Αυτό το "άχρηστο" όργανο καθορίζει ποια μυρμήγκια μεγαλώνουν σε μεγάλους στρατιώτες

Οι αποικίες των μυρμηγκιών εξελίχτηκαν μερικά εκπληκτικά συλλογικά χαρακτηριστικά για τα 150 εκατομμύρια χρόνια ή έτσι που έχουν σκάψει τη Γη. Τα μυρμήγκια φωτιάς συνδέονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν τρομακτικά αποτελεσματικές σχεδίες, για παράδειγμα, και μερικά μυρμήγκια στρατού φαίνεται να κατασκευάζουν ενστικτωδώς τέλεια αποτελεσματικές γέφυρες μυρμηγκιών για τη συλλογή τροφίμων.

Αυτά τα έντομα φαίνεται επίσης να έχουν την ικανότητα να ελέγχουν τους πληθυσμούς τους, διατηρώντας μια καθορισμένη αναλογία στρατιωτών στους εργαζόμενους. Ο τρόπος με τον οποίο τέτοιου είδους συστήματα κασταριών μυρμηγκιών ήρθαν να είναι κάτι μυστήριο για τους εντομολόγους, αλλά μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στη Φύση σήμερα αποκαλύπτει ότι το αν ένα μυρμήγκι μεγαλώνει σε έναν στρατιώτη ή έναν εργάτη έχει να κάνει με ένα όργανο που ήταν μακρόχρονα σκεπτόμενοι άχρηστοι φτερωτοί δίσκοι.

"Αυτά τα συστήματα καστανιάς είναι ένα από τα σημαντικότερα ανεξήγητα φαινόμενα φαινοτυπικής εξέλιξης", λέει ο Scott Powell, βιολόγος μυρμήγκου στο Πανεπιστήμιο George Washington στην Ουάσιγκτον DC "Αυτή η μελέτη αναγνωρίζει πραγματικά το κύριο υποκείμενο κέντρο ελέγχου που παράγει αυτές τις κάστες".

Οι δίσκοι των πτερυγίων, μικροσκοπικοί θύλακες των κυττάρων, προορίζονται να γίνουν πτέρυγες σε μια βασίλισσα, αλλά μεγαλώνουν στις προνύμφες και στη συνέχεια πεθαίνουν κατά τη μεταμόρφωση για να παράγουν στρατιώτες χωρίς φτερά. Η μελέτη δείχνει ότι αυτοί οι στοιχειώδεις δίσκοι πτέρυγας δεν είναι τελικά τόσο υποτυπώδης, αλλά μάλλον επηρεάζουν την ανάπτυξη των προνυμφών των μυρμηγκιών.

"Το πραγματικά σημαντικό σημείο αυτής της εργασίας είναι ότι τα στοιχειώδη όργανα και οι υποκείμενες δομές, οι οποίες πιστεύεται ότι δεν έχουν καθόλου λειτουργία, θα μπορούσαν να έχουν σημαντικούς ρόλους σηματοδότησης κατά την ανάπτυξη", λέει ο εξελικτικός βιολόγος ανάπτυξης Ehab Abouheif του McGill University, νέα μελέτη. (Αποποίηση: Μίλησα με τον Abouheif για την έρευνά του πριν από τη δημοσίευση και με συμπεριέλαβε στις αποδείξεις του βιβλίου).

Οι αναπτυσσόμενες προνύμφες των στρατιωτών παράγουν μεγάλους, στοιχειώδεις δίσκους πτερυγίων, ενώ οι προνύμφες των εργαζομένων δεν το κάνουν. Προηγουμένως πιστεύεται ότι απλά πεθαίνουν κατά τη διάρκεια της μεταμόρφωσης, οι φτερωτοί δίσκοι έχουν προφανώς κάποια επίδραση στην ανάπτυξη άλλων τμημάτων του σώματος.

