En undersøkelse av maur gir informasjon om utviklingen av sosiale insekter

Anonim

En av de store puslespillene til evolusjonær biologi er det som induserte visse levende vesener å forlate ensom eksistens til fordel for å leve i samarbeidsforeninger, som sett i tilfeller av maur og andre sosiale, kolonidannende insekter. En viktig egenskap ved såkalte eusociale arter er arbeidsfordeling mellom dronninger som legger egg og arbeidere som tar vare på brød og utfører andre oppgaver. Men hva er det som bestemmer at en dronning skal legge egg og at arbeidere ikke bør reproducere? Og hvordan kom dette skillet i løpet av evolusjonen? Evolusjonær biolog Dr. Romain Libbrecht har vurdert disse problemene de siste årene, og i samarbeid med forskere ved Rockefeller University i New York City har funnet et helt uventet svar: et enkelt gen kalles insulinlignende peptid 2 (ILP2), som trolig er aktivert av bedre ernæring, stimulerer eggstokkene og utløser reproduksjonen.

"Det kan virke nesten utænkelig at bare ett enkelt gen burde gjøre hele forskjellen, " påpekte Libbrecht. Forskerne konkluderte med en sammenligning av 5 581 gener i syv maurarter i fire forskjellige underfamilier som avviger fra hverandre med hensyn til mange egenskaper. Men i en ting er de alle like: det er alltid et større uttrykk for ILP2 i hjernen av reproduktive insekter. Queens har dermed høyere nivåer enn arbeidstakere. Et ytterligere funn indikerer at dette peptidet bare finnes i hjernen, der det produseres i en liten klynge på bare 12 til 15 celler.

Divisjon av reproduksjon og opplæring som grunnlag for sosial koloniformasjon

Det er postulert at opprinnelsen til sosial atferd i insekter finnes i hvep-lignende forfedre som vekslet mellom reproduksjons- og brøtpleiefaser. En kvinnelig veps ville legge et egg og ta vare på larven til den puperte. Imidlertid ble disse to faser separert og deres tilknyttede oppgaver tilordnet forskjellige individer, nemlig dronninger og arbeidere, under utviklingen av eusocialitet.

Libbrecht og hans kolleger i New York City undersøkte myrsarten Ooceraea biroi for å bestemme de molekylære mekanismene som ligger til grunn for denne arbeidsdeling. O. biroi er en liten art på 2 til 3 millimeter i lengde som stammer fra Asia, men har spredt seg over tropene. Insektene lever i underjordiske passasjer, angriper reirene til andre myrsarter, og spiser på deres brød. Den uvanlige tingen om O. biroi- arten er at det ikke er dronninger, kun kvinnelige arbeidere. Imidlertid kan hver kvinnelig arbeider reproducere gjennom parthenogenese. Dette betyr at en kvinne produserer en annen identisk kvinne - selve insektene kloner seg selv. Og de følger alltid en bestemt syklus: alle kvinnelige arbeidere legger egg i løpet av en 18-dagers periode, hvoretter de tilbringer 16 dager sammen med mat og fôring av larver. Syklusen starter da igjen.

Denne sykliske oppførselen er sammenlignbar med den for ensomme hvepslignende forfedre og styres av nærvær av larver. Når de første larver klekkes ut i slutten av den reproduktive fasen, undertrykker deres tilstedeværelse eggstoffaktivitet og utløser opplæringsadferd. Når larver begynner å puppe på slutten av brøtpleiefasen, blir ovarieaktiviteten oppskalert og foraging skaleres tilbake. "Det vi gjorde var å bryte denne syklusen, " forklarte Libbrecht. Forskerne syntetiserte peptidet ILP2 og injiserte det i myrene. Dette forårsaket myrene å legge egg i nærvær av larver.

Libbrecht brukte en substitusjonsmetode for å undersøke hva som skjer når larver blir introdusert i kolonien i reproduksjonsfasen, og omvendt når de fjernes under opplæringsfasen. "Det vi ser er at genuttrykket i hjernen endres i begge faser, og maurene forandrer deres oppførsel og fysiologi tilsvarende. Dette reaksjonen skjer imidlertid raskere hvis vi konfronterer egglegemyrer med larver." Insektene slutter da å legge egg og begynner å ta vare på brød. "Dette er fornuftig. Det er tross alt viktig for overlevelse å raskt begynne å mate larver, " la han til. Dette eksperimentet viste også at uttrykket av ILP2 i hjernen forandret seg raskt og signifikant som følge av endringen i sosiale forhold.

Fra asymmetri i ernæring til asymmetri i reproduksjon

Forskerne vurderte også relevansen av ernæring, som er kjent for å være av betydning når det gjelder differensiering mellom dronninger og arbeidere. En stor mengde eller en god kvalitet på næringsprotein favoriserer utviklingen av kvinnelige larver i dronninger. I kolonier av arten O. biroi er en liten del av myrene såkalte intercastes. Disse insekter er litt større, har øyne, og er mer reproduktive. På grunn av dette kan de sammenlignes til en viss grad med vanlige dronninger. Sannsynligheten for at en larve blir en intercast øker dersom den mottar bedre næring. Fluorescensbilder viser at disse intercastene har mer ILP2 i hjernen enn normale arbeidere.

"Noe sammenlignbare kan godt ha funnet sted når det gjelder forfedrene til eusosiale insekter, " foreslo Dr. Romain Libbrecht. "Kanskje en mindre asymmetri med hensyn til larver ernæring førte til asymmetri i den reproduktive oppførselen til voksne som utvikler seg fra de larver." Forutsetningen om at divisjonen i dronninger og arbeidere derfor kunne ha startet med en enkelt forskjell støttes av eksperimenter utført i totalt syv forskjellige myrarter.

Ytterligere undersøkelser skal gjennomføres for å avgjøre om funnene også gjelder for andre sosiale insekter og hvordan myrkolonier som superorganismer styrer den totale tilførselen av ernæring.

menu
menu