“螻蟻”常被代指力量弱小、無(wú)足輕重的動(dòng)物或人。然而，生物學(xué)家眼中，螞蟻卻是生命演化史上最成功的類群之一，至少1億年前它們就已經(jīng)形成了復(fù)雜的社會(huì)組織，不僅闖過(guò)了兇險(xiǎn)的白堊紀(jì)末大滅絕，還發(fā)展成為超過(guò)1.5萬(wàn)個(gè)現(xiàn)生物種的龐大家族。
螞蟻因何如此成功？螞蟻社會(huì)又是如何演化形成的？浙江大學(xué)生命演化研究中心張國(guó)捷團(tuán)隊(duì)組織的聯(lián)合研究項(xiàng)目在著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表長(zhǎng)論文，揭示了螞蟻社會(huì)系統(tǒng)的演化機(jī)制。
螞蟻家族興盛的秘密：高度社會(huì)化
螞蟻是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钊菀子龅降睦ハx(chóng)。科學(xué)家做過(guò)估算，如果把全球螞蟻都集中在一起，它們的總重量會(huì)超過(guò)地球上所有野生鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物的總和。植被上、巖石下、土壤中……螞蟻分布在除極地外的幾乎所有陸地生態(tài)環(huán)境中，它是全球最成功的動(dòng)物類群之一，也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的塑造作用。
螞蟻的品級(jí)、社會(huì)組織和行為性狀的演化
“高度社會(huì)化是螞蟻成功的重要倚仗，不同螞蟻物種演化出了從簡(jiǎn)單到高度復(fù)雜的社會(huì)組織形式，并且在社會(huì)行為方式具有非常多的多樣化，這使它們能占據(jù)不同的生態(tài)位。”研究項(xiàng)目的主要發(fā)起人，論文通信作者，浙江大學(xué)生命演化研究中心教授張國(guó)捷教授表示，“通過(guò)研究，我們希望能回答，螞蟻的社會(huì)性是如何發(fā)生和演化的，它們又是如何變得如此多樣化？有哪些基因在這過(guò)程中起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用？”
工蟻為什么都是“小光棍”？
蟻群社會(huì)里，存在兩個(gè)最基本的階層——繁殖品級(jí)和勞力品級(jí)。在繁殖品級(jí)中，存在雌性和雄性兩種繁殖蟻，它們完成交配后，雄蟻很快走向死亡，而雌蟻則會(huì)脫落翅膀，鉆入地下建立巢穴，成為蟻后。蟻后是巢穴中所有成員的母親，巢內(nèi)所有的工蟻都是它的女兒。
勞力品級(jí)的工蟻雖然與蟻后具有相同的基因，但其繁殖力被壓制甚至有些完全失去了繁殖器官，它們?cè)谀撤N意義上是“中性”的，不承擔(dān)生殖責(zé)任。在一些螞蟻物種中，工蟻還會(huì)細(xì)分出更多大大小小不同的亞品級(jí)。例如，大頭蟻中就存在特化的兵蟻，它們擁有厚重的上顎和發(fā)達(dá)的咬肌，專為戰(zhàn)斗而生。
全異重頭蟻的工蟻和超級(jí)兵蟻在體型上有顯著差異
役奴蟻方結(jié)俄蟻工蟻（大）和奴隸蟻原蟻小工蟻（小）
“螞蟻?zhàn)畛醯慕慌渲贫葹椤K身單配偶制’，這讓后代間保持了緊密的親緣關(guān)系，可能使得一些個(gè)體為群體放棄生殖機(jī)會(huì)，進(jìn)而為生殖分工的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。”論文共同第一作者，浙江大學(xué)生命演化研究中心博士后丁果介紹，研究發(fā)現(xiàn)保幼激素信號(hào)通路、絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路（MAPK）等保守的分子調(diào)控通路，在不同品級(jí)之間的螞蟻身上存在顯著差異表達(dá)，而且在螞蟻演化過(guò)程中受到強(qiáng)烈的自然選擇，一些關(guān)鍵基因在不同螞蟻類群之間的變化，塑造了螞蟻多樣的分工模式和社會(huì)組織形式。
螞蟻演化策略：用舊基因?qū)崿F(xiàn)新功能
“生殖分工的形成，在基因組層面留下了印記。”論文共同通信作者中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所的劉薇薇副研究員指出，“螞蟻基因組在演化過(guò)程中頻繁發(fā)生染色體重排現(xiàn)象，但我們發(fā)現(xiàn)有大約970個(gè)基因簇，在上億年的螞蟻演化歷程中，維持了穩(wěn)定的共線性。”
螞蟻群體的發(fā)育和品級(jí)分化與動(dòng)物個(gè)體的發(fā)育和細(xì)胞分化的具有很大的相似性
論文共同第一作者，南昌大學(xué)的青年教師熊子軍博士補(bǔ)充指出，這些保守基因簇往往表現(xiàn)出協(xié)同表達(dá)模式，且部分基因在品級(jí)之間呈現(xiàn)出差異化表達(dá)。提示這些基因可能參與調(diào)控發(fā)育和代謝等基礎(chǔ)生命過(guò)程，并在社會(huì)行為和組織結(jié)構(gòu)的演化中發(fā)揮重要作用。
“在1.57億年的演化過(guò)程中，螞蟻產(chǎn)生了一系列社會(huì)性行為性狀或者生理特征，如標(biāo)記覓食路徑、個(gè)體之間的交哺等。它們還產(chǎn)生了多種非凡的生存策略，如種植真菌、放牧蚜蟲(chóng)、劫掠其他螞蟻、社會(huì)性寄生等。”論文共同作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心客座學(xué)者冉浩介紹，螞蟻一系列社會(huì)特征的形成和演化，也是核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重編程和整合形成的，包括其生殖、覓食、營(yíng)養(yǎng)代謝及內(nèi)激素響應(yīng)信號(hào)等，這種“舊基因，新功能”的策略，提示了生命演化的簡(jiǎn)約之美。
螞蟻個(gè)體的生活史（左）和螞蟻群體的生活史（右）
“通過(guò)比較具有不同社會(huì)組織結(jié)構(gòu)的螞蟻物種在社會(huì)性狀和基因組上的差異，我們的研究顯示，社會(huì)組織形式的變化是螞蟻演化的重要推動(dòng)力。在這過(guò)程中，保幼激素及MAPK等與品級(jí)分化相關(guān)的關(guān)鍵分子信號(hào)通路上關(guān)鍵基因的改變，在自然選擇作用下，重塑了社會(huì)分工和社會(huì)組織復(fù)雜度，促進(jìn)了不同螞蟻之間在社會(huì)結(jié)構(gòu)上的巨大差異。”張國(guó)捷總結(jié)說(shuō)，“我們的研究也表明，表型性狀并非獨(dú)立演化，而是在基因網(wǎng)絡(luò)模塊重塑的過(guò)程中，不同表型性狀相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同演化，最終促進(jìn)了螞蟻物種和社會(huì)性狀的多樣化。”
現(xiàn)代快報(bào)/現(xiàn)代+記者 是鐘寅
（受訪對(duì)象供圖）
