Rodzaj mrówek, zwany bezrobotnymi pasożytami społecznymi, może pomóc w wyjaśnieniu mechanizmów molekularnych stojących za różnicowaniem kastowym lub w jaki sposób mrówka rozwija się w robotnicę lub królową.

Zagłębienie się w genetykę tych wyjątkowych mrówek może również pomóc w wyjaśnieniu procesów biologicznych, które napędzają rozwój wszystkich zwierząt.

Mrówki są znane jako pracowici, niestrudzenie zajmujący się przydzielonymi im zadaniami — zdobywaniem pożywienia, pielęgnowaniem larw, kopaniem tuneli, sprzątaniem gniazda. Ale bezrobotne społeczne mrówki pasożytnicze są totalnymi próżniakami.

Rzadkie gatunki istnieją tylko jako królowe i umierają bez robotnic, które by się nimi opiekowały. Aby przetrwać, pasożytnicze mrówki infiltrują kolonię blisko spokrewnionych mrówek, gdzie, dopóki utrzymują stosunkowo niską liczebność, one i ich potomstwo stają się klasą wolnego czasu w kolonii.

Od dawna uważano, że te zdecydowanie leniwe owady prawdopodobnie wyewoluowały swoje królewskie cechy jedna po drugiej, poprzez serię mutacji, w odizolowanym otoczeniu.

Teraz naukowcy z Laboratorium Ewolucji Społecznej i Zachowania na Uniwersytecie Rockefellera wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu Harvarda mają nową teorię.

Jak się zgłaszają Bieżąca biologiaodkryli mutanty przypominające królową – pasożytnicze mrówki, które spontanicznie pojawiały się w koloniach mrówek klonów, które zazwyczaj nie mają królowej.

„Ten mutant jest jak prekursor innych gatunków pasożytniczych” – mówi główny autor Waring Trible. „To nowy sposób zrozumienia, w jaki sposób mrówki ewoluują, by stać się pasożytami społecznymi”.

Podstęp pasożyta mrówek

Wśród ponad 15 000 zidentyfikowanych gatunków mrówek są setki, które kwalifikują się jako pasożyty społeczne. Urodzona w kolonii żywicielskiej mrówka pasożytnicza opuszcza kolonię, używa feromonu płciowego, aby przyciągnąć samca z innej kolonii w celu kopulacji, a po ciąży infiltruje pierwotną kolonię lub znajduje inną w pobliżu. Często używa podstępów, by przemykać obok strażników kolonii.

Na przykład mrówka szamponowa chwyta kilka mrówek tuż przy wejściu do gniazda, liże je, aby uzyskać charakterystyczny zapach chemiczny kolonii, a następnie poliza się, aby przenieść go na własne ciało. Chemicznie zamaskowana, może następnie wślizgnąć się do środka, aby przeżyć swoje życie i rozmnażać zarówno nowe królowe, jak i samce, które łączą się w pary poza kolonią. Samce umierają, a królowe ponownie rozpoczynają cykl.

Ze względu na swoją wyjątkowość były intensywnie badane przez biologów od czasów Karola Darwina. Nadal istnieje punkt sporny w dominującej teorii ich ewolucji, mówi Daniel Kronauer, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Rockefellera i kierownik laboratorium. Są blisko spokrewnieni ze swoimi żywicielami, ale gdyby z czasem musieli nabyć te cechy pasożytnicze, musieliby być izolowani podczas rozmnażania, w przeciwnym razie krzyżowanie się z żywicielami zmyłoby ich unikalne cechy. Ale nikt nie znalazł średnio rozwiniętych mrówek – takich, które mają pewne cechy pasożytów społecznych, ale nie inne – na wolności, mówi Kronauer.

Kiedy w laboratorium Kronauera w 2015 roku nagle pojawiły się mrówki podobne do królowych, Trible, który chciał zbadać mechanizmy genetyczne stojące za różnicowaniem kastowym, zwrócił na to uwagę.

Ponieważ klonalne mrówki najeźdźców zazwyczaj nie mają królowych i rozmnażają się bezpłciowo, mutanty przypominające królową wyróżniały się: urodziły się ze skrzydłami, większymi oczami i jajnikami, a jako dorosłe wykazywały ogólną obojętność wobec porodu.

Okazało się jednak, że nie były niczym nowym – od lat ukrywały się w gęstych koloniach, których liczebność przesłaniała ich obecność. Analiza genetyczna wykazała, że ​​zmutowały one do istnienia w kolonii, w której zostały po raz pierwszy wykryte – społeczności normalnych mrówek, które Kronauer zebrał na Okinawie w Japonii w 2008 roku i które nadal żyły w laboratorium. Była to wskazówka, że ​​typowa historia inwazji pasożytniczych mrówek może wymagać ponownego przemyślenia.

