社會(huì )分工和大腦演化組“CP”！同窩螞蟻，“腦回路”為啥不一樣
發(fā)布人：中國科學(xué)報
時(shí)間：2022-06-18
來(lái)源：工程師
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在動(dòng)物的演化歷程中，社會(huì )組織的出現是一個(gè)重要的轉折性事件，它使得動(dòng)物的適應性大為增強。
今天，我們仍能在不同物種中找到社會(huì )組織從簡(jiǎn)單到復雜的一系列連續變化形式，其中，最引人注目的就是人類(lèi)社會(huì )以及以蜜蜂、螞蟻等為代表的社會(huì )性昆蟲(chóng)。
而與人類(lèi)社會(huì )不同，社會(huì )性昆蟲(chóng)在發(fā)育過(guò)程中就表現出了形態(tài)、生理上的分化現象。
近日，我國科學(xué)家通過(guò)構建法老蟻不同品級大腦單細胞轉錄組圖譜，揭示了社會(huì )性昆蟲(chóng)在品級分化過(guò)程中出現腦結構和功能特化的現象，揭示了蟻后成熟過(guò)程中大腦的可塑性變化，挖掘了調節其生殖力和壽命的關(guān)鍵細胞類(lèi)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(gè)體”
螞蟻起源于1.4億年以前的白堊紀時(shí)代，現存約2萬(wàn)多個(gè)物種。它們廣布于除極地冰原以外的所有陸地生態(tài)系統，是生物演化歷程中最成功的動(dòng)物類(lèi)群之一。
社會(huì )性是螞蟻成功的基石。在螞蟻的社會(huì )中，存在著(zhù)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(huì )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，但卻表現出明顯的形態(tài)、生理和行為的分化?！?nbsp;
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(shuō)，“多數螞蟻物種的工蟻沒(méi)有繁殖能力，它們只負責打理巢穴的事務(wù)，而繁殖任務(wù)是由繁殖蟻來(lái)承擔的。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?！?/span>
現在一個(gè)被學(xué)界普遍接受的觀(guān)點(diǎn)認為，整窩螞蟻是一個(gè)“超個(gè)體”，每個(gè)螞蟻都是這個(gè)超個(gè)體的一個(gè)“細胞”，工蟻是它的“體細胞”，而繁殖蟻是它的“生殖細胞”。
為了進(jìn)一步揭示螞蟻品級分化的內在機制，該研究團隊以法老蟻為模式生物，通過(guò)單細胞轉錄組測序技術(shù)開(kāi)展了研究。
“同一個(gè)體細胞的細胞核具有相同的遺傳物質(zhì)，但不同的體細胞卻具有不同的功能，這是在不同的細胞中由不同的基因發(fā)生轉錄的結果。因此，通過(guò)對不同細胞轉錄情況進(jìn)行測序和分析，就可以確定這些細胞承擔的功能?！崩顔I(yè)說(shuō)。
支持社會(huì )性的頭腦
“通過(guò)華大自主研發(fā)的單細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(gè)高質(zhì)量的單細胞核轉錄組數據?！?/span>
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(shuō)，“這是世界上首個(gè)全面覆蓋一個(gè)螞蟻社會(huì )中所有分工角色的單細胞圖譜?！?/span>
“我們的研究顯示，比起不具有社會(huì )性的果蠅，法老蟻腦中負責高級認知功能的蘑菇體細胞的豐度顯著(zhù)提高了。而在跳鐮猛蟻和蜜蜂中，蘑菇體細胞相比果蠅也同樣發(fā)生了擴張和多樣性分化?！痹撜撐墓餐ㄓ嵶髡?、中科院昆明動(dòng)物研究所副研究員劉薇薇說(shuō)。
與人類(lèi)社會(huì )的分工不同，螞蟻的品級分化是生理上的。該團隊的研究結果顯示，螞蟻不僅在體形上有明顯的分化，在腦結構和功能上也存在明顯的分化。
比如，工蟻負責高級認知功能的蘑菇體非常發(fā)達，嗅葉也很發(fā)達，而雄蟻則是視葉非常發(fā)達，雌性繁殖蟻的大腦則介于工蟻和雄蟻之間。
“這意味著(zhù)工蟻是更傾向于嗅覺(jué)感知的動(dòng)物，這與我們對螞蟻的一般認識吻合，而雄蟻則更依賴(lài)視覺(jué)?！眲⑥鞭闭f(shuō)。
大腦變化造就了蟻后
相比工蟻，蟻后的壽命要長(cháng)得多，比多數同體型的昆蟲(chóng)都要長(cháng)。
“在研究中，我們看到了處女繁殖蟻在交配后轉變?yōu)橄伜蟮倪^(guò)程中，大腦發(fā)生了明顯的可塑性變化?！眲⑥鞭闭f(shuō)，“很多細胞類(lèi)群的豐度都變化明顯?！?/span>
其中，視葉細胞類(lèi)群豐度降低，而多巴胺細胞及其下游神經(jīng)肽細胞豐度增加，一類(lèi)具有神經(jīng)保護功能的膠質(zhì)細胞豐度也顯著(zhù)增加。
“這揭示了蟻后成熟過(guò)程中調控其生理、行為發(fā)生劇烈變化的神經(jīng)機制，大腦細胞類(lèi)群的變化以及神經(jīng)環(huán)路的重塑，決定了蟻后職責功能的轉變以及壽命的極度延長(cháng)?！眲⑥鞭北硎?。
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(lái)，這項研究提示了螞蟻不同品級個(gè)體的社會(huì )分工和展現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(gè)體的大腦有不同方向和程度的特化，彼此之間又功能互補，執行不同的社會(huì )行為和功能，從而使得整個(gè)蟻群能夠同時(shí)擁有生殖、育幼、覓食、防御等全面的功能，因此蟻群成為一個(gè)真正意義上的“超個(gè)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(dòng)物類(lèi)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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