从独居到“帝国”，蚂蚁如何用1.6亿年实现

提到蚂蚁(mǎyǐ)，人们总想到成群结队、忙忙碌碌的小不点，在岩石、泥土、草丛、树木中爬行。可它们(tāmen)在地球上出现之初，却是“独居一族”。1.57亿年间，它们是如何从独居物种(wùzhǒng)逐步演化成具有不同社会形态结构、拥有约1.5万个物种的庞大生物类群(lèiqún)的？ 6月16日晚，国际权威(quánwēi)学术期刊《细胞》杂志发表由(yóu)我国科学家领导的中外联合研究(yánjiū)项目成果，探索了蚂蚁的演化历史和蚂蚁社会系统的演化机制，解析了推动蚂蚁社会行为、社会分工、社会组织(zǔzhī)结构演化的关键基因。 生殖(shēngzhí)分工构成蚂蚁社会基础 蚂蚁是我们日常生活中最容易遇到的昆虫。据介绍，地球(dìqiú)上现存蚂蚁的总重量(zǒngzhòngliàng)大约达到了人类总重量的五分之一，超过(chāoguò)了所有野生鸟类和野生哺乳动物的总和。植被上、岩石下、土壤中，蚂蚁分布在除南极洲外的几乎所有陆地生态环境中，它是全球最成功的动物类群之一，对生态系统(shēngtàixìtǒng)发挥着重要(zhòngyào)的塑造作用。 蚂蚁中不同的品级分化形式。（丁果/制图）①克平卷尾猛蚁，其生殖蚁（有翅）和工蚁（无翅）具有(jùyǒu)相似的体型；②东方行军(xíngjūn)蚁，其生殖蚁（中间具有庞大腹部(fùbù)的个体）和工蚁展现了巨大的体型差异；③法老小家蚁，所有工蚁体型相近；④全异重头(chóngtóu)蚁的非生殖品级则演化出了一型工蚁和多型兵蚁(bīngyǐ)，它们的体型差异显著。（图源：高琼华） “在(zài)蚂蚁的社会里，存在两个最基本的品级(pǐnjí)，即繁殖(fánzhí)品级和劳力品级。繁殖品级在交配前具有翅膀(chìbǎng)，可以婚飞，具有繁殖能力(nénglì)。而作为劳力品级的工蚁(gōngyǐ)虽然都是雌性，则往往没有繁殖能力，在某种意义上是中性的。”论文共同第一作者，浙江大学生命演化研究中心的博士后丁果告诉记者，“生殖分工构成了蚂蚁社会的基础，推动了蚂蚁社会性的演化。” 劳力品级分化(fēnhuà)关联巢穴规模扩大 “在很多蚂蚁物种中，劳力品级中还有更细致的分工，形成了一系列的亚品级。”论文共同(gòngtóng)通讯作者中国科学院昆明动物研究所的刘薇薇(liúwēiwēi)副研究员指出，“我们(wǒmen)发现多个基因和(hé)相应的调节过程在协同调控个体的品级发育，塑造了蚂蚁多样的分工模式。” “伴随着生殖分工的演变(yǎnbiàn)，劳力品级还进一步演化出多种类型分化(fēnhuà)，在社会系统的劳力角色中有更进一步的细化。”论文共同(gòngtóng)第一作者，南昌大学的熊子军(xióngzijūn)老师进一步介绍。据介绍，巢穴规模(guīmó)的扩大与品级的进一步分化密切相关，也同样对蚂蚁社会的复杂化发挥着关键的作用。 法老小家蚁的发育过程和品级分化（高琼华、冉浩等(rǎnhàoděng)制图） 关键基因变化重塑(zhòngsù)蚂蚁社会结构 “在1.57亿年的(de)演化(yǎnhuà)过程中，蚂蚁(mǎyǐ)产生(chǎnshēng)了(le)(le)一系列(yīxìliè)复杂的行为性状和生理特征，如标记觅食(mìshí)路径、个体之间的交哺等；还产生了多种非凡的生存策略，如种植真菌、放牧蚜虫、社会性寄生等。”论文共同作者、浙江大学生命演化研究中心的客座学者冉浩介绍说，“这些性状在不同的蚂蚁物种里，彼此互相连锁或排斥，形成了模块化的动态组合系统，以适应不同的环境需求，也催生了组织复杂度各异的蚂蚁社会组织形式。社会性特征之间的协同演化导致了蚂蚁社会结构的多样性。” “与(yǔ)此同时，基因层面(céngmiàn)所承受的选择压力会随之发生变化——一批基因被‘强化’以适应新(xīn)功能，而另一些基因则被‘放松’以简化不必要的性状，体现了不同(bùtóng)性状间(jiān)共享的基因调控(tiáokòng)基础。”刘薇薇表示，“与这些性状相关的基因，如果在社会复杂度较高的类群中受到更强烈选择压力，则往往会在社会组织复杂度变低的类群中受到较弱的选择压力；反之亦然。” 部分社会性特征之间的相互关系(guānxì)（Joel Vizueta、丁果(dīngguǒ)/制图） 通过比较具有不同社会组织结构的蚂蚁物种(wùzhǒng)的社会性状以及基因组，该研究(yánjiū)阐明了社会组织形式的变化是蚂蚁出现辐射性物种爆发和非凡的环境适应力的重要推动力。在这(zhè)一过程中，一些关键基因在自然选择作用(zuòyòng)下的改变，重塑了社会分工和社会组织复杂度(fùzádù)，促进了不同蚂蚁之间在社会结构上的巨大差异。 作为项目(xiàngmù)发起人，论文通信作者、浙江大学生命演化研究中心的(de)张国捷教授表示，这项研究表明，表型性状并非独立演化，而是(érshì)在基因网络模块重塑(zhòngsù)的过程中，不同表型性状相互关联、协同演化，最终促进了蚂蚁物种和社会性状的多样化。