Ta "neuporaben" organ določa, katere mravlje rastejo v velike vojake

Kolonije mravov so v 150 milijonih let razvile nekaj presenetljivih skupinskih lastnosti, da so preplavile Zemljo. Požarne mravlje se povezujejo, da na primer naredijo zastrašujoče učinkovite splave, in zdi se, da nekatere vojaške mravlje nagonsko gradijo popolnoma učinkovite mravlje mostove za zbiranje hrane.

Prav tako se zdi, da te žuželke lahko nadzorujejo svojo populacijo, pri čemer ohranjajo določeno razmerje vojakov do delavcev. Kako so nastali takšni sistemi mravljincev, je entomologom nekaj skrivnosti, toda raziskava, objavljena v reviji Nature, danes razkriva, da ima mrav v vojaka ali delavca opravka z organom, za katerega se dolgo misli, da je neuporaben - krilnimi diski.

"Ti kastni sistemi so eden večjih nepojasnjenih pojavov fenotipske evolucije, " pravi Scott Powell, biolog mrav na univerzi George Washington v Washingtonu. "Ta študija resnično opredeljuje glavni temeljni kontrolni center, ki proizvaja te kate."

Krilni diski, drobne vrečke celic, so namenjene, da postanejo krila kraljici, vendar rastejo v ličinkah in nato med metamorfozo umrejo, da bi ustvarile vojake brez kril. Študija kaže, da ti rudimentarni krilni diski navsezadnje niso tako rudimentarni, temveč vplivajo na razvoj ličink mravlje.

"Resnično pomembna točka tega dela je, da bi rudimentarni organi in vestigialne strukture, za katere se je dolgo vedelo, da nimajo nobene funkcije, dejansko lahko imele glavne signalne vloge med razvojem, " pravi biološki razvojni biolog Ehab Abouheif z univerze McGill, višji avtor nova študija. (Izjava o omejitvi odgovornosti: Pred objavo sem govoril z Abouheifom o njegovih raziskavah in me je vključil v priznanja prispevka.)

Ličinke vojaka, ki se razvijajo, proizvajajo velike rudimentarne diskete kril, ličinke delavcev pa ne. Prej so mislili, da med metamorfozo preprosto odmirajo, krilni diski očitno vplivajo na rast drugih delov telesa.

"[Krilatni diski] postanejo zelo veliki - to je nekako presenetljivo, " pravi Diana Wheeler, biologinja mrav z univerze v Arizoni, ki je od osemdesetih let preučevala odločnost za mravljinčne kaste. "Očitno ni nekaj, česar se je evolucija preprosto pozabila znebiti. Zdi se, kot da ga uporabljajo za nekaj. "

Navidezna funkcija krilnih diskov mravlje močno vpliva na evolucijsko zgodovino žuželk. Zgodnje mravlje so proizvajale kolonije s krilato kraljico in brezkrstno delavsko kasto, nato pa se je v več neodvisnih rodovih delavska kasta še bolj diferencirala v podkast. V Pheidole, hiperdiverznem rodu, ki vključuje več kot 1000 vrst mravelj, je delavska kasta razdeljena na mladoletne delavce in vojake. Vojaki imajo nesorazmerno velike glave, ki jih uporabljajo za obrambo in predelavo semena, medtem ko mladoletni delavci tvorijo od 90 do 95 odstotkov kolonije in opravljajo naloge, kot sta vzreja krmil in krmljenje.

Wheelerjeve študije iz osemdesetih let so pokazale, da lahko mravlje Pheidole uredijo delež mladoletnih delavcev in vojakov v koloniji. Eden od načinov delovanja te uredbe je z zaviralnim feromonom - kutikularnim ogljikovodikom - ki ga izdelajo vojaki, ki zavira razvoj vojaka v ličinkah, če vojaki presegajo približno pet odstotkov populacije kolonije.

Da bi preučil razmerje med krilnimi diski in vojaškim podkategorijo, sta Abouheif in njegova ekipa podrla gen, imenovan vestigial, zaradi katerega krilne plošče umrejo zelo zgodaj v razvoju. Odpadanje krčev pri ličinkah, namenjenih vojakom, je zmanjšalo velikost glave in telesno velikost živali, kar je povzročilo mladoletne delavce, medtem ko odstranjevanje krčev pri mladoletnih delavcih ni prineslo nobenega učinka.

Ekipa je nato vzgojila ličinke, namenjene vojakom, s 100-odstotnim odraslim prebivalstvom ali s 100-odstotnimi vojaki. Ličinke so s 100-odstotnimi manjšimi delavci v koloniji proizvajale vojake. Toda s 100-odstotnimi vojaki, ki so oddajali kutikularni ogljikovodični feromon, se je velikost rudimentarnega diska krilca ličinke znatno zmanjšala in ustvarila odrasle mravlje z manjšimi glavami in telesi.

Seveda dejstvo, da organi vplivajo na razvoj drugih organov v telesu, ni novo. Prejšnji poskusi na žuželkah so pokazali, da se krila v razvoju konkurirajo na primer za hranila in rastne dejavnike. Poškodba krila v razvoju lahko ustvari signale, ki zavirajo razvoj po celotnem telesu, kar omogoča disku čas, da si opomore, tako da se lahko rast nadaljuje na pravilno usklajen način.

Tu je po besedah ​​prvega avtorja Rajendhrana Rajakumarja presenetljivo to, da namesto da bi tekmoval, rudimentarno krilo dejansko spodbuja rast glave v vojaški podkastini. "Še bolj presenetljivo je, ker to tkivo pri odraslih dejansko ne tvori. To je rudimentarno, zato res nismo pričakovali, da bomo našli takšne rezultate, kot smo jih zmotili, "pravi Rajakumar, ki je delal v Abouheifovem laboratoriju v McGillu in je zdaj raziskovalec na Harvardu.

Mravlje so v nasprotju z drugimi družbenimi žuželkami, kot so čebele in osi, ki se niso razvile delavske polimorfizme. Vse čebele kraljice in delavke imajo krila in "če delaš krilo, ki mora leteti, se z njegovo rastjo resnično ne moreš veliko igrati, zato je rast teh diskov zelo omejena, " razlaga Abouheif. To lahko razloži, zakaj se čebele delavke, za razliko od mravelj, nikoli evolucijsko ne ločijo dalje v podvrste.

Ni veliko znanih primerov rudimentarnih ali krčnih organov, ki bi spodbudili evolucijsko inovacijo. Poleg krilnih diskov je še ena zanimiva možnost jajčnik delavke čebeljih čebel, ki je v zgodnjih fazah razvoja tako velik kot kraljica. Ni jasno, zakaj delavci čebeljih čebel potrebujejo jajčnike, saj se ne bodo nikoli razmnožili, pravi Mary Jane West-Eberhard, evolucijska biologinja za razvoj iz Smithsonian Tropical Research Institute.

"Torej bi bilo vprašanje: ali je za normalen razvoj delavcev pomembno, da ima jajčnik v zgodnji ličinki?" Povedala bo le prihodnja preiskava.

"Upam, da bo to delo privedlo do tega, da bodo ljudje na drugačen način gledali, kaj si mislijo o vestigijskih organih, in da poskušajo preizkusiti, kaj te stvari dejansko počnejo, namesto da bi jih zavrnili kot le ostanke, " pravi Abouheif. "Mislim, da dejansko igrajo veliko večje vloge, kot smo mislili prej."