See “kasutu” organ määrab, millised sipelgad kasvavad suurteks sõduriteks

Sipelgate kolooniatel on umbes 150 miljoni aasta jooksul ilmnenud üllatavaid kollektiivseid jooni, nii et nad on Maa üles indekseerinud. Tuletõrje sipelgad ühendavad omavahel näiteks hirmutavalt tõhusaid parve ja mõned armee sipelgad näivad ehitavat instinktiivselt toidu kogumiseks täiesti tõhusaid sipelgate sildu.

Näib, et neil putukatel on ka oma populatsiooni kontrolli all hoidmine, säilitades kindla sõdurite ja töötajate suhte. Kuidas sellised sipelgate kastisüsteemid välja kujunesid, on entomoloogide jaoks mõistatus, kuid täna ilmunud ajakirjas Nature ilmunud uuringust selgub, et kas sipelgas kasvab sõduriks või on töötajal pistmist elundiga, mis oli pikka aega mõttetu - tiibkettad.

"Need kastisüsteemid on fenotüüpse evolutsiooni üks peamisi seletamatuid nähtusi, " ütleb Washingtoni George Washingtoni ülikooli antoloog bioloog Scott Powell. "See uuring tuvastab tegelikult peamise aluseks oleva juhtimiskeskuse, mis neid kaste valmistab."

Tiivakettad, pisikesed rakukotid, on mõeldud kuninganna tiibu saamiseks, kuid need kasvavad vastsetes ja surevad seejärel metamorfoosi ajal, et saada tiivatud sõdureid. Uuring näitab, et need algelised tiibkettad pole ju nii algelised, vaid mõjutavad pigem sipelgate vastsete arengut.

"Selle töö tõeliselt oluline punkt on see, et algelistel organitel ja vestigiaalsetel struktuuridel, millel pikka aega arvati, et neil pole funktsiooni, võivad arenduse ajal olla tegelikult suured signaalirollid, " ütleb evolutsiooniline arengubioloog Ehab Abouheif McGilli ülikoolist, vanem autor uus uuring. (Kohustustest loobumine: rääkisin Abouheifiga tema uurimistööst enne avaldamist ja ta on lisanud mind paberi kinnitustesse.)

Arenevad sõduri vastsed tekitavad suuri algelisi tiibkettaid, tööliste vastsed aga mitte. Kui varem arvati, et sureb metamorfoosi ajal lihtsalt ära, siis näivad tiivakettad ilmselt mõjutavat teiste kehaosade kasvu.

"[Tiibkettad] saavad üsna suureks - see on omamoodi üllatav, " ütleb Diana Wheeler, Arizona ülikooli antoloogiabioloog, kes on uurinud kastide määramist alates 1980ndatest. „Ilmselt pole see midagi sellist, millest evolutsioon unustas lihtsalt vabaneda. Tundub, nagu oleks seda millekski kasutatud. ”

Sipelgavastse vastsete ketaste ilmne funktsioon mõjutab putukate evolutsiooniajalugu märkimisväärselt. Varased sipelgad produtseerisid kolooniaid tiibadega kuninganna ja tiibadeta kastiga, hiljem eristati tööliskasta mitmes iseseisvas liinis subkaastriteks. Pheidole'is, mis on hüper mitmekesine perekond, mis hõlmab enam kui 1000 sipelgate liiki, jagunevad tööliste kastid alaealisteks töötajateks ja sõduriteks. Sõduritel on ebaproportsionaalselt suured pead, mida nad kasutavad kaitseks ja seemnete töötlemiseks, samas kui alaealised töötajad moodustavad 90–95 protsenti kolooniast ja teevad selliseid ülesandeid nagu haude kasvatamine ja söötmine.

