Tämä "hyödytön" elin määrittelee, mitkä muurahaiset kasvavat suuriksi sotilaiksi

Muurahaiskokoukset ovat kehittäneet joitain yllättäviä yhteisiä piirteitä 150 miljoonan vuoden aikana tai niin, että ne ovat indeksoineet maata. Palo-muurahaiset yhdistävät toisistaan ​​esimerkiksi pelottavan tehokkaita lautat, ja jotkut armeijan muurahaiset näyttävät rakentavan vaistomaisesti täydellisesti tehokkaita muurahaissiltoja ruuan keräämiseen.

Näillä hyönteisillä näyttää myös olevan kyky hallita populaatioitaan ylläpitämällä sotilaiden ja työntekijöiden välistä suhdetta. Kuinka sellaiset muurahaiskastijärjestelmät syntyivät, on jotain salaperäistä entomologeille, mutta Nature-julkaisussa tänään julkaistu tutkimus paljastaa, että siitä, kas muurahasta kasvaa sotilas vai onko työntekijällä tekemistä elimen kanssa, jonka pitkään ajateltiin olevan hyödytöntä - siipilevyjä.

"Nämä kastijärjestelmät ovat yksi fenotyyppisen evoluution tärkeimmistä selittämättömistä ilmiöistä", sanoo Washington Powellin George Washingtonin yliopiston antologi Scott Powell. "Tämä tutkimus todella identifioi tärkeimmät taustalla olevat kasetit tuottavat valvontakeskukset."

Siipilevyjen, pienten solutaskujen, on tarkoitus tulla kuningattaren siipiksi, mutta ne kasvavat toukkissa ja kuolevat sitten metamorfoosin aikana tuottaakseen siivettömiä sotilaita. Tutkimus osoittaa, että nämä alkeelliset siipilevyt eivät ole loppujen lopuksi niin alkeellisia, vaan vaikuttavat pikemminkin muurahaisten toukkien kehitykseen.

"Todella tärkeä kohta tässä työssä on se, että alkeellisilla elimillä ja vestigiaalisilla rakenteilla, joiden pitkään uskotaan olevan toimimattomia, voi olla todella merkittäviä signalointirooleja kehityksen aikana", sanoo evoluutiokehitysbiologi Ehab Abouheif McGill Universitystä, tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. uusi tutkimus. (Vastuuvapauslauseke: Puhuin Abouheifin kanssa hänen tutkimuksestaan ​​ennen julkaisua ja hän on sisällyttänyt minut paperin tunnustuksiin.)

Kehittyvät sotilastoukat tuottavat suuria, alkeellisia siipilevyjä, kun taas työntekijöiden toukat eivät. Aikaisemmin ajateltiin vain kuolevan pois metamorfoosin aikana, siipilevyillä on ilmeisesti jonkinlainen vaikutus muiden kehon osien kasvuun.

"[Siipilevyt] kasvavat melko suurina - se on tavallaan yllättävää", sanoo Diana Wheeler, Arizonan yliopiston antikologi, joka on tutkinut muurahaiskasteiden määritystä 1980-luvulta lähtien. ”Se ei selvästikään ole jotain, josta evoluutio vain unohti päästä eroon. Vaikuttaa siltä, ​​että sitä käytetään johonkin. ”

Muurahaisten toukkien siipikiekkojen näennäisellä toiminnalla on merkittäviä vaikutuksia hyönteisten evoluutiohistoriaan. Varhaiset muurahaiset tuottivat siirtokuntia siipikarjan kuningatar ja siipitön työntekijäkasti, ja myöhemmin useissa itsenäisissä linjoissa työntekijäkasti erotettiin edelleen alikastikkeiksi. Pheidolissa, yli 1 000 muurahaislajia sisältävässä monimuotoisessa suvussa, työntekijöiden kasti jaetaan alaikäisiin työntekijöihin ja sotilaisiin. Sotilailla on suhteettoman suuret päät, joita he käyttävät puolustukseen ja siementen käsittelyyn, kun taas alaikäiset työntekijät muodostavat 90 - 95 prosenttia siirtokunnasta ja tekevät tehtäviä, kuten hevosten kasvatusta ja ruokintaa.

1980-luvun Wheelerin tutkimukset osoittivat, että Pheidole- muurahaiset voivat säädellä alaikäisten työntekijöiden ja sotilaiden osuutta siirtokunnassa. Yksi tapa, jolla tämä asetus toimii, on sotilaiden valmistama estävä feromoni - kutikulaarinen hiilivety -, joka estää sotilaiden kehitystä toukkissa, jos sotilaat ylittävät noin viisi prosenttia siirtokunnan väestöstä.

