从独居到“帝国”，蚂蚁如何用1.6亿年实现

提到蚂蚁，人们总想到成群结队(chéngqúnjiéduì)、忙忙碌碌的小不点，在岩石(yánshí)、泥土、草丛、树木中爬行。可它们在地球上出现之初，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(wàngè)物种的庞大生物类群的？ 6月16日晚(rìwǎn)，国际权威学术期刊(xuéshùqīkān)《细胞》杂志发表由我国科学家领导的(de)中外联合研究项目成果，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、社会组织结构(jiégòu)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(de)昆虫。据介绍，地球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，超过了所有野生(yěshēng)鸟类和野生哺乳动物的总和。植被上、岩石下、土壤(tǔrǎng)中，蚂蚁分布(fēnbù)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，对生态系统发挥着重要的塑造作用。 蚂蚁中不同的(de)品级(pǐnjí)分化形式。（丁果/制图）①克平卷尾猛蚁，其(qí)生殖蚁（有翅）和工蚁（无翅）具有相似的体型；②东方行军蚁，其生殖蚁（中间具有庞大腹部的个体）和工蚁展现(zhǎnxiàn)了巨大的体型差异；③法老小家蚁，所有工蚁体型相近；④全异重头蚁的非生殖品级则演化出了一型工蚁和多型兵蚁，它们的体型差异显著。（图源：高(gāo)琼华） “在蚂蚁的(de)(de)社会里，存在两个最基本的品级(pǐnjí)，即繁殖品级和劳力品级。繁殖品级在交配前具有翅膀(chìbǎng)，可以婚飞，具有繁殖能力。而作为劳力品级的工蚁虽然都是雌性，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(shēngzhí)分工构成了蚂蚁社会的基础，推动了蚂蚁社会性(shèhuìxìng)的演化。” 劳力品级分化关联巢穴(cháoxué)规模扩大 “在很多蚂蚁物种中(zhōng)，劳力品级中还有更细致的(de)分工，形成了一系列的亚品级。”论文共同通讯(tōngxùn)作者中国科学院昆明动物研究所的刘薇薇副研究员指出，“我们发现多个基因和(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(de)演变，劳力品级还(hái)进一步(jìnyíbù)演化出多种类型分化，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(dìyī)作者，南昌大学的熊子军老师进一步介绍。据介绍，巢穴规模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(gāo)琼华、冉浩等制图） 关键基因变化重塑蚂蚁社会结构(jiégòu) “在1.57亿年的(de)演化过程中(zhōng)，蚂蚁产生了(le)一系列复杂的行为性状和生理特征(tèzhēng)，如标记觅食路径、个体之间的交哺等(děng)；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(gòngtóng)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(zǔhé)系统，以适应不同的环境需求，也催生了组织(zǔzhī)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。” “与此同时(yǔcǐtóngshí)，基因(jīyīn)层面所承受的选择压力会随之发生变化——一批基因被‘强化’以适应新功能，而另一些基因则被‘放松’以简化不必要的性状，体现(tǐxiàn)了不同(bùtóng)性状间共享的基因调控基础。”刘薇薇(liúwēiwēi)表示，“与这些性状相关的基因，如果在社会复杂度较高(gāo)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(tèzhēng)之间的(de)相互关系（Joel Vizueta、丁果/制图） 通过比较具有不同社会组织结构(jiégòu)的蚂蚁物种的社会性状以及基因组，该研究阐明了社会组织形式的变化是(shì)蚂蚁出现辐射性物种爆发和非凡的环境适应力(shìyìnglì)的重要推动力(tuīdònglì)。在这一过程中，一些关键基因在自然选择作用下的改变，重塑了社会分工和社会组织复杂度，促进了不同蚂蚁之间在社会结构上的巨大差异(chāyì)。 作为项目发起人，论文(lùnwén)通信作者、浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授表示，这项研究表明(biǎomíng)，表型性状并非独立演化，而是在基因网络(wǎngluò)模块(mókuài)重塑的过程中，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。