Этот «бесполезный» орган определяет, какие муравьи вырастают в крупных солдат

Муравьиные колонии развили некоторые удивительные коллективные черты за 150 миллионов лет или около того, что они ползли по Земле. Например, огненные муравьи объединяются в пугающе эффективные плоты, а некоторые армейские муравьи, похоже, инстинктивно строят совершенно эффективные мосты для сбора муравьев для сбора пищи.

Эти насекомые также, похоже, обладают способностью контролировать свое население, поддерживая определенное соотношение солдат и рабочих. Как появились такие кастовые системы муравьев, является загадкой для энтомологов, но исследование, опубликованное в Nature сегодня, показывает, что превращение муравья в солдата или рабочего связано с органом, который долгое время считался бесполезным - крылатыми дисками.

«Эти кастовые системы являются одним из основных необъяснимых феноменов фенотипической эволюции, - говорит Скотт Пауэлл, биолог-муравей из Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне. - Это исследование действительно определяет основной базовый контрольный центр, который производит эти касты».

Крыловые диски, крошечные мешочки клеток, предназначены для того, чтобы стать крыльями у королевы, но они растут в личинках и затем умирают во время метаморфозы, образуя бескрылых солдат. Исследование показывает, что эти рудиментарные крыловые диски, в конце концов, не настолько рудиментарны, а скорее влияют на развитие личинок муравьев.

«Действительно важным моментом в этой работе является то, что рудиментарные органы и рудиментарные структуры, которые долгое время считались не имеющими функции, на самом деле могли бы играть важную сигнальную роль в процессе развития», - говорит биолог-эволюционист Эхаб Абухайф из McGill University, старший автор новое исследование. (Отказ от ответственности: я говорил с Abouheif о его исследованиях до публикации, и он включил меня в подтверждение работы.)

Развивающиеся личинки солдат производят большие, рудиментарные крыловые диски, а личинки рабочих - нет. Ранее считалось, что просто исчезают во время метаморфоза, крыловые диски, по-видимому, имеют некоторое влияние на рост других частей тела.

«[Крылатые диски] действительно становятся достаточно большими - это своего рода удивление», - говорит Диана Уилер, биолог-муравей из Университета Аризоны, изучавшая определение каст муравья с 1980-х годов. «Очевидно, это не то, от чего эволюция просто забыла избавиться. Кажется, он используется для чего-то ».

Кажущаяся функция крыловых дисков личинок муравьев имеет существенное значение для эволюционной истории насекомого. Ранние муравьи производили колонии с крылатой королевой и бескрылой рабочей кастой, и впоследствии, в нескольких независимых линиях, рабочая каста была далее дифференцирована в подкасты. В Pheidole, гипердиверсальном роде, который включает в себя более 1000 видов муравьев, рабочая каста делится на мелких рабочих и солдат. У солдат непропорционально большие головы, которые они используют для защиты и обработки семян, в то время как мелкие рабочие составляют от 90 до 95 процентов колонии и выполняют такие задачи, как разведение и кормление расплода.

Исследования Уилера, проведенные в 1980-х годах, показали, что муравьи Фидола могут регулировать долю мелких рабочих и солдат в колонии. Один из способов, которым это регулирование работает, заключается в использовании ингибирующего феромона, кутикулярного углеводорода, который производится солдатами, что подавляет развитие солдат у личинок, если солдаты превышают примерно пять процентов населения колонии.

Чтобы исследовать связь между крыловыми дисками и солдатской субкастой, Абухайф и его команда сбили ген, называемый рудиментом, который заставляет клетки крылового диска очень рано погибать. Сбивание рудимента у личинок, предназначенных для солдат, уменьшало размер головы и тела животных, производя мелких работников, в то время как сбивание рудимента у маленьких работников не давало никакого эффекта.

Затем команда вырастила предназначенных для солдат личинок со взрослым населением, состоящим из 100 процентов несовершеннолетних работников или со 100 процентами солдат. Со 100% несовершеннолетними работниками в колонии личинки производили солдат. Но с участием 100% солдат, выделяющих кутикулярный углеводородный феромон, размер рудиментарного диска крыла у личинок был значительно уменьшен, и у них образовались взрослые муравьи с меньшими головами и телами.

Конечно, тот факт, что органы влияют на развитие других органов в организме, не нов. Предыдущие эксперименты на насекомых показали, что развивающиеся крылья конкурируют, например, за питательные вещества и факторы роста. Повреждение развивающегося крыла может вызывать сигналы, которые задерживают развитие по всему телу, позволяя дисковому времени восстановиться, чтобы рост мог продолжаться надлежащим образом скоординированным образом.

Что поразительно здесь, по словам первого автора Раджендхрана Раджакумара, так это то, что вместо того, чтобы участвовать в соревнованиях, рудиментарное крыло фактически способствует росту головы в солдатском субкасте. «Это еще более удивительно, если учесть, что эта ткань на самом деле не образуется у взрослых. Это элементарно, поэтому мы действительно не ожидали найти результаты, которые мы получили, когда взволновали его », - говорит Раджакумар, который работал в лаборатории Абухайфа в МакГилле и сейчас является исследователем в Гарварде.

Муравьи контрастируют с другими социальными насекомыми, такими как пчелы и осы, у которых не развился рабочий полиморфизм. У всех маток и рабочих пчел есть крылья, и «если вы создаете крыло, которое должно летать, вы не сможете по-настоящему играть с его ростом, поэтому рост этих дисков очень ограничен», - объясняет Абухайф. Это может объяснить, почему рабочие пчелы, в отличие от муравьев, никогда не эволюционно дифференцировались в субкасты.

Существует не так много известных примеров рудиментарных или рудиментарных органов, ведущих эволюционные инновации. Помимо крыловых дисков, другая интригующая возможность - это яичник личинки медоносной пчелы, который такой же большой, как и у королевы на ранних стадиях развития. Неясно, зачем личинкам медоносных пчел нужны яичники, поскольку они никогда не будут размножаться, говорит Мэри Джейн Уэст-Эберхард, биолог эволюционного развития в Смитсоновском институте тропических исследований.

«Таким образом, возникает вопрос: важно ли для нормального развития работника наличие яичника у ранней личинки?» - спрашивает она. Только будущее расследование покажет.

«Я надеюсь, что эта работа заставит людей по-другому взглянуть на то, что они думают о рудиментарных органах, и что они попытаются выяснить, что на самом деле делают эти вещи, вместо того, чтобы просто отмахиваться от них как от остатка», - говорит Абухайф. «Я думаю, что на самом деле они играют гораздо большие роли, чем мы думали ранее».