Ten „bezużyteczny” organ określa, które mrówki wyrastają na dużych żołnierzy

Kolonie mrówek wyewoluowały pewne zaskakujące cechy wspólne w ciągu około 150 milionów lat, tak że pełzły po Ziemi. Mrówki ogniste łączą się ze sobą, tworząc na przykład przerażająco skuteczne tratwy, a niektóre mrówki wojskowe wydają się instynktownie budować doskonale wydajne mosty mrówek do zbierania żywności.

Owady te wydają się mieć również zdolność kontrolowania populacji, utrzymując ustalony stosunek żołnierzy do robotników. To, jak powstały takie systemy kastowe mrówek, jest dla entomologów czymś tajemniczym, ale badanie opublikowane dzisiaj w Nature ujawnia, że ​​to, czy mrówka wyrasta na żołnierza czy pracownika, ma związek z organem, który od dawna uważany był za bezużyteczny - tarczami skrzydłowymi.

„Te systemy kastowe są jednym z głównych niewyjaśnionych zjawisk ewolucji fenotypowej”, mówi Scott Powell, biolog mrówek z George Washington University w Waszyngtonie. „To badanie naprawdę identyfikuje główne centrum kontroli, które produkuje te kasty”.

Krążki skrzydeł, małe woreczki komórek, mają stać się skrzydłami królowej, ale rosną w larwach, a następnie umierają podczas metamorfozy, by wyprodukować bezskrzydłych żołnierzy. Badanie pokazuje, że te prymitywne dyski skrzydłowe wcale nie są tak prymitywne, ale raczej wpływają na rozwój larw mrówek.

„Naprawdę ważną kwestią w tej pracy jest to, że szczątkowe narządy i struktury szczątkowe, o których od dawna uważano, że nie pełnią żadnej funkcji, mogą faktycznie odgrywać ważną rolę sygnalizacyjną podczas rozwoju”, mówi ewolucyjny biolog rozwoju, Ehab Abouheif z McGill University, starszy autor nowe badanie. (Zastrzeżenie: Rozmawiałem z Abouheifem o jego badaniach przed publikacją, a on uwzględnił mnie w podziękowaniach dla gazety.)

Rozwijające się larwy żołnierza wytwarzają duże, szczątkowe tarcze skrzydłowe, podczas gdy larwy robotników tego nie robią. Wcześniej uważano, że po prostu umiera podczas metamorfozy, tarcze skrzydłowe najwyraźniej mają pewien wpływ na wzrost innych części ciała.

„[Krążki skrzydeł] stają się dość duże - to trochę zaskakujące”, mówi Diana Wheeler, biolog mrówek z University of Arizona, który badał oznaczanie kasty mrówek od lat 80. „Najwyraźniej nie jest to coś, czego ewolucja po prostu zapomniała się pozbyć. Wygląda na to, że jest do czegoś używany.

Pozorna funkcja tarcz skrzydłowych larw mrówek ma znaczące implikacje dla historii ewolucji owada. Wczesne mrówki produkowały kolonie ze skrzydlatą królową i bezskrzydłą kastą robotniczą, a następnie, w kilku niezależnych liniach, kasta robotnicza uległa dalszemu podziałowi na podcasty. W Pheidole, hiperdywersyjnym rodzaju, który obejmuje ponad 1000 gatunków mrówek, kasta robotnicza jest podzielona na drobnych robotników i żołnierzy. Żołnierze mają nieproporcjonalnie duże głowy, których używają do obrony i przetwarzania nasion, podczas gdy drobni robotnicy stanowią 90 do 95 procent kolonii i wykonują zadania takie jak hodowla czerwi i żerowanie.

Badania Wheelera z lat 80. wykazały, że mrówki fenidolowe mogą regulować odsetek drobnych robotników i żołnierzy w kolonii. Jednym ze sposobów, w jaki działa ta regulacja, jest hamujący feromon - węglowodór skórki - wytwarzany przez żołnierzy, który hamuje rozwój żołnierza w larwach, jeśli żołnierze przekroczą około 5 procent populacji kolonii.

