同窩螞蟻，頭腦不同

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在動物的演化歷程中，社會組織的出現是一個重要的轉折性事件，它使得動物的適應性大為增強。今天，我們仍能在不同物種中找到社會組織從簡單到復雜的一系列連續變化形式，其中，最引人注目的就是人類社會以及以蜜蜂、螞蟻等為代表的社會性昆蟲。而與人類社會不同，社會性昆蟲在發育過程中就表現出了形態、生理上的分化現象。

近日，我國科學家通過構建法老蟻不同品級大腦單細胞轉錄組圖譜，揭示了社會性昆蟲在品級分化過程中出現腦結構和功能特化的現象，揭示了蟻后成熟過程中大腦的可塑性變化，挖掘了調節其生殖力和壽命的關鍵細胞類群。該研究6月16日發表在《自然—生態與演化》上。

螞蟻“超個體”

螞蟻起源于1.4億年以前的白堊紀時代，現存約2萬多個物種。它們廣布于除極地冰原以外的所有陸地生態系統，是生物演化歷程中最成功的動物類群之一。

社會性是螞蟻成功的基石。在螞蟻的社會中，存在著明確的分工，也就是品級分化，如工蟻和繁殖蟻。

法老蟻的社會品級分化  劉薇薇等制圖

“雖然工蟻和蟻后具有同樣的二倍體基因組，但卻表現出明顯的形態、生理和行為的分化。” 該論文第一作者、華大生命科學研究院研究員李啟業介紹說，“多數螞蟻物種的工蟻沒有繁殖能力，它們只負責打理巢穴的事務，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。”

現在一個被學界普遍接受的觀點認為，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在機制，該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開展了研究。

“同一個體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，這是在不同的細胞中由不同的基因發生轉錄的結果。因此，通過對不同細胞轉錄情況進行測序和分析，就可以確定這些細胞承擔的功能。”李啟業說。

支持社會性的頭腦

“通過華大自主研發的單細胞建庫平臺和測序技術，我們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據。”該論文共同通訊作者、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。”

“我們的研究顯示，比起不具有社會性的果蠅，法老蟻腦中負責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生了擴張和多樣性分化。”該論文共同通訊作者、中科院昆明動物研究所副研究員劉薇薇說。

與人類社會的分工不同，螞蟻的品級分化是生理上的。該團隊的研究結果顯示，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達，它們的嗅葉也很發達，而雄蟻則是視葉非常發達，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，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。

大腦變化造就了蟻后

相比工蟻，蟻后的壽命要長得多，比多數同體型的昆蟲都要長。“在研究中，我們看到了處女繁殖蟻在交配后轉變為蟻后的過程中，大腦發生了明顯的可塑性變化。”劉薇薇說，“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肽細胞豐度增加，一類具有神經保護功能的膠質細胞豐度也顯著增加。

“這揭示了蟻后成熟過程中調控其生理、行為發生劇烈變化的神經機制，大腦細胞類群的變化以及神經環路的重塑，決定了蟻后職責功能的轉變以及壽命的極度延長。”劉薇薇表示。

在該論文共同通訊作者、浙江大學生命演化研究中心教授張國捷看來，這項研究提示了螞蟻不同品級個體的社會分工和展現出的行為差異與其大腦不同的特化程度有關。

張國捷表示，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、防御等全面的功能。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勢，演化成為地球上極具優勢的動物類群。