Acest organ „inutil” determină care furnicile cresc în soldații mari

Coloniile de furnici au evoluat câteva trăsături colective surprinzătoare de-a lungul celor 150 de milioane de ani, astfel încât au târât Pământul. Furnicile de foc se leagă pentru a face plute înfricoșătoare de eficiente, de exemplu, iar unele furnici de armată par a instinctiv construi punți de furnică perfect eficiente pentru colectarea hranei.

Aceste insecte par să aibă, de asemenea, capacitatea de a-și controla populațiile, menținând un raport stabil între soldați și muncitori. Cum au ajuns aceste sisteme de castă de furnici este un mister pentru entomologi, dar un studiu publicat în Nature arată astăzi că dacă furnica crește într-un soldat sau un muncitor are de-a face cu un organ care a fost de mult crezut inutil - discuri cu aripi.

„Aceste sisteme de castă sunt unul dintre fenomenele majore neexplicate ale evoluției fenotipice”, spune Scott Powell, un biolog ant la Universitatea George Washington din Washington DC „Acest studiu identifică cu adevărat principalul centru de control care produce aceste caste.”

Discurile de aripi, mici pungi de celule, sunt destinate să devină aripi pe o regină, dar cresc în larve și apoi mor în timpul metamorfozei pentru a produce soldați fără aripi. Studiul arată că aceste discuri cu aripi rudimentare nu sunt atât de rudimentare până la urmă, ci afectează mai degrabă dezvoltarea larvelor de furnică.

„Punctul cu adevărat important al acestei lucrări este faptul că organele rudimentare și structurile vestigiale, despre care se credea că nu au nici o funcție, ar putea avea de fapt roluri de semnalizare majore în timpul dezvoltării”, spune biologul evoluționist în dezvoltare Ehab Abouheif de la Universitatea McGill, autorul principal al studiu nou. (Disclaimer: Am vorbit cu Abouheif despre cercetările sale înainte de publicare și el m-a inclus în declarațiile lucrării.)

Dezvoltarea larvelor soldate produce mari discuri de aripi rudimentare, în timp ce larvele muncitorilor nu. Anterior, gândite să moară pur și simplu în timpul metamorfozei, discurile aripi au o aparentă influență asupra creșterii altor părți ale corpului.

„[Discurile cu aripi] devin destul de mari - este cam surprinzător”, spune Diana Wheeler, biolog de furnici la Universitatea din Arizona, care a studiat determinarea castei de furnici încă din anii ’80. „Evident că nu este ceva de care evoluția tocmai a uitat să scape. Parcă se folosește pentru ceva. ”

Funcția aparentă a discurilor de aripi ale larvelor de furnică are implicații semnificative în istoria evolutivă a insectei. Furnicile timpurii produceau colonii cu o regină înaripată și o caste muncitoare fără aripi și, ulterior, în mai multe linii independente, casta muncitoare a devenit mai diferențiată în subcasturi. În Pheidole, un gen hiperdivers care include peste 1.000 de specii de furnici, casta muncitoare este împărțită în muncitori și soldați minori. Soldații au în mod disproporționat capete mari pe care le folosesc pentru apărare și prelucrarea semințelor, în timp ce muncitorii minori constituie 90 până la 95 la sută din colonie și îndeplinesc sarcini precum creșterea puietului și furaje.

Studiile lui Wheeler din anii 1980 au demonstrat că furnicile Pheidole pot regla proporția lucrătorilor minori și a soldaților din colonie. O modalitate prin care această reglementare funcționează este printr-o feromonă inhibitoare - o hidrocarbură cuticulară - făcută de soldați care suprimă dezvoltarea soldaților în larve, dacă soldații depășesc aproximativ cinci procente din populația coloniei.

Pentru a investiga relația dintre discurile aripi și subcasta soldatului, Abouheif și echipa sa au doborât o genă numită vestigial, ceea ce face ca celulele discului aripă să moară foarte devreme la dezvoltare. Dărâmarea vestigialului în larvele destinate soldaților a redus mărimea capului și dimensiunea corpului animalelor, producând lucrători minori, în timp ce aruncarea vestigialului la lucrătorii minori nu a produs niciun efect.

Apoi, echipa a ridicat larve destinate soldaților cu populații adulte de 100 la sută muncitori minori sau cu 100 la sută soldați. Cu 100 de procente de lucrători minori în colonie, larvele au produs soldați. Dar, cu 100 la sută de soldați, care eliberează feromona cuticară cu hidrocarburi, dimensiunea discului aripii rudimentare a larvei a fost redusă semnificativ și a produs furnici adulte cu capete și corpuri mai mici.

Desigur, faptul că organele afectează dezvoltarea altor organe din corp nu este nou. Experimentele anterioare pe insecte au demonstrat că aripile în curs de dezvoltare concurează pentru nutrienți și factori de creștere, de exemplu. Deteriorarea unei aripi în curs de dezvoltare poate produce semnale care întârzie dezvoltarea întregului corp, permițând recuperarea timpului discului, astfel încât creșterea să poată continua într-un mod coordonat corespunzător.

Ceea ce se lovește aici, potrivit primului autor Rajendhran Rajakumar, este că, în loc să fie în competiție, aripa rudimentară promovează de fapt creșterea capului în subcasta soldatului. „Este și mai surprinzător pe baza faptului că acest țesut nu se formează de fapt la adulți. Este rudimentar, așa că nu ne-am așteptat cu adevărat să găsim felul de rezultate pe care le-am făcut atunci când l-am perturbat ”, spune Rajakumar, care a lucrat în laboratorul lui Abouheif la McGill și este acum cercetător la Harvard.

Furnicile contrastează cu alte insecte sociale precum albinele și viespile, care nu au evoluat polimorfismele muncitoare. Albinele regine și muncitoare au toate aripi și „dacă creezi o aripă care trebuie să zboare, nu poți juca foarte mult cu creșterea ei foarte mult, așa că creșterea acestor discuri este foarte restrânsă”, explică Abouheif. Acest lucru poate explica de ce albinele muncitoare, spre deosebire de furnici, nu s-au diferențiat niciodată mai mult în subcasturi.

Nu există numeroase exemple cunoscute de organe rudimentare sau vestigiale care determină inovația evolutivă. În afară de discurile cu aripi, o altă posibilitate intrigantă este ovarul unui muncitor de albine larvă, care este la fel de mare ca cel al unei regine în primele etape ale dezvoltării. Nu este clar de ce lucrătorii albinelor larve au nevoie de ovare, deoarece nu se vor reproduce niciodată, spune Mary Jane West-Eberhard, biologă în dezvoltare în dezvoltare la Smithsonian Tropical Research Institute.

„Deci, întrebarea ar fi: este important ca dezvoltarea normală a lucrătorilor să aibă ovarul prezent în larva timpurie?”, Se întreabă ea. Doar viitoare investigații vor spune.

„Sper că această lucrare îi va determina pe oameni să privească ce cred ei despre organele vestigiale într-un mod diferit și că vor încerca să sondeze ceea ce fac de fapt acele lucruri, în loc să-i respingă doar ca pe un lucru rămas”, spune Abouheif. „Cred că de fapt joacă roluri mult mai mari decât ne-am fi gândit anterior.”