1980ndatest pärit Wheeleri uuringud näitasid, et Pheidole sipelgad suudavad reguleerida alaealiste töötajate ja sõdurite osakaalu koloonias. Üks viis, kuidas see regulatsioon toimib, on sõdurite poolt läbi viidud inhibeeriv feromoon - kutikulaarne süsivesinik -, mis pärsib sõdurite arengut vastsetes, kui sõdurid ületavad umbes viis protsenti koloonia elanikkonnast.

Tiibketaste ja sõduri alamstruktuuri seoste uurimiseks koputasid Abouheif ja tema meeskond geeni, mida nimetatakse vestigiaalseks, mis põhjustab tiivaketaste rakkude surma väga varajases staadiumis. Sõduritele mõeldud vastsete vestigia löömine vähendas loomade pea suurust ja keha suurust, tekitades alaealisi töötajaid, samal ajal kui vestigia lüües alaealistel töötajatel see tulemusi ei andnud.

Seejärel kasvatas meeskond sõduritele mõeldud vastsed, kelle täiskasvanud elanikkond oli 100 protsenti alaealine või 100 protsenti sõduritest. Kuna koloonias oli 100 protsenti alaealisi töötajaid, tootsid vastsed sõdureid. Kuid 100-protsendiliste sõdurite abil, kes andsid välja küünenahalisi süsivesinike feromone, vähenes vastsete algeline tiivaketta suurus märkimisväärselt ja neist sündisid väiksemate peade ja kehadega täiskasvanud sipelgad.

Muidugi pole tõsiasi, et elundid mõjutavad kehas teiste elundite arengut. Varasemad katsed putukatega on näidanud, et arenevad tiivad konkureerivad näiteks toitainete ja kasvufaktorite pärast. Areneva tiiva kahjustus võib anda signaale, mis viivitavad kogu keha arengut, võimaldades plaadil aega taastuda, et kasv saaks toimuda korralikult koordineeritult.

Siin on silmatorkav esimese autori Rajendhran Rajakumari sõnul see, et võistluse asemel soodustab algeline tiib reaalselt pea kasvu sõduri alamrubriigis. „See on veelgi üllatavam, kuna täiskasvanutel see kude tegelikult ei moodustu. See on algeline, nii et me tõesti ei osanud oodata, et leiame just selliseid tulemusi, mille tegime, kui seda häirisime, ”ütleb Rajakumar, kes töötas Abouheifi laboris McGillis ja on nüüd Harvardi teadlane.

Sipelgad on kontrastiks teiste sotsiaalsete putukatega, näiteks mesilaste ja herilastega, kellel pole välja kujunenud töötajate polümorfisme. Nii kuningannadel kui ka töölismesilastel on tiivad ja “kui teete tiibu, mis peab lendama, ei saa te selle kasvuga eriti mängida, seega on nende ketaste kasv väga piiratud, ” selgitab Abouheif. See võib selgitada, miks erinevalt sipelgatest ei erinenud töömesilased evolutsiooniliselt enam alamkiirusteks.

Edendavat innovatsiooni edendavaid algelisi või vestigiaalseid organeid pole palju teada. Muud kui tiibkettad on veel üks intrigeeriv võimalus - mesilaspere vastse töötaja munasari, mis on varases arengujärgus sama suur kui kuninganna oma. Pole selge, miks vastsed mesilaspere töötajad vajavad munasarju, kuna need ei paljune kunagi, ütles Smithsoniani troopiliste uuringute instituudi evolutsioonilise arengu bioloog Mary Jane West-Eberhard.

"Seega oleks küsimus järgmine: kas töötaja normaalse arengu jaoks on oluline, et munasarjad oleksid varases vastses?" Küsib ta. Ainult tulevane uurimine ütleb.

"Ma loodan, et see töö paneb inimesi vaatama, mida nad arvavad vestigiaalsetest organitest teisiti, ja proovima proovida proovida, mida need asjad tegelikult teevad, selle asemel, et jätta need pelgalt ülejäänute hulka, " ütleb Abouheif. "Ma arvan, et tegelikult mängivad nad palju suuremaid rolle, kui me varem arvasime."