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在動物的演化歷程中，一個重大轉折事件就是社會組織的出現(xiàn)，讓動物的適應性大為加強。

今天，我們仍能在不同的物種中找到社會組織從簡單到復雜的一系列連續(xù)變化形式。通過解析螞蟻為代表的社會性昆蟲大腦細胞類群組成特點，中外科學家研究團隊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，并構建了一個涵蓋螞蟻社會中所有分工角色的大腦單細胞轉錄組圖譜。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。

螞蟻不能單獨生存

與人類社會不同，社會性昆蟲在發(fā)育過程中就表現(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時代，現(xiàn)存約2萬多個物種，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物類群之一。

作為陸地上最興盛的社會性昆蟲類群，螞蟻的總重量大體與地球上所有人類相當，正通過在微觀世界的活動影響著整個陸地生態(tài)系統(tǒng)。而社會性是螞蟻成功的基石。

螞蟻不能單獨生存，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轉。一個成熟的典型螞蟻群體內至少存在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。蟻后專職負責繁衍后代，而工蟻則完全或部分喪失了生殖潛能，專門負責覓食、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?！闭撐牡牡谝蛔髡?、華大生命科學研究院的李啟業(yè)研究員介紹說，多數(shù)螞蟻物種的工蟻沒有繁殖能力，它們只負責打理巢穴的事物，而繁殖任務是由繁殖蟻來承擔的。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)在有一個被學界普遍接受的觀點，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”。

分工明確各擔其責

為進一步揭示螞蟻品級分化的內在機制，研究團隊以法老蟻為模式生物，通過單細胞轉錄組測序技術展開了研究。

法老蟻是一種適應性極強、對生長環(huán)境要求低、世界廣布的螞蟻。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，蟻群內能同時存在多個蟻后，可以在巢內自交，可誘導產生新的生殖蟻，易于在實驗室多代大量飼養(yǎng)。法老蟻這些生物學特點使其能夠成為社會性昆蟲研究的模式物種。

法老蟻的社會品級分化（劉薇薇等制）

“同一個體的體細胞的細胞核具有相同的遺傳物質，但是不同的體細胞卻具有不同的功能?！崩顔I(yè)介紹說，這是因為在不同的細胞中由不同的基因發(fā)生轉錄的結果。因此，通過對不同細胞轉錄情況的測序和分析，可以確定這些細胞承擔的功能。

通過比較法老蟻四種成體大腦的細胞組成，研究結果顯示，螞蟻不僅在體形上有明顯的分化，在腦結構和功能上，也存在明顯的分化。比如負責高級認知功能的蘑菇體在工蟻中非常發(fā)達，嗅葉也很發(fā)達，而雄蟻則是視葉非常發(fā)達，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感知的動物，它們有更好的學習記憶能力和高級認知功能，能夠處理復雜信息，擁有更為靈活的行為策略。而雄蟻視覺系統(tǒng)極度發(fā)達，嗅葉和蘑菇體卻相對不發(fā)達，這可能與其僅擔負交配職責而完全不參與蟻巢其他工作的行為相關?！闭撐牡墓餐ㄓ嵶髡?、中國科學院昆明動物研究所副研究員劉薇薇介紹說，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全面的行為模式，可以在必要時擔負各種職責，它們的大腦可能更接近螞蟻社會性起源之前的祖先狀態(tài)。

構建首個全品級螞蟻大腦單細胞圖譜

法老蟻不同品級腦結構三維結構重建（Bjarke H. Dethlefsen等 繪）

不僅如此，研究團隊還構建了覆蓋一個“超個體”螞蟻全部成體形態(tài)的大腦單細胞轉錄組圖譜。

“我們通過華大自主研發(fā)的單細胞建庫平臺和測序技術，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個高質量的單細胞核轉錄組數(shù)據(jù)?！闭撐牡牧硪晃还餐ㄓ嵶髡?、華大生命科學研究院研究員劉傳宇介紹說，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。

該圖譜劃分出43種不同細胞類群，注釋出蘑菇體細胞（負責學習記憶等高級認知功能）、視葉細胞（視覺信息處理）、嗅覺投射神經元（氣味信息處理）、單胺類神經細胞，以及多種類型的膠質細胞。

通過比較螞蟻與果蠅的大腦細胞組成的差異發(fā)現(xiàn)，比起果蠅，螞蟻中負責高級認知功能的蘑菇體細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。這提示昆蟲社會性生活方式的出現(xiàn)可能影響到大腦高級認知中樞擴張及多樣性分化。

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

來源：科普時報

作者：胡利娟

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