Począwszy od Darwina, biologów od dawna fascynuje ewolucja uspołecznienia. W swojej najbardziej ekstremalnej formie gatunki eusocjalne wykazują podział pracy, w którym niektóre osobniki wykonują zadania reprodukcyjne, takie jak składanie jaj, podczas gdy inne odgrywają role niezwiązane z reprodukcją, takie jak żerowanie, budowanie gniazd i obrona. Ten typ systemu wymaga, aby jednostki zrzekły się części lub całości własnego sukcesu reprodukcyjnego, aby wspomóc reprodukcję innych w swojej grupie, koncepcja, która na pierwszy rzut oka wydaje się niezgodna z kluczowymi założeniami ewolucji (tj. dążeniem do doboru naturalnego do jednostek) . Chociaż pszczoła miodna jest prawdopodobnie najbardziej znanym przykładem gatunku społecznego, złożone społeczeństwo pszczół miodnych reprezentuje tylko jeden koniec spektrum struktur społecznych, które można zaobserwować wśród błonkoskrzydłych, które obejmują pszczoły, osy i mrówki. Na drugim końcu są bardziej prymitywne struktury społeczne, zakładające na najbardziej podstawowym poziomie współpracę zaledwie kilku jednostek i ich potomstwa. Podczas gdy większość dotychczasowych badań nad społecznością owadów koncentrowała się na bardziej złożonych systemach społecznych, zrozumienie ewolucji tych bardziej podstawowych form prawdopodobnie pomoże ujawnić najwcześniejsze zmiany na drodze do uspołecznienia. Autorzy nowego badania opublikowanego w Biologia i ewolucja genomu, zatytułowany „Sieci koekspresji genów i algorytmy uczenia maszynowego ujawniają podstawowy zestaw narzędzi genetycznych do reprodukcyjnego podziału pracy w prymitywnych społeczeństwach owadów”, mający na celu wypełnienie tej luki. Według pierwszej autorki, Emeline Favreau, „Nasza praca była wyjątkowa, ponieważ skupiliśmy się na sześciu gatunkach pszczół i os, które nie są wysoce społeczne, ale mają bardziej podstawowe formy współpracy i są bliskimi krewnymi gatunków wysoce społecznych”. Wykorzystując algorytmy uczenia maszynowego do analizy ekspresji genów w sześciu gatunkach reprezentujących różne źródła społeczne, autorzy odkryli wspólny genetyczny „zestaw narzędzi” do socjalizacji, który może stanowić podstawę ewolucji bardziej złożonych struktur społecznych.

W skład międzynarodowego zespołu naukowców weszli Katherine S. Geist (współautorka) i Amy L. Toth z Iowa State University, Christopher DR Wyatt i Seirian Sumner z University College London oraz Sandra M. Rehan z York University w Toronto. Autorzy współpracowali nad tym artykułem, „ponieważ wszyscy uważamy, że zrozumienie pochodzenia społeczności jest ważne” — mówi Favreau. „Byliśmy w terenie, obserwując fantastyczną różnorodność życia społecznego, na przykład duże gniazda os zajętych zbiorowym zachowaniem lub małe pszczoły ciesielskie organizujące swoje lęgi w maleńkich gałęziach drzew. Ciągle zadawaliśmy sobie pytanie: Ale jak doszło do tych zachowań? W tym artykule zagłębiliśmy się w historie ewolucyjne, aby odkryć molekularne dowody na pojawienie się organizacji społecznej”.

Badanie obejmowało porównawczą metaanalizę danych z trzech gatunków pszczół i trzech gatunków os, które reprezentują cztery niezależne źródła społeczne: pszczoła haliktidowa Megalopta genalispszczoły ksylokopiny Ceratina australensis oraz C. calcarataosa stenogastryna Liostenogaster flavolineatai osy polistyńskie Polistes canadensis oraz P. Dominula. „Wykorzystując dane dotyczące globalnej ekspresji genów w mózgach różnych grup behawioralnych (samice rozmnażające się i niereprodukujące), odkryliśmy, że istnieje podstawowy zestaw wspólnych genów związanych z tymi podstawowymi podziałami społecznymi zarówno u pszczół, jak i os”, wyjaśnia Favreau. „To ekscytujące, ponieważ sugeruje, że mogą istnieć wspólne motywy molekularne związane ze współpracą między gatunkami”.

Szereg grup funkcjonalnych, które okazały się być związane z towarzyskością w tym badaniu, zostało również powiązanych z towarzyskością innych społecznych pszczół i mrówek. Należą do nich geny związane z wiązaniem chromatyny, wiązaniem DNA, regulacją długości telomerów oraz reprodukcją i metabolizmem. Z drugiej strony w badaniu zidentyfikowano również wiele genów i grup funkcyjnych specyficznych dla danej linii, związanych z fenotypami społecznymi. Według autorów odkrycia te „ujawniają, w jaki sposób mechanizmy molekularne specyficzne dla taksonu uzupełniają podstawowy zestaw narzędzi procesów molekularnych w rzeźbieniu cech związanych z ewolucją eusocjalności”.

Co ciekawe, Favreau zauważa, że ​​„podejście oparte na uczeniu maszynowym do tych dużych zbiorów danych było najlepszą metodą odkrywania tych podobieństw”. Podczas gdy autorzy najpierw próbowali tradycyjnych metod badania zróżnicowanej ekspresji genów, te w dużej mierze pogrupowały gatunki według filogenezy i nie udało im się zidentyfikować zestawów genów związanych z towarzyskością. W przeciwieństwie do tego narzędzia uczenia maszynowego zapewniły „bardziej zniuansowane i czułe podejście”, pozwalając autorom zidentyfikować podobieństwa ekspresji genów na dużym dystansie ewolucyjnym.

Pozostaje jeszcze pytanie, w jaki sposób wyniki tego badania, które koncentrowały się na gatunkach o elementarnych formach społecznych, mogą się porównywać z gatunkami z konieczności eusocjalnymi z morfologicznie odrębnymi kastami osobników reprodukcyjnych i niereprodukcyjnych. Według Favreau: „Obecnie nad tym pracujemy i mamy nadzieję, że będziemy mogli zająć się tym w najbliższej przyszłości. Przyjmujemy szersze podejście, aby zbadać, w jaki sposób geny i genomy zmieniają się w trakcie ewolucji społecznej”. Obejmuje to dodanie danych transkryptomicznych dla 16 dodatkowych gatunków pszczół i os, umożliwiając „szersze badanie porównawcze z gatunkami os i pszczół, które są samotnikami, mają elementarną społeczność i mają złożoną społeczność”.

Rozszerzenie badań wymaga jednak pozyskania próbek z całego świata, co czasami okazywało się trudne. „W rzeczywistości znalezienie wielu z tych gatunków było wyzwaniem, z których niektóre nigdy wcześniej nie były badane na poziomie genetycznym!” zauważa Favreau. „Biorąc pod uwagę globalną różnorodność taksonów i odległe lokalizacje, w których wiele z nich zostało zebranych, cieszymy się, że udało nam się uzyskać wszystkie okazy i genomy, biorąc pod uwagę globalną pandemię i ograniczenia w podróżowaniu w ciągu ostatnich kilku lat”. Ostatecznie zespołowi udało się pozyskać szereg próbek dzięki partnerstwu z innymi badaczami i instytucjami, co podkreśla kluczową rolę współpracy w odkryciach naukowych.