Tutkimaan siipikiekkojen ja sotilasaluksen keskinäistä suhdetta, Abouheif ja hänen tiiminsä koputtivat geenin, jota kutsutaan vestigiaaliksi, joka aiheuttaa siipilevyn solujen kuoleman hyvin varhaisessa vaiheessa. Vestiginiaalin kaatuminen sotilaskohtaisille toukkille pienensi eläinten pään ja kehon kokoa tuottaen alaikäisiä työntekijöitä, kun taas vestiginiaalin kaataminen alaikäisiin työntekijöihin ei tuottanut vaikutusta.

Sitten ryhmä kasvatti sotilaskohtaisia ​​toukkia aikuisväestössä 100 prosenttia alaikäisiä työntekijöitä tai 100 prosenttia sotilaita. Koska siirtokunnassa oli 100 prosenttia alaikäisiä työntekijöitä, toukat tuottivat sotilaita. Mutta 100-prosenttisesti sotilaat antoivat kutikulaarisen hiilivetyferomonin, toukkien alkeellisen siipilevyn kokoa pienennettiin huomattavasti ja tuotti aikuisia muurahaisia ​​pienemmissä päissä ja rungossa.

Tietenkin se, että elimet vaikuttavat kehon muiden elinten kehitykseen, ei ole uutta. Aikaisemmat kokeet hyönteisillä ovat osoittaneet, että kehittyvät siivet kilpailevat esimerkiksi ravintoaineista ja kasvutekijöistä. Kehittyvän siipin vaurioituminen voi tuottaa signaaleja, jotka viivyttävät kehitystä koko kehossa, antaen levylle aikaa palautua, jotta kasvu voi edetä oikein koordinoidulla tavalla.

Ensimmäisen kirjoittajan Rajendhran Rajakumarin mielestä yllättävää on, että kilpailun sijasta alkeellinen siipi todella edistää pään kasvua sotilasalustassa. ”Se on vielä yllättävää, koska tämä kudos ei todellakaan muodostu aikuisilla. Se on alkeellista, joten emme todellakaan odottaneet löytävänsä sellaisia ​​tuloksia, joita teimme häiriintyessämme ”, kertoo Rajakumar, joka työskenteli Abouheifin laboratoriossa McGillissä ja on nyt tutkija Harvardissa.

Muurahaiset ovat kontrastina muiden sosiaalisten hyönteisten, kuten mehiläisten ja ampiaisten, kanssa, jotka eivät ole kehittyneet työntekijöiden polymorfismeiksi. Kaikilla kuningattaren ja työntekijöiden mehiläisillä on siipi, ja "jos teet siipiä, jonka täytyy lentää, et voi oikeasti leikkiä sen kasvulla, joten näiden levyjen kasvu on hyvin rajoitettua", Abouheif selittää. Tämä saattaa selittää sen, miksi työntekijöiden mehiläiset, toisin kuin muurahaiset, eivät koskaan evoluutioituneesti erotella edelleen alikannoiksi.

Alkuperäisistä tai eturauhasen elimistä, joita ajaa evoluutioinnovaatioita, ei ole monia tunnettuja esimerkkejä. Muut kuin siipikiekot, toinen mielenkiintoinen mahdollisuus on toukkahunaja-mehiläistyöntekijän munasarja, joka on yhtä suuri kuin kuningatar munuainen varhaisissa kehitysvaiheissa. Ei ole selvää, miksi toukkien mehiläistyöntekijät tarvitsevat munasarjat, koska he eivät koskaan lisääntyä, Smithsonian trooppisen tutkimusinstituutin evoluutiokehitysbiologi Mary Jane West-Eberhard sanoo.

"Joten kysymys olisi: onko normaalissa työntekijäkehityksessä tärkeää, että munasarjat ovat varhaisessa toukassa?", Hän kysyy. Vain tulevat tutkimukset kertovat.

"Toivon, että tämä työ johtaa ihmisiä katsomaan, mitä he ajattelevat eturauhaselimistä eri tavalla, ja että he yrittävät koota, mitä nuo asiat tosiasiallisesti tekevät sen sijaan, että he vain hylkäävät ne pelkästään jäljellä olevana asiana", Abouheif sanoo. "Luulen, että he todella pelaavat paljon suurempia roolia kuin olimme aikaisemmin ajatellut."