解码“蚂蚁帝国”的亿年文明

中青报(zhōngqīngbào)·中青网记者 李剑平 蚂蚁早(zǎo)在1亿年(yìnián)前的白垩纪时期就已经形成复杂的社会组织。它们在地球(dìqiú)白垩纪生物大灭绝中顺利“闯关”；五六千(wǔliùqiān)万年前哺乳动物开始走向繁盛时，蚂蚁就已经成为地球陆地上举足轻重的生态力量；当今，蚂蚁家族有超过1.5万个物种，广泛分布在除极地之外的所有(suǒyǒu)陆地生态系统中。如果(rúguǒ)把全球蚂蚁都集中在一起，它们的总重量超过地球上所有野生鸟类和哺乳动物的总和。 “蚂蚁帝国”亿年的文明(wénmíng)是如何演化与传承的？6月17日，浙江大学生命演化研究中心(zhōngxīn)张国捷团队组织(zǔzhī)的联合研究项目，在(zài)国际学术期刊《细胞》（Cell）发表论文，揭示蚂蚁及其社会系统的演化机制。 蚂蚁个体的发育过程及巢穴的建立(jiànlì)和发展。丁果 制图 生殖分工是(shì)蚂蚁社会形成的基础 浙江大学生命演化研究中心教授(jiàoshòu)张国捷的办公室，摆放着一个引人注目的玻璃缸式蚂蚁窝，让原本狭窄的办公空间更加拥挤，这样也方便他随时(suíshí)调转办公桌前的转椅，近距离(jìnjùlí)观察蚂蚁社群结构与关系。 张国捷向记者介绍，这个蚂蚁巢穴像人类的(de)(de)多层公寓楼，层次分明，层层相通，每层既有蚂蚁的蛹，也(yě)有蚂蚁的粮食，蚂蚁社会的工作生活状况一览无遗。 在蚂蚁社会里，存在两个最(zuì)基本的阶层——繁殖(fánzhí)(fánzhí)品级和劳力品级。张国捷说，繁殖品级中有雌性和雄性两种繁殖蚁。通常情况下，它们拥有宝贵的翅膀，在适当的季节飞(fēi)上蓝天，完成交配，雄蚁将很快死亡。雌蚁则会脱落翅膀，钻入地下(dìxià)建立巢穴成为蚁后，劳力品级的工蚁正是它的女儿。 浙江大学(zhèjiāngdàxué)生命演化研究中心教授张国捷办公室里的玻璃(bōlí)蚂蚁巢。中青报·中青网记者 李剑平/摄 这种交配制度(zhìdù)保证所有(yǒu)巢穴(cháoxué)成员具有亲缘关系，使一些个体更(gèng)有可能放弃自己的生殖机会，去照顾和自己有血缘关系的兄弟姐妹，为出现稳定的生殖分工奠定基础，从而促成蚂蚁从独居物种演化成社会性群体物种。 研究发现，同一蚁巢的个体，具有相同的基因组。不过，随着发育分化形成形态各异的品级(pǐnjí)，从事不同的工作，共同维持蚁巢的正常运转。在一些蚂蚁物种中，劳力品级还会细分出更多大大小小不同的亚品级，以便精细化地完成各种(gèzhǒng)工作。比如，大头蚁等(děng)蚂蚁类群，不仅有工蚁，还存在(cúnzài)特化的兵蚁，它们拥有厚重(hòuzhòng)的上颚和发达(fādá)的咬肌，专为战斗而生。 今天(jīntiān)，不同蚂蚁物种展示(zhǎnshì)出多样的社会组织形式，有(yǒu)些物种的巢穴(cháoxué)中(zhōng)，只有单个蚁后，有些物种有多个蚁后，甚至在一些特化的物种中蚁后缺失，反而由工蚁进行无性繁殖。劳力品级在不同的蚂蚁物种也出现极端的差异，有些只有一种类型的工蚁，它们之间大小几乎看不出差异。另一些物种中工蚁有小有大，甚至出现体型(tǐxíng)差异几十倍、上百倍的不同亚品级。 蚁后和工蚁之间的差异度(dù)，在不同(bùtóng)物种之间也呈现巨大差异，有些物种几乎很难区别两者，有些物种则展现出(zhǎnxiànchū)极大的体型差异。一种生活在非洲的行军蚁，蚁后体长达到最小工蚁的25倍。不同蚂蚁物种的单巢规模，也从(cóng)只有(zhǐyǒu)几只到上千万只蚂蚁，它们或采集，或寄生，或游猎，或农耕生活。 （小标题）超级蚁巢横跨(héngkuà)欧洲四国绵延6000公里 作为世界最具破坏力的百种入侵(rùqīn)物种之一，阿根廷蚁的一项(yīxiàng)绝活就是它们的“联邦制”——超级巢，即同一地区大量蚁巢靠亲缘关系联系(liánxì)在一起，甚至连巢穴都可以相通。 目前，全球已知最大的(de)超级巢位于欧洲(ōuzhōu)南部，沿地中海和大西洋海岸线绵延(miányán)6000公里，跨越葡萄牙、西班牙、法国(fǎguó)和意大利四个国家，由数百万个互联的蚁巢构成，形成地球上最庞大的无脊椎动物社会系统。 论文共同(gòngtóng)通信作者、中国科学院(zhōngguókēxuéyuàn)昆明动物研究所副研究员刘薇薇表示，群体规模扩张是驱动社会(huì)复杂度提升的核心动力——随着蚁巢规模的扩大，工蚁会逐渐分化出更多的亚品级，产生(chǎnshēng)更精细的劳动分工，进一步提高社会组织的复杂度。 