Tento „zbytočný“ orgán určuje, ktoré mravce rastú vo veľkých vojakov

Kolónie mravcov sa za posledných 150 miliónov rokov vyvinuli prekvapujúce kolektívne črty, že plazili po Zemi. Napríklad mravce požiaru sa spájajú a vytvárajú napríklad strašidelne efektívne plte. Zdá sa, že niektoré mravce inštinktívne stavajú dokonale efektívne mravce na zber potravín.

Zdá sa, že tento hmyz má tiež schopnosť kontrolovať svoje populácie a udržiava stanovený pomer vojakov k robotníkom. To, ako vznikli takéto systémy proti kastám, je pre entomológov záhadou, ale štúdia uverejnená v časopise Nature dnes ukazuje, že či mravec vyrastie v vojaka alebo robotníka, má čo do činenia s orgánom, ktorý bol dlho považovaný za zbytočný - krídlové disky.

„Tieto kastové systémy sú jedným z hlavných nevysvetlených javov fenotypovej evolúcie, “ hovorí Scott Powell, mravenecký biológ na Univerzite George Washingtona vo Washingtone DC. „Táto štúdia skutočne identifikuje hlavné základné kontrolné centrum, ktoré tieto kasty produkuje.“

Disky krídel, malé vrecká buniek, sú určené na to, aby sa stali krídlami kráľovnej, ale rastú v larvách a potom zomierajú počas metamorfózy, aby vytvorili vojakov bez krídla. Štúdia ukazuje, že tieto základné krídlové disky nie sú koniec koncov také základné, ale skôr ovplyvňujú vývoj lariev mravcov.

„Skutočným dôležitým bodom tejto práce je to, že základné orgány a pozostatkové štruktúry, o ktorých sa už dlho verilo, že nemajú žiadnu funkciu, by mohli mať počas vývoja významné signalizačné úlohy, “ hovorí evolučný vývojový biológ Ehab Abouheif z McGill University, hlavný autor knihy nová štúdia. (Zrieknutie sa zodpovednosti: Hovoril som s Abouheifom o jeho výskume pred jeho uverejnením a zapojil ma do ocenenia v príspevku.)

Vyvíjajúce sa larvy vojakov produkujú veľké, základné krídlové disky, zatiaľ čo larvy pracovníkov nie. Krídlové kotúče, o ktorých sa pôvodne uvažovalo, že počas metamorfózy jednoducho odumrú, zjavne majú určitý vplyv na rast ostatných častí tela.

„[Krídlové disky] sú dosť veľké - je to trochu prekvapujúce, “ hovorí Diana Wheeler, biológka mravcov na University of Arizona, ktorá študuje od 1. storočia odhodlanie kastovania kast. „Evidentne to nie je niečo, z čoho sa evolúcia jednoducho zabudla zbaviť. Vyzerá to, že sa používa na niečo. “

Zjavná funkcia diskov krídeliek lariev má významné dôsledky pre vývojovú históriu hmyzu. Včasné mravce produkovali kolónie s okrídlenou kráľovnou a bezkřídlou robotníckou kastou a následne sa v niekoľkých nezávislých líniách robotnícka kasta ďalej diferencovala na subcasty. Vo Pheidole, hyperdiverzálnom rode, ktorý obsahuje viac ako 1 000 druhov mravcov, je kasta robotníkov rozdelená na drobných robotníkov a vojakov. Vojaci majú neprimerane veľké hlavy, ktoré používajú na obranu a spracovanie semien, zatiaľ čo drobní pracovníci tvoria 90 až 95 percent kolónie a vykonávajú úlohy, ako je chov a hľadanie potravy.

Wheelerove štúdie z 80. rokov ukázali, že mravce Pheidole môžu regulovať podiel maloletých robotníkov a vojakov v kolónii. Jedným zo spôsobov, ako toto nariadenie funguje, je inhibičný feromón - kutikulárny uhľovodík - vyrobený vojakmi, ktorý potláča vývoj vojakov v larvách, ak vojaci prekročia približne päť percent populácie kolónie.

