《当代生物学》：阐明群居寄生蚂蚁的进化

克隆突袭蚁的混合群体，包含类似蚁后的突变体，具有退化的翅膀或翼根。年长的工蚁是深棕色的，而浅色的工蚁才出生几天。Credit: Daniel Kronauer

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by Rockefeller University）：众所周知，蚂蚁是勤奋的工作者，不知疲倦地完成分配给它们的任务——觅食、哺育幼虫、挖掘隧道、整理巢穴。但事实上，有些人完全是游手好闲。这些稀有物种被称为无工蜂的社会寄生虫，它们只作为蚁后存在，没有工蜂照顾它们，它们就会死去。为了生存，寄生蚂蚁会潜入一个由亲缘关系很近的蚂蚁组成的群体，在那里，只要它们保持相对较低的数量，它们和它们的后代就会成为群体中的休闲阶层。

长期以来，人们一直认为这些懒惰的昆虫可能是在孤立的环境中，通过一系列的突变，一个接一个地进化出了它们的女王特征。现在，洛克菲勒大学社会进化和行为实验室的科学家和他们在哈佛大学的合作者有了一个新理论。正如他们在《当代生物学》上报道的那样，他们发现了类似蚁后的突变体——寄生蚂蚁，它们自发地出现在克隆袭击蚂蚁的群体中，这些蚂蚁通常没有蚁后。

“这种突变体就像其他寄生物种的前身，”该研究的主要作者Waring Trible说。"这是一种理解蚂蚁如何进化成为社会寄生虫的新方法."

深入研究这些独特蚂蚁的遗传学可能是更好地理解种姓分化背后的分子机制的一种方式，或者一只蚂蚁如何发展成为工蚁或蚁后，这些仍然是未知的。它也有助于阐明一般生物的生物发展。

在15，000多种被确认的蚂蚁物种中，有数百种被认为是社会寄生虫。寄生蚂蚁出生在宿主群体内，会离开群体，使用性信息素吸引另一个群体的雄性与之交配，一旦怀孕，就会渗透到原来的群体或在附近找到另一个群体。

她经常用诡计来躲过殖民地守卫。例如，洗头蚁会在蚁巢入口外抓几只蚂蚁，舔舐它们以获得蚁群标志性的化学气味，然后舔舐全身以将其转移到自己的身体上。在化学物质的掩盖下，她可以溜进去度过她的一生，并繁殖新的蚁后和在群体外交配的雄蚁。雄性死去，蚁后又开始新的一轮。

由于它们的独特性，自查尔斯·达尔文以来，生物学家们对它们进行了广泛的研究，但在它们进化的主流理论中仍有一个症结，洛克菲勒大学斯坦利·s和悉尼·r·舒曼副教授兼实验室负责人丹尼尔·克罗纳尔说。

它们与宿主关系密切，但如果它们必须随着时间的推移获得这些寄生特征，它们就需要在繁殖过程中被隔离，否则与宿主杂交会洗掉它们独特的特征。但是没有人在野外发现中间进化的蚂蚁——它们有一些社会寄生虫的特征，但没有其他的，Kronauer说。

当类似蚁后的蚂蚁在2015年突然出现在克隆袭击者蚂蚁中时，正在研究种姓分化背后的遗传机制的特里布尔注意到了这一点。由于克隆突袭蚁通常没有蚁后，并且无性繁殖，蚁后样的突变体脱颖而出:它们生来就有翅膀、更大的眼睛和卵巢，成年后对劳动表现出普遍的冷漠。

但事实证明它们并不新鲜——它们已经在密集的群体中隐藏了多年，这些群体的数量掩盖了它们的存在。基因分析显示，它们已经变异，存在于首次发现它们的蚁群中——这是一个由其他正常蚂蚁组成的群体，克罗瑙尔于2008年在日本冲绳收集了这些蚂蚁，它们仍然生活在实验室中。这是一个线索，寄生虫蚂蚁入侵的典型故事可能需要重新思考。

研究人员随后进行了一系列实验和基因分析。第一批实验之一是将它们分离出来，看看这种表型是否可以遗传。因为克隆袭击者蚂蚁无性繁殖，他们不必担心与其他蚂蚁杂交。

女王的突变体产卵，发育成自己的副本。“我们知道我们有很酷的东西，”克罗纳尔说。

他们还测试了行为。完全由类似蚁后的突变体组成的觅食团队的规模只有工蚁的一半，而且它们也不太可能试图招募其他蚂蚁来寻找食物。这些行为是工蚁的勤奋和蚁后的依赖之间的一种中介，并允许变异蚂蚁避免离开安全的蚁群所固有的危险。

尽管产卵量是宿主的两倍，但蚂蚁会自我调节自己的数量。只要它们的数量保持在宿主人口的25%以下，它们就做得很好。超过这个数，他们就有麻烦了。当蚁后从蛹中出来时，它们需要工蚁的帮助来释放它们的翅膀，如果工蚁需要照顾的蚁后太多，它们就会被蛹皮缠住而死去。

“它们似乎有能力调节自己的繁殖，这样它们就不会让它们的宿主群体灭绝，这对寄生虫来说是一件非常聪明的事情，”特里布尔说，他曾是克罗纳尔实验室的成员，现在在哈佛大学经营自己的实验室，研究这些和其他突变体。"这为这些突变体提供了长时间生存的能力."

全基因组测序显示，寄生蚁后在13号染色体上有一个突变，这在结构上类似于其他蚂蚁中调节群体社会结构的染色体。这种突变染色体似乎包含一个“超基因”，即一组共同作用产生表型的基因。在这种情况下，超基因包含200多个单独的基因，其中不成比例的数量有助于激素的代谢。

这些基因包括编码细胞色素p450酶的基因，这些酶是蚂蚁和人类合成激素所必需的，并可能在这些极不寻常的突变体的产生中发挥作用。(这个酶家族可能是任何被警告在服用某些药物时不要喝葡萄柚汁的人所熟悉的，因为葡萄柚汁抑制了酶对药物的解毒作用。)

Kronauer说，似乎有了这个单一的突变，“它们的形态，更高的产卵量，行为——都可以在一个单一的突变步骤中改变”。

如果是这样的话，特里布尔说，“这将是一种方式，它实际上有可能从一个正常的蚂蚁变成一个单一物种的寄生虫。”

这种观点——一个物种中可能出现两种截然不同的动物——触及了蚂蚁种姓之谜的核心。因为没有工蚁的社会寄生虫来自一种影响蚂蚁种姓发展的非常特殊的突变类型，研究蚁后样突变体有可能揭示仍然未知的分子机制，这些机制使蚂蚁幼虫发展出独特的种姓形态。“它为研究它们的进化提供了一个非常全面的框架，”克罗纳尔说。

特里布尔说，这些发现还可能导致对包括人类在内的所有动物中发生的被称为异速生长的重要发育过程的进一步研究。异速生长使生物体的组织与其身体大小成比例。

特里布尔说，其机制尚不清楚，但理解它们可能与人类生物学的许多方面有关，包括疾病。或许类女王变种人可以提供一种新的研究途径。“我们没有果蝇、老鼠或人类遗传疾病突变的好例子，以如此戏剧性的方式打破异速生长的标度，”他说。

“我们认为这种女王般的突变体将成为理解种姓发展的有力工具，而种姓发展反过来又是研究这些关于异速生长如何工作的更大问题的理想模型。”