
排版 | 郭 剛
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