具有高度社会分工的蚂蚁，在社会角色固化的过程中，它们的大脑发生了怎样的变化？近日，我国科学家通过构建法老蚁不同品级大脑单细胞转录组图谱，揭示了社会性昆虫在品级分化过程中出现脑结构和功能特化的现象、蚁后成熟过程中大脑的可塑性变化，挖掘了调节其生殖力和寿命的关键细胞类群。
6月16日23点，该研究在权威学术期刊《自然·生态与演化》上发表。
一窝蚂蚁形成一个“超个体”
蚂蚁起源于1亿4千万年以前的白垩纪时代，是陆地上最兴盛的社会性昆虫类群，现存约2万多个物种。它们广布于除极地冰原以外的所有陆地生态系统，是生物演化历程中最成功的动物类群之一。蚂蚁在演化上的成功与其具有高度社会化的特性紧密相关。在一个蚁群中，逐渐分化出形态、生理与行为均不同的品级。
一个成熟的典型蚂蚁群体内至少存在4种不同的品级，分别是工蚁（worker）、雄蚁（male）、处女繁殖蚁（gyne）以及蚁后（queen）。
法老蚁的社会品级分化（刘薇薇等制）
“虽然工蚁和蚁后有相同的遗传背景，但却表现出明显的形态、生理和行为的分化。”论文的第一作者华大生命科学研究院的李启业研究员介绍说，“很多蚂蚁物种工蚁的卵巢完全退化，终身从事育幼、觅食等蚁巢维持工作，没有繁殖能力。雄蚁一生只从事交配工作，交配后很快就会死掉。处女繁殖蚁成功交配后成为蚁后，蚁后长期待在巢内，专职产卵，而且其寿命会显著延长；而错过交配窗口期的处女繁殖蚁，其行为会逐渐偏向工蚁，从事部分育幼及觅食工作，而且其卵巢会逐渐萎缩”。
现在有一个被学界普遍接受的观点，即认为整窝蚂蚁是一个“超个体”，每个蚂蚁都是这个超个体的一个“细胞”，工蚁是它的“体细胞”，而繁殖蚁则是它的“生殖细胞”。
不同品级蚂蚁脑结构差异显著
为了进一步揭示蚂蚁品级分化的内在机制，研究团队以法老蚁为模式生物，通过单细胞转录组测序技术展开了研究。
法老蚁是一种适应性极强、对生长环境要求低、世界上广泛分布的蚂蚁。其个体小，繁殖快，发育周期短，群体数量庞大。法老蚁蚁群内可同时存在多个蚁后，可以在巢内自交，可诱导产生新的生殖蚁，易于在实验室多代大量饲养，这使得它成为社会性昆虫研究极佳的模式物种。
通过对不同脑细胞转录情况的测序和分析，研究人员可以确定其承担的功能。“通过华大自主研发的单细胞建库平台和测序技术，我们获得了涵盖法老蚁工蚁、处女繁殖蚁、蚁后、雄蚁4种全品级大脑总共约20.6万个高质量的单细胞核转录组数据。”论文另一共同通讯作者、华大生命科学研究院刘传宇研究员补充说，“这是世界上首个全面覆盖一个蚂蚁社会中所有分工角色的单细胞图谱”。
法老蚁不同品级脑结构三维结构重建（Bjarke H. Dethlefsen等 绘）
“我们的研究显示，比起不具有社会性的果蝇，法老蚁脑中负责高级认知功能的蘑菇体细胞的丰度显著提高了。”论文的共同通讯作者中国科学院昆明动物研究所的刘薇薇副研究员介绍。
与人类社会的分工不同，蚂蚁的品级分化是生理上的。该团队的研究结果显示，蚂蚁不仅在体形上有明显的分化，在脑结构和功能上，也存在明显的分化。比如，负责高级认知功能的蘑菇体在工蚁中非常发达，嗅叶也很发达，而雄蚁则是视叶非常发达，雌性繁殖蚁的大脑则介于工蚁和雄蚁之间。刘薇薇认为，这意味着工蚁是更依赖嗅觉感知的个体，它们也有更好的认知功能和灵活的行为策略。而雄蚁则更依赖视觉，这可能与其要寻找合适的交配对象有关。
蚁后成熟过程中大脑发生显著重塑
“我们还看到了处女繁殖蚁在交配后转变为蚁后的过程中，大脑发生了明显的可塑性变化。”刘薇薇指出，“很多细胞类群的丰度都变化明显。”其中，视叶细胞类群丰度降低，而多巴胺细胞及其下游神经肽细胞丰度增加，一类具有神经保护功能的胶质细胞丰度也显著增加，“这说明在蚁后成熟过程中，大脑细胞类群的变化以及神经环路的重塑，决定了蚁后职责功能的转变及其寿命的极度延长”。
法老蚁不同品级的脑细胞相对丰度（李启业等绘）
论文的共同通讯作者浙江大学求是讲席教授、生命演化研究中心主任张国捷教授指出，这项工作提示了蚂蚁不同品级个体的社会分工和展现出的行为差异与其大脑不同的特化程度有关。他总结，不同品级个体的大脑有不同方向和程度的特化，彼此之间又功能互补，执行不同的社会行为和功能，从而使得整个蚁群能够同时拥有生殖、育幼、觅食、防御等全面的功能。
作者：许琦敏
图片：受访者提供
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