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在動物的演化曆程中，一個(ge) 重大轉折事件就是社會(hui) 組織的出現，讓動物的適應性大為(wei) 加強。

今天，我們(men) 仍能在不同的物種中找到社會(hui) 組織從(cong) 簡單到複雜的一係列連續變化形式。通過解析螞蟻為(wei) 代表的社會(hui) 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(hui) 性昆蟲伴隨著社會(hui) 分工而出現的腦特化現象，並構建了一個(ge) 涵蓋螞蟻社會(hui) 中所有分工角色的大腦單細胞轉錄組圖譜。上述研究成果於(yu) 6月16日發表在《自然·生態與(yu) 演化》雜誌上。

螞蟻不能單獨生存

與(yu) 人類社會(hui) 不同，社會(hui) 性昆蟲在發育過程中就表現出了形態、生理上的分化現象。螞蟻就是其中的典型代表。

螞蟻起源於(yu) 1.4億(yi) 年以前的白堊紀時代，現存約2萬(wan) 多個(ge) 物種，其廣布於(yu) 除極地冰原以外的所有陸地生態係統，是生物演化曆程中最成功的動物類群之一。

作為(wei) 陸地上最興(xing) 盛的社會(hui) 性昆蟲類群，螞蟻的總重量大體(ti) 與(yu) 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(ge) 陸地生態係統。而社會(hui) 性是螞蟻成功的基石。

螞蟻不能單獨生存，必須作為(wei) 蟻群的一份子，從(cong) 事特定的分工，與(yu) 其他螞蟻緊密合作，共同維持蟻巢的正常運轉。一個(ge) 成熟的典型螞蟻群體(ti) 內(nei) 至少存在4種不同的成體(ti) 形態，分別為(wei) ：蟻後和蟻後的後代們(men) ，後者包括工蟻、雄蟻和新的處女繁殖蟻。蟻後專(zhuan) 職負責繁衍後代，而工蟻則完全或部分喪(sang) 失了生殖潛能，專(zhuan) 門負責覓食、育幼、築巢、防禦等除生殖外所有工作。

“雖然工蟻和蟻後具有同樣的二倍體(ti) 基因組，但卻表現出明顯的形態、生理和行為(wei) 的分化。”論文的第一作者、華大生命科學研究院的李啟業(ye) 研究員介紹說，多數螞蟻物種的工蟻沒有繁殖能力，它們(men) 隻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，交配後雄蟻死亡，雌蟻翅膀脫落，成為(wei) 真正的蟻後。

現在有一個(ge) 被學界普遍接受的觀點，即認為(wei) 整窩螞蟻是一個(ge) “超個(ge) 體(ti) ”，每個(ge) 螞蟻都是這個(ge) 超個(ge) 體(ti) 的一個(ge) “細胞”，工蟻是它的“體(ti) 細胞”，而繁殖蟻是它的“生殖細胞”。

分工明確各擔其責

為(wei) 進一步揭示螞蟻品級分化的內(nei) 在機製，研究團隊以法老蟻為(wei) 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、對生長環境要求低、世界廣布的螞蟻。其個(ge) 體(ti) 小，繁殖快，發育周期短，群體(ti) 數量龐大。法老蟻行多後製，蟻群內(nei) 能同時存在多個(ge) 蟻後，可以在巢內(nei) 自交，可誘導產(chan) 生新的生殖蟻，易於(yu) 在實驗室多代大量飼養(yang) 。法老蟻這些生物學特點使其能夠成為(wei) 社會(hui) 性昆蟲研究的模式物種。

法老蟻的社會(hui) 品級分化（劉薇薇等製）

“同一個(ge) 體(ti) 的體(ti) 細胞的細胞核具有相同的遺傳(chuan) 物質，但是不同的體(ti) 細胞卻具有不同的功能。”李啟業(ye) 介紹說，這是因為(wei) 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(ti) 大腦的細胞組成，研究結果顯示，螞蟻不僅(jin) 在體(ti) 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(ti) 在工蟻中非常發達，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於(yu) 工蟻和雄蟻之間。

“這意味著工蟻是更傾(qing) 向於(yu) 嗅覺感知的動物，它們(men) 有更好的學習(xi) 記憶能力和高級認知功能，能夠處理複雜信息，擁有更為(wei) 靈活的行為(wei) 策略。而雄蟻視覺係統極度發達，嗅葉和蘑菇體(ti) 卻相對不發達，這可能與(yu) 其僅(jin) 擔負交配職責而完全不參與(yu) 蟻巢其他工作的行為(wei) 相關(guan) 。”論文的共同通訊作者、中國科學院昆明動物研究所副研究員劉薇薇介紹說，處女繁殖蟻和蟻後具有中間形態的大腦，意味著它們(men) 具有相對全麵的行為(wei) 模式，可以在必要時擔負各種職責，它們(men) 的大腦可能更接近螞蟻社會(hui) 性起源之前的祖先狀態。

構建首個(ge) 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(jin) 如此，研究團隊還構建了覆蓋一個(ge) “超個(ge) 體(ti) ”螞蟻全部成體(ti) 形態的大腦單細胞轉錄組圖譜。

“我們(men) 通過華大自主研發的單細胞建庫平台和測序技術，獲得了涵蓋法老蟻工蟻、處女繁殖蟻、蟻後、雄蟻4種全品級大腦，總共206367個(ge) 高質量的單細胞核轉錄組數據。”論文的另一位共同通訊作者、華大生命科學研究院研究員劉傳(chuan) 宇介紹說，這是世界上首個(ge) 全麵覆蓋一個(ge) 螞蟻社會(hui) 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(ti) 細胞（負責學習(xi) 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(yu) 果蠅的大腦細胞組成的差異發現，比起果蠅，螞蟻中負責高級認知功能的蘑菇體(ti) 細胞的豐(feng) 度顯著提高了，其功能也發生了明顯的多樣性分化。這提示昆蟲社會(hui) 性生活方式的出現可能影響到大腦高級認知中樞擴張及多樣性分化。

不同於(yu) 蘑菇體(ti) 細胞，負責處理視覺信息的視葉細胞則表現出高度保守的特征。尤其是在果蠅中負責感知物體(ti) 運動，使得雄果蠅在求偶儀(yi) 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(yu) 果蠅高度相似。這說明，盡管螞蟻與(yu) 果蠅在演化曆史上已分開了數億(yi) 年，它們(men) 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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