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、忙忙碌碌的小不点(xiǎobùdiǎn)，在岩石、泥土、草丛、树木中爬行。可(kě)它们在地球上出现之初，却是“独居(dújū)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1.5万个物种的庞大生物类群的？ 6月16日晚，国际权威学术期刊《细胞(xìbāo)》杂志发表由我国科学家领导的中外(zhōngwài)联合研究项目成果，探索了蚂蚁的演化(yǎnhuà)历史和蚂蚁社会系统的演化机制(jīzhì)，解析了推动蚂蚁社会行为、社会分工、社会组织结构演化的关键基因。 生殖分工(fēngōng)构成蚂蚁社会基础 蚂蚁是我们日常生活中最容易遇到的昆虫。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，超过了所有野生鸟类和野生哺乳动物的总和。植被(zhíbèi)上、岩石下、土壤中，蚂蚁分布在除(chú)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(duì)生态系统发挥着重要的塑造(sùzào)作用。 蚂蚁中不同的品级(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(wúchì)）具有相似的体型(tǐxíng)；②东方行军蚁，其生殖蚁（中间具有庞大腹部的个体）和工蚁展现了巨大的体型差异；③法老小家蚁，所有(suǒyǒu)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：高琼华） “在蚂蚁的社会里，存在两个最基本的品级，即繁殖(fánzhí)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(shì)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(zhèjiāngdàxué)生命演化研究中心的博士后丁果告诉记者，“生殖分工构成(gòuchéng)了(le)蚂蚁社会的基础，推动了蚂蚁社会性的演化。” 劳力(láolì)品级分化关联巢穴规模扩大 “在(zài)很多蚂蚁物种中，劳力品级中还有更(gèng)细致的(de)分工，形成了一系列的亚品级。”论文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指出，“我们发现多个基因和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(duōyàng)的分工模式。” “伴随着生殖分工的(de)(de)演变，劳力品级还进一步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。”论文共同第一(dìyī)作者，南昌大学的熊子军老师进一步介绍。据介绍(jùjièshào)，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(mǎyǐ)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（高琼华、冉浩等制图(zhìtú)） 关键基因变化重塑蚂蚁社会结构(jiégòu) “在(zài)1.57亿年的演化过程中，蚂蚁产生了一系列复杂(fùzá)的行为性状(xìngzhuàng)和生理特征，如标记觅食路径、个体(gètǐ)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(zhèxiē)性状在不同的蚂蚁物种里，彼此互相连锁(liánsuǒ)或排斥，形成了模块化的动态组合系统，以适应不同的环境需求(xūqiú)，也催生了组织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，基因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(ér)另一些基因则被‘放松’以简化不必要的性状，体现(tǐxiàn)了不同性状间共享的基因调控(tiáokòng)基础。”刘薇薇表示(biǎoshì)，“与这些性状相关(xiāngguān)的基因，如果(rúguǒ)在社会复杂度较高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(shèhuìxìng)特征之间的相互关系(guānxì)（Joel Vizueta、丁果/制图） 通过比较具有不同社会组织结构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(xíngshì)的变化(biànhuà)是蚂蚁出现辐射性物种爆发(bàofā)和非凡的环境适应力的重要推动力(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(shèhuìfēngōng)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。 作为项目发起人，论文通信作者、浙江大学生命演化(yǎnhuà)研究中心的(de)张国捷教授表示，这项研究表明，表型性状(xìngzhuàng)并非独立演化，而是在基因网络模块重塑的过程中，不同表型性状相互(xiānghù)关联、协同演化，最终促进了蚂蚁物种和社会性状的多样化。