Aby preskúmal vzťah medzi krídlovými diskami a vojnovou subkastou, Abouheif a jeho tím porazili gén zvaný stopigial, ktorý spôsobuje, že bunky krídlových diskov zomierajú veľmi skoro vo vývoji. Zničenie zvyškov u lariev určených pre vojakov znížilo veľkosť hlavy a veľkosť tela zvierat, čím sa vyrobili drobní pracovníci, zatiaľ čo zrážky zvyškov malých pracovníkov nepriniesli žiadny účinok.

Tím potom zvýšil larvy určené pre vojakov s dospelými populáciami so 100 percentami maloletých pracovníkov alebo so 100 percentami vojakov. So 100 percentami menších pracovníkov v kolónii vyrástli larvy vojakov. Ale so 100 percentami vojakov, ktorí uvoľňovali kutikulárny uhľovodíkový feromón, bola veľkosť základného disku krídla lariev významne znížená a produkovala dospelé mravce s menšími hlavami a telami.

Skutočnosť, že orgány ovplyvňujú vývoj iných orgánov v tele, samozrejme nie je nová. Predchádzajúce experimenty s hmyzom ukázali, že napríklad vyvíjajúce sa krídla súťažia o živiny a rastové faktory. Poškodenie vyvíjajúceho sa krídla môže produkovať signály, ktoré oneskorujú vývoj na celom tele, čo umožňuje zotavenie času disku, takže rast môže prebiehať správne koordinovaným spôsobom.

Pozoruhodné je, že podľa prvého autora Rajendhrana Rajakumara je to, že namiesto toho, aby súťažili, základné krídlo v skutočnosti podporuje rast hlavy v vojakovej subkastúre. „Je to ešte viac prekvapujúce na základe skutočnosti, že toto tkanivo sa u dospelých v skutočnosti nevytvára. Je to rudimentárne, takže sme skutočne neočakávali, že nájdeme také výsledky, ktoré sme dosiahli, keď sme ho znepokojili, “hovorí Rajakumar, ktorý pracoval v Abouheifovom laboratóriu v McGill a teraz je výskumníkom v Harvarde.

Mravce sú v kontraste s inými sociálnymi hmyzmi, ako sú včely a osy, u ktorých sa nevyvinuli polymorfizmy pracovníkov. Všetky včely kráľovnej a robotníkov majú krídla a „ak vytvárate krídlo, ktoré musí lietať, nemôžete sa s rastom veľmi pohrávať, takže rast týchto diskov je veľmi obmedzený, “ vysvetľuje Abouheif. To môže vysvetľovať, prečo sa včely pracujúce na rozdiel od mravcov nikdy evolučne nerozlišovali ďalej na podcasty.

Nie je veľa známych príkladov základných alebo pozostatkových orgánov poháňajúcich evolučnú inováciu. Okrem krídlových diskov je ďalšou zaujímavou možnosťou vaječník larválneho včelárskeho pracovníka, ktorý je rovnako veľký ako kráľovná počas skorých štádií vývoja. Nie je jasné, prečo pracovníci larválnych včiel potrebujú vaječníky, pretože sa nikdy nebudú množiť, hovorí Mary Jane West-Eberhard, evolučná vývojová biológia v Smithsonianskom inštitúte pre tropický výskum.

„Otázka by teda bola: je pre normálny rozvoj pracovníkov dôležité mať vaječník prítomný v skorej larve?“ Pýta sa. Povie to iba budúce vyšetrovanie.

„Dúfam, že táto práca povedie ľudí k tomu, aby sa pozerali na to, čo si myslia o pozostatkových orgánoch iným spôsobom a že sa pokúsia zistiť, čo tieto veci skutočne robia, namiesto toho, aby ich len prepúšťali ako zvyšnú vec, “ hovorí Abouheif. "Myslím, že v skutočnosti hrajú oveľa väčšie úlohy, ako sme si predtým mysleli."