工蚁(gōngyǐ)分型通常分为单一型、连续型和离散(lísàn)型。其中，离散型多态工蚁往往意味着特化组织的产生，典型的物种是(shì)来自切叶蚁亚科的龟蚁属，兵蚁的头部(tóubù)会特化成扁平圆盘，在遇到外敌入侵时，它们可以像盾牌一样堵住巢穴入口，而工蚁头部较小，主要负责觅食和巢内维护，这种形态分化是它们对树栖环境的适应(shìyìng)。 蚂蚁组织中不同的(de)社会性特征。Joel Vizueta 绘图 通过对(duì)不同工蚁多型物种各亚品级基因表达的比较，论文共同第一作者、浙江大学生命演化研究中心博士后丁果介绍，和工蚁多型相关(xiāngguān)的基因，通常(tōngcháng)富集(fùjí)在保幼激素和大脑发育相关的功能上(shàng)。如gcm基因在多个物种的大型(dàxíng)工蚁和小型工蚁之间存在差异表达，且在小工蚁上具有更高的表达量。作为一个和大脑胶质细胞发生相关的转录因子，gcm基因可促进神经胶质功能的分化，进而在不同工蚁亚品级中产生特化(tèhuà)的行为。 巢穴(cháoxué)(cháoxué)规模的扩大与品级进一步分化密切相关，同样对蚂蚁社会的复杂化发挥着关键的作用。在蚂蚁中，蚁巢(yǐcháo)规模差异跨越六个数量级，这种极端分化展示不同物种独特的生存策略。巢穴规模最小(zuìxiǎo)的典型代表是南方恐猛蚁，目前观察到(dào)的最小巢穴只有3只工蚁，它们社会结构简单，群体中没有明确品级分化，工蚁可随时通过决斗(juédòu)转变成繁殖个体。 行军蚁巢穴中，却可以包含上百万乃至千万的(de)个体，群体里的工蚁往往分成大小各异的亚(yà)品级，各自从事着不同的工作。 （小标题）“最强奴隶主(núlìzhǔ)”悍蚁属 当然，蚂蚁社会结构不(bù)一定总是在(zài)变复杂。在有些蚂蚁中，社会的复杂度反而降低。比如社会性寄生的蚂蚁，其中(qízhōng)最出名的悍蚁属，堪称“最强奴隶主”。它们不挖穴、不觅食、不照顾幼虫，靠掠夺(lüèduó)其他蚂蚁为生。 当它们(tāmen)锁定目标蚁群后，工蚁会倾巢而出(qīngcháoérchū)，冲入对方巢穴，然后(ránhòu)用镰刀般锋利的上颚刺穿反抗者，然后将对方的蛹和(hé)幼虫带回家，等其羽化为成虫后，新晋工蚁会完全将悍蚁当成自己的同伴，持续工作直至死亡。 蚂蚁另一种寄生(jìshēng)方式则(zé)是(shì)“蹭吃蹭喝”。施氏食客蚁没有工蚁，它的“蚁后”寄生在草地铺道蚁工蚁体表，虽然它对宿主巢穴毫无贡献，但是可以通过化学信号来使宿主接纳它。 社会性寄生作为蚂蚁社会复杂度降低的特征(tèzhēng)，通常(tōngcháng)伴随着较小的巢穴规模或较低的蚁后-工蚁分化程度(chéngdù)。刘薇薇发现，在营寄生生活的蚂蚁物种中，一些关键工蚁特征相关的基因，受到的选择压力显著(xiǎnzhù)降低。 此外，它们的基因组出现更高频率的“重新洗牌”和“基因家族丢失”，其中最引人注目的是化学受体基因家族。嗅觉、味觉化学受体基因家族，在蚂蚁觅食和社会交流中发挥重要(zhòngyào)作用，这些基因家族原本(yuánběn)在蚂蚁祖先状态(zhuàngtài)出现显著扩张，被(bèi)认为在蚂蚁社会组织的维持中扮演关键角色(juésè)。 这种寄生(jìshēng)蚂蚁不需要靠自身觅食(mìshí)，与外界环境接触机会变少，使得其基因组尽量精简，丢失掉多余基因，以减少能量消耗。 丁果说，研究人员全面解析了这些特征(tèzhēng)(tèzhēng)的(de)演化(yǎnhuà)规律和不同特征间的相互关系(guānxì)，以及其背后的基因调控基础，发现不同特征之间出现协同演化关系。比如，蚂蚁放牧蚜虫并从蚜虫的粪便中获得营养回报的共生现象，往往伴随着群体循迹觅食行为、大巢穴和多蚁后等特征的出现，这些特征共同增加群体的社会组织复杂度。 “蚂蚁社会的演化历程堪称自然界的奇迹。”张国捷说，对蚂蚁社会性演化的探索，为人类(rénlèi)揭示其他社会性动物的演化提供理论框架。同时，蚂蚁一系列社会特征的形成(xíngchéng)和(hé)演化，也是核心调控(tiáokòng)网络(wǎngluò)的重编程和整合(zhěnghé)形成的，包括其生殖、觅食、营养代谢及内激素响应信号等，这种“旧基因，新功能”的策略，提示了生命演化的简约之美和生存智慧。 来源(láiyuán)：中国青年报客户端