Aby zbadać związek między tarczami skrzydłowymi a podwładnym żołnierza, Abouheif i jego zespół zniszczyli gen zwany szczątkowym, który powoduje, że komórki tarcz skrzydłowych umierają na bardzo wczesnym etapie rozwoju. Powalenie szczątków przez larwy przeznaczone dla żołnierzy zmniejszyło wielkość głowy i ciała zwierząt, produkując drobnych robotników, podczas gdy powalenie szczątków u drobnych robotników nie przyniosło żadnego efektu.

Zespół wyhodował następnie larwy przeznaczone dla żołnierzy z dorosłymi populacjami 100% drobnych robotników lub ze 100% żołnierzami. Przy 100 procentach drobnych robotników w kolonii larwy produkowały żołnierzy. Ale przy 100 procentach żołnierzy, wydzielających feromon węglowodorowy z skórki, podstawowy rozmiar tarczy skrzydeł larw został znacznie zmniejszony i wyprodukowano dorosłe mrówki o mniejszych głowach i ciałach.

Oczywiście fakt, że narządy wpływają na rozwój innych narządów w ciele, nie jest nowy. Poprzednie eksperymenty na owadach wykazały, że rozwijające się skrzydła rywalizują na przykład o składniki odżywcze i czynniki wzrostu. Uszkodzenie rozwijającego się skrzydła może wytwarzać sygnały opóźniające rozwój w całym ciele, pozwalając na odzyskanie się dysku, aby wzrost mógł przebiegać w odpowiednio skoordynowany sposób.

Uderzające tutaj, według pierwszego autora Rajendhrana Rajakumara, jest to, że zamiast konkurować, szczątkowe skrzydło faktycznie promuje wzrost głowy w podcastach żołnierza. „Jest to tym bardziej zaskakujące, że tkanka tak naprawdę nie tworzy się u dorosłych. Jest to szczątkowy element, więc naprawdę nie spodziewaliśmy się, że znajdziemy wyniki, które osiągnęliśmy, gdy go zaniepokoiliśmy ”- mówi Rajakumar, który pracował w laboratorium Abouheifa w McGill i jest teraz badaczem na Harvardzie.

Mrówki kontrastują z innymi owadami społecznymi, takimi jak pszczoły i osy, które nie rozwinęły polimorfizmów robotniczych. Królowa i pszczoły robotnice mają skrzydła, a „jeśli tworzysz skrzydło, które musi latać, nie możesz tak naprawdę bawić się jego wzrostem, więc wzrost tych dysków jest bardzo ograniczony”, wyjaśnia Abouheif. To może wyjaśniać, dlaczego pszczoły robotnice, w przeciwieństwie do mrówek, nigdy nie ewolucyjnie dzieliły się dalej na podcasty.

Nie ma wielu znanych przykładów szczątkowych lub szczątkowych narządów napędzających ewolucyjne innowacje. Inną intrygującą możliwością, poza tarczami skrzydłowymi, jest jajnik larwalnego pszczoły miodnej, który jest tak duży jak królowa na wczesnych etapach rozwoju. Nie jest jasne, dlaczego larwalne pszczoły miodne potrzebują jajników, ponieważ nigdy się nie rozmnażają, mówi Mary Jane West-Eberhard, ewolucyjny biolog rozwoju w Smithsonian Tropical Research Institute.

„Pytanie brzmiałoby: czy dla prawidłowego rozwoju pracownika ważne jest, aby jajnik był obecny we wczesnej larwie?”, Pyta. Tylko przyszłe dochodzenie pokaże.

„Mam nadzieję, że dzięki tej pracy ludzie spojrzą na to, co myślą o narządach szczątkowych w inny sposób, i że spróbują zbadać, co te rzeczy naprawdę robią, zamiast po prostu uznać je za resztki”, mówi Abouheif. „Myślę, że w rzeczywistości grają o wiele większe role, niż myśleliśmy wcześniej”.