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在動(dòng)物的演化歷程中，一個(gè)重大轉(zhuǎn)折事件就是社會(huì)組織的出現(xiàn)，讓動(dòng)物的適應(yīng)性大為加強(qiáng)。

今天，我們?nèi)阅茉诓煌奈锓N中找到社會(huì)組織從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一系列連續(xù)變化形式。通過(guò)解析螞蟻為代表的社會(huì)性昆蟲(chóng)大腦細(xì)胞類(lèi)群組成特點(diǎn)，中外科學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)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，并構(gòu)建了一個(gè)涵蓋螞蟻社會(huì)中所有分工角色的大腦單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。上述研究成果于6月16日發(fā)表在《自然·生態(tài)與演化》雜志上。

螞蟻不能單獨(dú)生存

與人類(lèi)社會(huì)不同，社會(huì)性昆蟲(chóng)在發(fā)育過(guò)程中就表現(xiàn)出了形態(tài)、生理上的分化現(xiàn)象。螞蟻就是其中的典型代表。

螞蟻起源于1.4億年以前的白堊紀(jì)時(shí)代，現(xiàn)存約2萬(wàn)多個(gè)物種，其廣布于除極地冰原以外的所有陸地生態(tài)系統(tǒng)，是生物演化歷程中最成功的動(dòng)物類(lèi)群之一。

作為陸地上最興盛的社會(huì)性昆蟲(chóng)類(lèi)群，螞蟻的總重量大體與地球上所有人類(lèi)相當(dāng)，正通過(guò)在微觀世界的活動(dòng)影響著整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)。而社會(huì)性是螞蟻成功的基石。

螞蟻不能單獨(dú)生存，必須作為蟻群的一份子，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)。一個(gè)成熟的典型螞蟻群體內(nèi)至少存在4種不同的成體形態(tài)，分別為：蟻后和蟻后的后代們，后者包括工蟻、雄蟻和新的處女繁殖蟻。蟻后專(zhuān)職負(fù)責(zé)繁衍后代，而工蟻則完全或部分喪失了生殖潛能，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)覓食、育幼、筑巢、防御等除生殖外所有工作。

“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)研究院的李啟業(yè)研究員介紹說(shuō)，多數(shù)螞蟻物種的工蟻沒(méi)有繁殖能力，它們只負(fù)責(zé)打理巢穴的事物，而繁殖任務(wù)是由繁殖蟻來(lái)承擔(dān)的。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。

現(xiàn)在有一個(gè)被學(xué)界普遍接受的觀點(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”。

分工明確各擔(dān)其責(zé)

為進(jìn)一步揭示螞蟻品級(jí)分化的內(nèi)在機(jī)制，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、世界廣布的螞蟻。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)能同時(shí)存在多個(gè)蟻后，可以在巢內(nèi)自交，可誘導(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)使其能夠成為社會(huì)性昆蟲(chóng)研究的模式物種。

法老蟻的社會(huì)品級(jí)分化（劉薇薇等制）

“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)胞卻具有不同的功能?！崩顔I(yè)介紹說(shuō)，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，研究結(jié)果顯示，螞蟻不僅在體形上有明顯的分化，在腦結(jié)構(gòu)和功能上，也存在明顯的分化。比如負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的蘑菇體在工蟻中非常發(fā)達(dá)，嗅葉也很發(fā)達(dá)，而雄蟻則是視葉非常發(fā)達(dá)，雌性繁殖蟻的大腦則介于工蟻和雄蟻之間。

“這意味著工蟻是更傾向于嗅覺(jué)感知的動(dòng)物，它們有更好的學(xué)習(xí)記憶能力和高級(jí)認(rèn)知功能，能夠處理復(fù)雜信息，擁有更為靈活的行為策略。而雄蟻視覺(jué)系統(tǒng)極度發(fā)達(dá)，嗅葉和蘑菇體卻相對(duì)不發(fā)達(dá)，這可能與其僅擔(dān)負(fù)交配職責(zé)而完全不參與蟻巢其他工作的行為相關(guān)?！闭撐牡墓餐ㄓ嵶髡?、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所副研究員劉薇薇介紹說(shuō)，處女繁殖蟻和蟻后具有中間形態(tài)的大腦，意味著它們具有相對(duì)全面的行為模式，可以在必要時(shí)擔(dān)負(fù)各種職責(zé)，它們的大腦可能更接近螞蟻社會(huì)性起源之前的祖先狀態(tài)。

構(gòu)建首個(gè)全品級(jí)螞蟻大腦單細(xì)胞圖譜

法老蟻不同品級(jí)腦結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)重建（Bjarke H. Dethlefsen等 繪）

不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了覆蓋一個(gè)“超個(gè)體”螞蟻全部成體形態(tài)的大腦單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。

“我們通過(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)?！闭撐牡牧硪晃还餐ㄓ嵶髡摺⑷A大生命科學(xué)研究院研究員劉傳宇介紹說(shuō)，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。

該圖譜劃分出43種不同細(xì)胞類(lèi)群，注釋出蘑菇體細(xì)胞（負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)記憶等高級(jí)認(rèn)知功能）、視葉細(xì)胞（視覺(jué)信息處理）、嗅覺(jué)投射神經(jīng)元（氣味信息處理）、單胺類(lèi)神經(jīng)細(xì)胞，以及多種類(lèi)型的膠質(zhì)細(xì)胞。

通過(guò)比較螞蟻與果蠅的大腦細(xì)胞組成的差異發(fā)現(xiàn)，比起果蠅，螞蟻中負(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，其功能也發(fā)生了明顯的多樣性分化。這提示昆蟲(chóng)社會(huì)性生活方式的出現(xiàn)可能影響到大腦高級(jí)認(rèn)知中樞擴(kuò)張及多樣性分化。

不同于蘑菇體細(xì)胞，負(fù)責(zé)處理視覺(jué)信息的視葉細(xì)胞則表現(xiàn)出高度保守的特征。尤其是在果蠅中負(fù)責(zé)感知物體運(yùn)動(dòng)，使得雄果蠅在求偶儀式中能高效追蹤雌果蠅的視葉細(xì)胞，這類(lèi)細(xì)胞在螞蟻中也存在，而且其在螞蟻大腦的分布位置及所表達(dá)的特異分子與果蠅高度相似。這說(shuō)明，盡管螞蟻與果蠅在演化歷史上已分開(kāi)了數(shù)億年，它們大腦中仍然有很多種類(lèi)的細(xì)胞保持著同樣的分子特征，行使著相似的功能。

來(lái)源：科普時(shí)報(bào)

作者：胡利娟

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