單細胞測序技術(shù)解密螞蟻帝國 為什么螞蟻必須生存在蟻群中？
看似不起眼的螞蟻，已經(jīng)在地球上存活1.4億年，曾與恐龍共存，其歷史比人類(lèi)的歷史更悠久。螞蟻是億萬(wàn)年生存斗爭中的佼佼者，我們往往為螞蟻社會(huì )細致的分工而驚嘆。人類(lèi)的行為與社會(huì )分工會(huì )受許多外在因素的影響，比如自然環(huán)境、社會(huì )文化等，那螞蟻的分工又是因為什么呢？近日，深圳科學(xué)家們找到了這個(gè)答案。
深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)等單位首次用單細胞測序技術(shù)，構建了螞蟻四種不同品級的大腦細胞圖譜，揭示了螞蟻伴隨著(zhù)社會(huì )分工而出現的腦部特異化現象和不同社會(huì )品級行為模式差異的神經(jīng)基礎，展現了蟻后成熟過(guò)程中大腦的可塑性變化，找到調節其生殖力和壽命的關(guān)鍵細胞類(lèi)群。
其相關(guān)研究成果已于6月16日在權威學(xué)術(shù)期刊《自然·生態(tài)與演化》上發(fā)表。
文/廣州日報全媒體記者王納
不同分工導致螞蟻大腦結構差異
據介紹，螞蟻在演化上的成功與其高度社會(huì )化緊密相關(guān)。一個(gè)成熟的螞蟻帝國中，至少存在4種不同形態(tài)的分工類(lèi)型，分別為：工蟻、雄蟻、處女繁殖蟻和蟻后。
通常來(lái)說(shuō)，工蟻的卵巢完全退化，終身從事育幼、覓食等工作，自身沒(méi)有繁殖能力。
而雄蟻活著(zhù)只有一個(gè)目標，離開(kāi)巢穴找到心儀的蟻后進(jìn)行交配，交配后很快生命就結束了。
處女繁殖蟻成功交配后成為蟻后，蟻后長(cháng)期待在巢內，專(zhuān)職產(chǎn)卵，獲得蟻后位置的她壽命還會(huì )顯著(zhù)延長(cháng)。而錯過(guò)交配窗口期的處女繁殖蟻，其行為會(huì )逐漸偏向工蟻，從事部分育幼及覓食工作，而且卵巢也會(huì )逐漸萎縮。
研究團隊選用了社會(huì )性昆蟲(chóng)研究的模式物種——法老蟻作為研究對象，基于華大DNBelab C4單細胞建庫測序平臺，分析了900多個(gè)來(lái)自4種不同品級的法老蟻的大腦，構建了覆蓋法老蟻社會(huì )中全部成體形態(tài)的大腦細胞圖譜，并將其劃分出43種不同的細胞類(lèi)群。
研究團隊發(fā)現，工蟻與雄蟻的大腦是極度特異化的。處女繁殖蟻和蟻后的大腦細胞組成則相對“正?！?。
“工蟻是更傾向于嗅覺(jué)感知的動(dòng)物，而雄蟻則更依賴(lài)視覺(jué)，這可能與其要依靠視力來(lái)尋找合適的交配對象有關(guān)?！?論文的第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院研究員李啟業(yè)介紹說(shuō)，“蟻群內部伴隨著(zhù)不同的社會(huì )分工出現了不同結構和細胞組成的大腦，這些就像是為了完成特定的工作，而專(zhuān)門(mén)設計的一個(gè)個(gè)大腦?！?/p>
螞蟻大腦可以功能互補
“而在整體層面，不同品級的螞蟻大腦有不同方向和程度的特異化，彼此之間又功能互補，這使得蟻群成為一個(gè)真正意義上的‘超個(gè)體’，能夠同時(shí)行使生殖、育幼、覓食、防御等全面的功能?！闭撐牡墓餐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所副研究員劉薇薇說(shuō)。
自然界中具有社會(huì )行為的動(dòng)物很多，但能稱(chēng)為“超個(gè)體”的動(dòng)物并不多。如狼，雖然屬于社會(huì )型動(dòng)物，每個(gè)個(gè)體平時(shí)生活在狼群里，但是如果把它單獨拉出來(lái)，它依舊是一匹全能的狼，能自己吃飯睡覺(jué)，跟異性交配產(chǎn)生后代。
而螞蟻中的工蟻卻不能繁殖，作為一個(gè)生命，它其實(shí)并不完整。蟻后雖然有繁殖能力，卻往往生活不能自理，需要工蟻照顧它。只有把這一窩螞蟻湊成一個(gè)整體，它作為一個(gè)生物的所有生理機能才能齊全。在某種程度上，我們甚至可以把這一窩上萬(wàn)只螞蟻當成一個(gè)整體來(lái)看待。像這樣的生物，我們叫它“超個(gè)體生物”。
該研究還有一些有意思的發(fā)現。處女繁殖蟻成功交配后成為蟻后，其翅膀會(huì )脫落，壽命也會(huì )顯著(zhù)延長(cháng)。這是為什么呢？
研究團隊發(fā)現，處女繁殖蟻與成熟的蟻后相比，大腦細胞組成發(fā)生了明顯的變化。其中視葉細胞的含量在蟻后大腦中明顯降低，這與蟻后長(cháng)期適應黑暗的巢內環(huán)境相關(guān)。而多巴胺細胞以及一類(lèi)具有神經(jīng)保護功能的膠質(zhì)細胞的含量則在蟻后大腦中顯著(zhù)增加。這些大腦細胞類(lèi)群的變化以及神經(jīng)環(huán)路的重塑，或許決定了蟻后生殖功能的極度提升以及壽命的顯著(zhù)延長(cháng)。這也為其他動(dòng)物長(cháng)壽的研究提供了可能的方向。
論文的共同通訊作者、深圳華大生命科學(xué)研究院劉傳宇研究員表示：“本研究讓我們更好地理解螞蟻腦部特征與其社會(huì )性的關(guān)系。隨著(zhù)單細胞測序技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)，單細胞技術(shù)將會(huì )被應用到更多的生物學(xué)研究中，助力人類(lèi)對生命的解析?！?/p>
論文的共同通訊作者，現任浙江大學(xué)求是講席教授、生命演化研究中心主任張國捷指出，這項工作提示了大腦的特異化是螞蟻不同品級展現出社會(huì )分工和行為差異的基礎。他總結道，這些彼此之間既有差異但又功能互補的大腦，支撐蟻群成為一個(gè)真正意義上的“超個(gè)體”。因此，自然選擇作用也上升到了一個(gè)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，演化成為地球上極度優(yōu)勢的動(dòng)物類(lèi)群。 【編輯:邵婉云】
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