Badanie mrówek dostarcza informacji na temat ewolucji owadów społecznych

The Physics of Life - Inspirers (Lipiec 2019).

Anonim

Jedną z wielkich zagadek biologii ewolucyjnej jest to, co skłoniło pewne żywe istoty do porzucenia samotnego istnienia na korzyść życia we wspólnych społecznościach, co widać w przypadku mrówek i innych społecznych owadów tworzących kolonie. Główną cechą tzw. Gatunków eusocialnych jest podział pracy pomiędzy królowymi składającymi jaja a pracownikami, którzy zajmują się czerwiami i wykonują inne zadania. Ale co to oznacza, że ​​królowa powinna składać jaja, a pracownicy nie powinni się rozmnażać? I jak doszło do tego rozróżnienia w trakcie ewolucji? Ewolucyjny biolog Dr Romain Libbrecht rozważał te problemy w ciągu ostatnich lat i we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Rockefellera w Nowym Jorku odkrył całkowicie nieoczekiwaną odpowiedź: jeden pojedynczy gen o nazwie insulinopodobny peptyd 2 (ILP2), który prawdopodobnie aktywowane przez lepsze odżywianie, pobudza jajniki i powoduje rozmnażanie.

"Może wydawać się prawie nie do pomyślenia, że ​​tylko jeden pojedynczy gen powinien mieć znaczenie" - zauważył Libbrecht. Naukowcy wyciągnęli wnioski z porównania 5581 genów u siedmiu gatunków mrówek w czterech różnych podrodzinach, które różnią się od siebie pod względem licznych cech. Ale w jednym są wszystkie takie same: zawsze istnieje większa ekspresja ILP2 w mózgu owadów rozrodczych. Królowie mają zatem wyższe poziomy niż pracownicy. Dalsze odkrycie wskazuje, że peptyd ten znajduje się tylko w mózgu, gdzie jest wytwarzany w małej grupie złożonej z zaledwie 12 do 15 komórek.

Podział reprodukcji i opieka nad potomstwem jako podstawa tworzenia kolonii społecznych

Postuluje się, że początki zachowań społecznych u owadów można znaleźć u podobnych do osy przodków, które zmieniały się między fazami reprodukcyjnymi i potomnymi. Samica osy składała jajo i opiekowała się larwą aż do momentu przepoczwarzenia. Jednak te dwie fazy zostały rozdzielone, a związane z nimi obowiązki przypisane różnym jednostkom, mianowicie królowym i pracownikom, podczas ewolucji eusociality.

Libbrecht i jego współpracownicy z Nowego Jorku zbadali mrówki Ooceraea biroi, aby określić mechanizmy molekularne leżące u podstaw tego podziału pracy. O. biroi to mały gatunek o długości od 2 do 3 milimetrów, który pochodzi z Azji, ale rozprzestrzenił się w tropikach. Owady żyją w podziemnych przejściach, atakują gniazda innych gatunków mrówek i żywią się ich potomstwem. Niezwykłą rzeczą w gatunku O. biroi jest to, że nie ma królowych, tylko żeńskie. Jednak każda pracownica może się rozmnażać poprzez partenogenezę. Oznacza to, że samica wytwarza inną identyczną samicę - owady w efekcie klonują się same. I zawsze podążają za określonym cyklem: wszystkie pracownice składają jaja w ciągu 18 dni, po czym spędzają 16 dni, zbierając pokarm i karmiąc larwy. Cykl zaczyna się ponownie.

To cykliczne zachowanie jest porównywalne do zachowania samotnych przodków os i jest kontrolowane przez obecność larw. Kiedy pierwsze larwy wylęgają się na końcu fazy rozrodczej, ich obecność tłumi aktywność jajników i powoduje zachowanie troski o potomstwo. Kiedy larwy zaczynają się przepoczwarzać pod koniec fazy opieki nad czerwonymi, aktywność jajników jest zwiększana, a żerowanie przeskalowane. "To, co zrobiliśmy, przerwał ten cykl" - wyjaśnił Libbrecht. Naukowcy zsyntetyzowali peptyd ILP2 i wstrzyknęli go do mrówek. To spowodowało, że mrówki składają jaja w obecności larw.

Libbrecht zastosował podejście polegające na zastępowaniu czerwiu w celu zbadania, co dzieje się, gdy larwy są wprowadzane do kolonii w fazie reprodukcyjnej i odwrotnie, gdy są usuwane podczas fazy opieki nad czerwonymi. "Widzimy, że ekspresja genów w mózgu zmienia się w obu fazach, a mrówki odpowiednio zmieniają swoje zachowanie i fizjologię, ale odpowiedź ta zdarza się szybciej, jeśli skonfrontujemy mrówki z larwami." Owady następnie przestają składać jaja i zaczynają dbać o potomstwo. "To ma sens, ponieważ ważne jest, aby w ostatecznym rozrachunku szybko zacząć karmić larwy" - dodał. Eksperyment ten ujawnił również, że ekspresja ILP2 w mózgu zmieniała się szybko i znacząco w odpowiedzi na zmianę warunków społecznych.

Od asymetrii w żywieniu do asymetrii w rozmnażaniu

Naukowcy zastanawiali się również nad istotnością żywienia, która jest znana, jeśli chodzi o rozróżnienie pomiędzy królową a pracownikami. Duża ilość lub wysoka jakość białka pokarmowego sprzyja rozwojowi żeńskich larw w damach. W koloniach gatunku O. biroi niewielka część mrówek to tak zwane intercasty. Owady te są nieco większe, mają oczy i są bardziej rozmnażające. Z tego powodu można je w pewnym stopniu porównać z normalnymi królami. Prawdopodobieństwo, że larwa stanie się interwenientem, zwiększa się, jeśli otrzymuje lepsze pożywienie. Obrazowanie fluorescencyjne pokazuje, że te interkale mają więcej ILP2 w swoich mózgach niż normalni pracownicy.

"Coś podobnego mogło mieć miejsce w przypadku przodków owadów eusocialnych" - sugeruje dr Romain Libbrecht. "Być może niewielka asymetria w odniesieniu do żywienia larw doprowadziła do asymetrii w zachowaniach reprodukcyjnych dorosłych rozwijających się z tych larw." Założenie, że podział na królowe i robotników mógł w związku z tym rozpocząć się z jedną różnicą, poparte jest eksperymentami przeprowadzonymi na siedmiu różnych gatunkach mrówek.

Należy przeprowadzić dalsze badania w celu ustalenia, czy ustalenia odnoszą się również do innych owadów społecznych oraz w jaki sposób kolonie mrówek jako superorganizmy kontrolują ogólną podaż żywienia.

menu
menu