每日快看：螞蟻為什么能分工明確？科學(xué)家揭示螞蟻不同品級(jí)間的腦特化現(xiàn)象

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螞蟻起源于一億四千萬(wàn)年以前的白堊紀(jì)時(shí)代，現(xiàn)存20000多個(gè)種類。它們廣泛分布于除極地冰原以外的所有陸地生態(tài)系統(tǒng)中，是生物演化歷程中最成功的動(dòng)物類群之一。螞蟻在演化上的成功與其具有高度社會(huì)化的特性緊密相關(guān)。

近日，我國(guó)科學(xué)家通過(guò)對(duì)螞蟻腦組織的研究，揭示了社會(huì)性昆蟲(chóng)伴隨著社會(huì)分工而出現(xiàn)的腦特化現(xiàn)象，挖掘了調(diào)節(jié)其生殖力和壽命的關(guān)鍵細(xì)胞類群。6月16日，該研究成果《A single-cell transcriptomic atlas tracking the neural basis of division of labour in an ant superorganism》在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·生態(tài)與演化》上發(fā)表。

照顧繁殖蟻蛹的法老蟻工蟻。董志巍 攝

螞蟻“超個(gè)體”

螞蟻是陸地上最興盛的社會(huì)性昆蟲(chóng)類群，其總重量大體與地球上所有人類相當(dāng)。

在螞蟻的社會(huì)中，螞蟻不能單獨(dú)生存，而必須作為蟻群的一分子，從事特定的分工，與其他螞蟻緊密合作，共同維持蟻巢的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在一個(gè)蟻群中，蟻后專職負(fù)責(zé)繁衍后代，蟻后產(chǎn)下來(lái)的后代雌性個(gè)體中，有些發(fā)育成新的具有繁殖能力的蟻后，有些發(fā)育成工蟻。工蟻完全或部分喪失了生殖潛能，專門負(fù)責(zé)覓食、育幼、筑巢、防御等除生殖外的所有工作。

“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。”論文的第一作者、華大生命科學(xué)研究院研究員李啟業(yè)告訴新京報(bào)記者，多數(shù)螞蟻物種的工蟻沒(méi)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)則交由繁殖蟻來(lái)承擔(dān)。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。

在學(xué)界，有一個(gè)被大家普遍接受的觀點(diǎn)，即認(rèn)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(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(jí)分化的內(nèi)在機(jī)制，李啟業(yè)所在的研究團(tuán)隊(duì)以法老蟻為模式生物，通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)展開(kāi)了研究。

法老蟻是一種適應(yīng)性極強(qiáng)、對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求低、在世界上廣泛分布的螞蟻。其個(gè)體小、繁殖快、發(fā)育周期短、群體數(shù)量龐大。法老蟻行多后制，蟻群內(nèi)可同時(shí)存在多個(gè)蟻后，可以在巢內(nèi)自交，也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生新的生殖蟻，易于在實(shí)驗(yàn)室多代大量飼養(yǎng)。法老蟻這些生物學(xué)特點(diǎn)使其成為開(kāi)展社會(huì)性昆蟲(chóng)研究的理想模式物種。

正在交配的法老蟻繁殖蟻，其中通體黑色的為雄蟻。董志巍 攝

該論文的共同通訊作者、華大生命科學(xué)研究院研究員劉傳宇稱，他們通過(guò)華大自主研發(fā)的單細(xì)胞建庫(kù)平臺(tái)和測(cè)序技術(shù)，獲得了涵蓋法老蟻工蟻、處女繁殖蟻、蟻后、雄蟻4種全品級(jí)大腦總共206367個(gè)高質(zhì)量的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。“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(xì)胞圖譜。”

螞蟻具有支持“社會(huì)性”的腦子

李啟業(yè)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)采用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的研究手段，來(lái)解析螞蟻大腦細(xì)胞類群。其研究的原理是，同一個(gè)體的體細(xì)胞的細(xì)胞核具有相同的遺傳物質(zhì)，但是不同的體細(xì)胞具有不同的功能，這是因?yàn)樵诓煌募?xì)胞中由不同的基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄的結(jié)果。因此，通過(guò)對(duì)不同細(xì)胞轉(zhuǎn)錄情況的測(cè)序和分析，可以確定這些細(xì)胞承擔(dān)的功能。

通過(guò)比較法老蟻四種成體大腦的細(xì)胞組成，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)工蟻與雄蟻的大腦是極度特化的。其中負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)記憶的高級(jí)大腦中樞蘑菇體（Mushroom bodies）細(xì)胞和負(fù)責(zé)處理嗅覺(jué)信息的細(xì)胞在工蟻里豐度極高，而負(fù)責(zé)處理視覺(jué)信息的視葉細(xì)胞的豐度則很低。

法老蟻不同品級(jí)腦細(xì)胞的相對(duì)豐度。劉薇薇 繪

同時(shí)，雄蟻大腦的細(xì)胞組成趨勢(shì)則相反，視葉細(xì)胞豐度很高，而蘑菇體細(xì)胞和處理嗅覺(jué)信息的細(xì)胞豐度則顯著降低。處女繁殖蟻和蟻后的大腦則處于中間形態(tài)，絕大多數(shù)的細(xì)胞類群豐度都居于中間水平。

據(jù)論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所副研究員劉薇薇介紹，研究顯示，比起不具有社會(huì)性的果蠅，法老蟻腦中負(fù)責(zé)高級(jí)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。

“這意味著工蟻是更傾向于嗅覺(jué)感知的動(dòng)物，這與我們對(duì)螞蟻的一般認(rèn)識(shí)吻合。而雄蟻則更依賴視覺(jué)。”劉薇薇說(shuō)。“此外，相比工蟻，蟻后的壽命要長(zhǎng)得多，比多數(shù)同體型的昆蟲(chóng)都要長(zhǎng)。我們也看到處女繁殖蟻在交配后轉(zhuǎn)變?yōu)橄伜蟮倪^(guò)程中，大腦發(fā)生了明顯的可塑性變化。”

法老蟻不同品級(jí)腦結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)重建。劉薇薇 繪

據(jù)她介紹，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(guò)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)變以及壽命的大幅度延長(zhǎng)。

論文共同通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心的張國(guó)捷教授指出，這項(xiàng)工作表明螞蟻不同品級(jí)個(gè)體的社會(huì)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)。不同品級(jí)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(bǔ)，執(zhí)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、防御等多種功能。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(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)，演化成為地球上極具優(yōu)勢(shì)的動(dòng)物類群。

新京報(bào)記者 張建林

編輯 陳靜 校對(duì) 楊許麗