Następnie naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów i analiz genetycznych. Jednym z pierwszych eksperymentów było wyizolowanie ich w celu sprawdzenia, czy fenotyp jest dziedziczny. Ponieważ klonalne mrówki łupieżców rozmnażają się bezpłciowo, nie musiały się martwić o krzyżowanie się z innymi mrówkami.

Mutanty przypominające królową składają jaja, z których powstają ich kopie. „Wiedzieliśmy, że mamy coś fajnego” — mówi Kronauer.

Testowali też zachowanie. Grupy żerujące złożone wyłącznie z mutantów podobnych do królowych były o połowę mniejsze od mrówek robotnic i znacznie rzadziej próbowały zwerbować inne mrówki do wyśledzenia pożywienia. Zachowania te były rodzajem pośrednika między pracowitością mrówek robotnic a zależnością królowych i pozwalały zmutowanym mrówkom uniknąć niebezpieczeństw związanych z opuszczeniem bezpiecznej kolonii.

Pomimo złożenia dwukrotnie większej liczby jaj niż ich gospodarze, mrówki same regulują liczbę osobników. Tak długo, jak ich liczba pozostaje poniżej około 25 procent populacji żywiciela, mają się dobrze. Więcej i wpadają w kłopoty. Królowe potrzebują pomocy robotnic, aby uwolnić skrzydła, gdy wyłaniają się z poczwarek, a jeśli jest zbyt wiele królowych, aby robotnice mogły się nimi opiekować, umrą zaplątane w skórę poczwarki.

„Wydaje się, że mają zdolność regulowania własnej reprodukcji, aby nie doprowadzić do wyginięcia kolonii żywiciela, co jest bardzo sprytną rzeczą jak na pasożyta” – mówi Trible, były członek laboratorium Kronauera, który obecnie prowadzi własne laboratorium na Harvardzie badające te i inne mutanty. „To zapewnia tym mutantom zdolność przetrwania przez długi czas”.

Tajemnica kasty mrówek

Sekwencjonowanie całego genomu ujawniło, że królowe pasożytnicze mają mutację w chromosomie 13, który jest strukturalnie podobny do chromosomów regulujących strukturę społeczną kolonii u innych mrówek. Ten zmutowany chromosom wydaje się zawierać „supergen”, zestaw genów, które współpracują ze sobą, tworząc fenotyp. W tym przypadku supergen zawiera ponad 200 pojedynczych genów, z których nieproporcjonalna liczba pomaga w metabolizmie hormonów.

Należą do nich geny kodujące enzymy cytochromu p450, które są wymagane do syntezy hormonów zarówno u mrówek, jak i ludzi, i mogą odgrywać rolę w tworzeniu tych bardzo niezwykłych mutantów. (Ta rodzina enzymów może być znana każdemu, kto został ostrzeżony, aby nie pić soku grejpfrutowego podczas przyjmowania niektórych leków, ponieważ sok hamuje enzymy w detoksykacji leków).

Wydaje się, że przy tej pojedynczej mutacji „ich forma, wyższa produkcja jaj, zachowanie – wszystko to może się zmienić w jednym kroku mutacyjnym” – mówi Kronauer.

A jeśli tak jest, mówi Trible, „byłby to sposób, w jaki faktycznie można przejść od normalnej mrówki do pasożyta w obrębie jednego gatunku”.

Ta idea – że w jednym gatunku mogą powstać dwie bardzo różne formy zwierzęcia – trafia do sedna tajemnicy kast mrówek. Ponieważ bezrobotne pasożyty społeczne powstają w wyniku bardzo specyficznego typu mutacji wpływającej na rozwój kast mrówek, badanie mutantów podobnych do królowych może ujawnić wgląd w wciąż nieznane mechanizmy molekularne, które pozwalają larwom mrówek rozwinąć odrębne morfologie kastowe. „Zapewnia bardzo wszechstronne ramy do badania ich ewolucji” — mówi Kronauer.

Odkrycia mogą również prowadzić do dalszych badań nad ważnym procesem rozwoju znanym jako skalowanie allometryczne, które zachodzi u wszystkich zwierząt, w tym ludzi, mówi Trible. Skalowanie allometryczne utrzymuje tkanki organizmu proporcjonalnie do jego wielkości ciała w miarę wzrostu.

Jego mechanizmy są nieznane, ale zrozumienie ich prawdopodobnie ma znaczenie dla wielu aspektów biologii człowieka, w tym chorób, mówi Trible. Być może mutanty przypominające królową mogą zapewnić nową drogę dochodzenia.

„Nie mamy dobrych przykładów mutacji u muszek owocówek, myszy lub ludzkich zaburzeń genetycznych, które w tak dramatyczny sposób łamią skalowanie allometryczne” – mówi. „Uważamy, że ten mutant podobny do królowej będzie potężnym narzędziem do zrozumienia rozwoju kast, a rozwój kast jest z kolei idealnym modelem do badania tych szerszych pytań dotyczących tego, jak działa skalowanie allometryczne”.

Źródło: Joshua Krisch z Rockefeller University