(相關(guān)資料圖)

螞蟻起源于一億四千萬年以前的白堊紀時代，現(xiàn)存20000多個種類。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物類群之一。螞蟻在演化上的成功與其具有高度社會化的特性緊密相關(guān)。

近日，我國科學(xué)家通過對螞蟻腦組織的研究，揭示了社會性昆蟲伴隨著社會分工而出現(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“超個體”

螞蟻是陸地上最興盛的社會性昆蟲類群，其總重量大體與地球上所有人類相當。

在螞蟻的社會中，螞蟻不能單獨生存，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轉(zhuǎn)。

在一個蟻群中，蟻后專職負責(zé)繁衍后代，蟻后產(chǎn)下來的后代雌性個體中，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)告訴新京報記者，多數(shù)螞蟻物種的工蟻沒有繁殖能力，它們只負責(zé)打理巢穴的事務(wù)，而繁殖任務(wù)則交由繁殖蟻來承擔(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，有一個被大家普遍接受的觀點，即認為整窩螞蟻是一個“超個體”，每個螞蟻都是這個超個體的一個“細胞”，工蟻是它的“體細胞”，而繁殖蟻是它的“生殖細胞”。為了進一步揭示螞蟻品級分化的內(nèi)在機制，李啟業(yè)所在的研究團隊以法老蟻為模式生物，通過單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)展開了研究。

法老蟻是一種適應(yīng)性極強、對生長環(huán)境要求低、在世界上廣泛分布的螞蟻。其個體小、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)可同時存在多個蟻后，可以在巢內(nèi)自交，也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生新的生殖蟻，易于在實驗室多代大量飼養(yǎng)。法老蟻這些生物學(xué)特點使其成為開展社會性昆蟲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，他們通過華大自主研發(fā)的單細胞建庫平臺和測序技術(shù)，獲得了涵蓋法老蟻工蟻、處女繁殖蟻、蟻后、雄蟻4種全品級大腦總共206367個高質(zhì)量的單細胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。“這是世界上首個全面覆蓋一個螞蟻社會中所有分工角色的單細胞圖譜。”

螞蟻具有支持“社會性”的腦子

李啟業(yè)說，研究團隊采用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序的研究手段，來解析螞蟻大腦細胞類群。其研究的原理是，同一個體的體細胞的細胞核具有相同的遺傳物質(zhì)，但是不同的體細胞具有不同的功能，這是因為在不同的細胞中由不同的基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄的結(jié)果。因此，通過對不同細胞轉(zhuǎn)錄情況的測序和分析，可以確定這些細胞承擔(dān)的功能。

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

法老蟻不同品級腦細胞的相對豐度。劉薇薇 繪

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

據(jù)論文共同通訊作者、中國科學(xué)院昆明動物研究所副研究員劉薇薇介紹，研究顯示，比起不具有社會性的果蠅，法老蟻腦中負責(zé)高級認知功能的蘑菇體細胞的豐度顯著提高了，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。

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

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

據(jù)她介紹，很多細胞類群的豐度都變化明顯。其中，視葉細胞類群豐度降低，而多巴胺細胞及其下游神經(jīng)肽細胞豐度增加，一類具有神經(jīng)保護功能的膠質(zhì)細胞豐度也顯著增加。這揭示了蟻后成熟過程中調(diào)控其生理、行為發(fā)生劇烈變化的神經(jīng)機制，大腦細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。

論文共同通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心的張國捷教授指出，這項工作表明螞蟻不同品級個體的社會分工和展現(xiàn)出的行為差異與其大腦不同的特化程度有關(guān)。不同品級個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(zhí)行不同的社會行為和功能，從而使得整個蟻群能夠同時擁有生殖、育幼、覓食、防御等多種功能。因此，蟻群成為一個真正意義上的“超個體”，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)勢的動物類群。

新京報記者 張建林

編輯 陳靜 校對 楊許麗