解碼小螞蟻的“大智慧”
來源：中國科學報
隨手在路邊花壇扒拉兩下，十有八九會看見幾只螞蟻。事實上，作爲最常見的昆蟲，螞蟻家族有1.5萬多個現生物種，廣泛分佈在除極地之外的所有陸地生態系統中。如果把全球螞蟻集中在一起，總重量會超過地球上所有野生鳥類和哺乳動物總和。
螞蟻看似微小，卻是實打實的“生存大師”，有着過人的社會協作能力與組織智慧，至少在1億年前的白堊紀時期就已經形成了複雜的社會組織。
螞蟻爲什麼在演化上如此成功？螞蟻的社會組織又是如何演化形成的？
6月16日，由中國科學家領銜的研究團隊在《細胞》發表論文，揭示了螞蟻的演化歷史和螞蟻社會系統的演化機制，並系統解析了推動螞蟻社會行爲、社會分工、社會組織結構演化的關鍵基因。
從“一夫一妻”走向複雜化
“高度社會化是螞蟻成功的重要倚仗。”論文通訊作者、浙江大學生命演化研究中心教授張國捷介紹，螞蟻物種演化出了從簡單到高度複雜的社會組織形式，並且社會行爲方式多樣化，這使它們能佔據不同的生態位。
張國捷告訴《中國科學報》，在最基礎的螞蟻社會中，存在繁殖品級與勞力品級兩大基本階層。繁殖品級分爲雌性和雄性，交配後雄蟻死亡，雌蟻地下築巢，成爲產卵繁衍的蟻后。屬於勞力品級的工蟻由蟻后所生，雖同爲雌性，但失去或被抑制了繁殖能力，在功能上趨於“中性”，專司覓食、育幼等勞動任務。
這套基礎社會架構在不同螞蟻物種中衍生出了千變萬化的形態。有些物種維持單蟻后巢穴，另一些則允許多蟻后共存；更有甚者，在某些特化物種中，蟻后品級完全消失，轉而由工蟻通過無性繁殖延續種羣。
與如今的複雜情況不同，螞蟻的祖先遵循着類似“一夫一妻”的繁殖模式。根據漢密爾頓的親緣選擇理論推測，最原始的螞蟻社會很可能是“單配製”的，由一隻雌蟻與一隻雄蟻形成穩定的配偶關係，共同繁衍後代。
“單配製保證了所有巢穴成員具有更高的親緣關係。”論文共同第一作者、在浙江大學生命演化研究中心從事博士後研究的丁果解釋道，如果有的個體不繁殖，而去照顧有血緣關係的兄弟姐妹，基因仍然可以向下傳遞。
丁果說：“這爲穩定的生殖分工奠定了基礎，促成了螞蟻從獨居物種演化成社會性羣體物種。”
分工嚴格的螞蟻“帝國”
在螞蟻“帝國”中，嚴格的分工確保了整個羣體的高效運作與生存繁衍。知其然還要知其所以然，研究人員將目光轉向背後精妙的遺傳機制，發現這種生殖分工並非偶然形成，而是漫長自然選擇與演化塑造的結果。
“在基因組層面，我們觀察到螞蟻基因組在演化過程中頻繁發生染色體重排現象，但其中大約970個基因簇在過去1.57億年裡在超過80%的螞蟻物種中保持着穩定的共線性，基本變化不大。”論文共同通訊作者、中國科學院昆明動物研究所副研究員劉薇薇介紹，這些基因簇具有協同表達模式，部分基因存在品級間差異表達，提示可能參與調控發育和代謝等基礎生命過程，並在社會行爲和組織結構的演化中發揮重要作用。
隨着蟻后與工蟻之間生殖分工的逐漸演化，工蟻羣體內部也進一步分化出多種更爲細緻的亞品級，甚至部分物種特化出體形相對龐大的兵蟻。例如，在切葉蟻亞科的龜蟻屬中，兵蟻的頭部好似一個“扁平圓盤”，在遇到外敵入侵時，可以像盾牌一樣堵住巢穴入口，而工蟻頭部較小，主要負責覓食和巢內維護。
劉薇薇表示，螞蟻社會複雜度持續升級的核心驅動力在於羣體規模的擴大。“隨着蟻巢規模擴大，工蟻會逐漸分化出更多的亞品級，產生更精細的勞動分工。”
那麼，品級的細化在基因上是如何發生的？論文作者、浙江大學生命演化研究中心客座學者冉浩解釋，關鍵調節通路上的關鍵基因表達差異是品級與亞品級形成的基礎，而與保幼激素調控及腦發育相關的基因表達量差異，爲這一演化過程提供了分子層面的佐證。
“比如，我們在多個物種中發現，膠質細胞缺失基因（gcm）在小型工蟻大腦中的表達量比大型工蟻更高。作爲一個和大腦膠質細胞發生相關的轉錄因子，gcm可促進神經膠質功能的分化，進而在不同工蟻亞品級中產生特化行爲。”論文共同第一作者、南昌大學青年教師熊子軍補充說。
平凡螞蟻也有非凡的生存策略
在1.57億年的演化過程中，螞蟻不只形成生殖分工和亞品級，還產生了一系列社會性特徵。有的會種植真菌當作“莊稼”，有的像牧民一樣放牧蚜蟲獲取“奶源”，或是組織“軍隊”劫掠其他蟻羣，甚至玩轉“社會性寄生”，巧妙利用另一種螞蟻爲自己撫養後代……這些特徵彼此互相連鎖或排斥，形成了模塊化的動態組合系統，催生了複雜度各異的螞蟻社會組織形式。
研究人員全面解析了這些特徵的演化規律和不同特徵間的相互關係，找出了背後的基因調控基礎。“我們發現，不同特徵之間出現了協同演化關係，如螞蟻放牧蚜蟲獲得營養回報的共生現象往往伴隨着羣體循跡覓食、大巢穴和多蟻后等性狀的出現，這些性狀的相互關聯協同又進一步增加了羣體的社會組織複雜度。”張國捷說。
張國捷表示，當螞蟻的社會性狀發生協同演化時，基因所承受的選擇壓力也會相應變化，一些基因被“強化”以適應新功能，另一些則被“放鬆”甚至退化。這種調控模塊選擇壓力的動態變化，推動了不同螞蟻物種之間社會組織結構的多樣性演化。
“螞蟻社會的演化歷程堪稱自然界的奇蹟。”張國捷說，自然選擇在基因、性狀、個體、羣體層面同時發揮作用，這種多層次的演化機制不僅幫助我們理解螞蟻自身的社會結構演變，也爲研究其他社會性動物的演化提供了重要的理論框架。與此同時，螞蟻社會特徵的形成與演化，還涉及不斷重塑和整合多個核心調控網絡的結果，這種“舊基因，新功能”的策略，“提示了生命演化的簡約之美”。（記者 蒲雅傑）