"Οι δίσκοι των φτερών είναι αρκετά μεγάλοι -είναι περίεργο", λέει η Diana Wheeler, βιολόγος μυρμήγκι στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που έχει μελετήσει τον προσδιορισμό των μυρμηγκιών από τη δεκαετία του '80. "Προφανώς δεν είναι κάτι που η εξέλιξη απλώς ξέχασε να ξεφορτωθεί. Φαίνεται ότι χρησιμοποιείται για κάτι. "

Η φαινομενική λειτουργία των δίσκων πτερυγίων των μυρμηγκιών των μυρμηγκιών έχει σημαντικές επιπτώσεις στην εξελικτική ιστορία του εντόμου. Τα πρόωρα μυρμήγκια παρήγαγαν αποικίες με φτερωτή βασίλισσα και καφέ χωρίς πτερύγια, και στη συνέχεια, σε αρκετές ανεξάρτητες γενεές, η εργατική κάστας διαφοροποιήθηκε περαιτέρω σε υποκείμενα. Στο Pheidole, ένα υπερδέραιο γένος που περιλαμβάνει περισσότερα από 1.000 είδη μυρμηγκιών, η εργατική κάστα χωρίζεται σε μικρούς εργάτες και στρατιώτες. Οι στρατιώτες έχουν δυσανάλογα μεγάλα κεφάλια που χρησιμοποιούν για την άμυνα και τη μεταποίηση των σπόρων, ενώ οι ανήλικοι εργαζόμενοι αποτελούν το 90 έως 95 τοις εκατό της αποικίας και εκτελούν καθήκοντα όπως η εκτροφή και η κτηνοτροφία.

Οι μελέτες του Wheeler από τη δεκαετία του 1980 έδειξαν ότι τα μυρμήγκια του Pheidole μπορούν να ρυθμίσουν το ποσοστό των ανήλικων εργαζομένων και των στρατιωτών στην αποικία. Ένας τρόπος με τον οποίο λειτουργεί αυτή η ρύθμιση είναι μέσω μιας ανασταλτικής φερομόνης - ενός κουτιού υδρογονάνθρακα - που παράγεται από τους στρατιώτες που καταστέλλει την ανάπτυξη των στρατιωτών στις προνύμφες αν οι στρατιώτες υπερβούν το 5% περίπου του πληθυσμού της αποικίας.

Για να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ των δίσκων των πτερυγίων και του υποκαστήρος του στρατιώτη, ο Abouheif και η ομάδα του χτύπησαν ένα γονίδιο που ονομάζεται επισκληρίδιο, το οποίο προκαλεί τα κύτταρα των φτερών να πεθάνουν πολύ νωρίς στην ανάπτυξη. Το χτύπημα της αποκομιδής σε προνύμφες που προορίζονται για στρατιώτες μείωσε το μέγεθος του κεφαλιού και το μέγεθος του σώματος των ζώων, δημιουργώντας μικρούς εργαζόμενους, ενώ ο χτύπημα του υπολείμματος στους μικρούς εργάτες δεν παρήγαγε κανένα αποτέλεσμα.

Η ομάδα έθεσε στη συνέχεια προνύμφες που προορίζονταν για στρατιώτες με ενήλικες πληθυσμούς 100 τοις εκατό ήσσονος σημασίας εργαζόμενους ή με 100 τοις εκατό στρατιώτες. Με 100 τοις εκατό ανήλικους εργαζόμενους στην αποικία, οι προνύμφες παρήγαγαν στρατιώτες. Αλλά με 100 τοις εκατό στρατιώτες, δίνοντας τη φερομόνη υδρογονανθράκων, το μέγεθος του δίσκου των πτερυγίων των προνυμφών μειώθηκε σημαντικά και παρήγαγε τα ενήλικα μυρμήγκια με μικρότερα κεφάλια και σώματα.

Φυσικά, το γεγονός ότι τα όργανα επηρεάζουν την ανάπτυξη άλλων οργάνων μέσα στο σώμα δεν είναι καινούργιο. Προηγούμενα πειράματα σε έντομα έχουν δείξει ότι τα αναπτυσσόμενα φτερά ανταγωνίζονται για θρεπτικές ουσίες και παράγοντες ανάπτυξης, για παράδειγμα. Η ζημιά σε μια αναπτυσσόμενη πτέρυγα μπορεί να παράγει σήματα που καθυστερούν την ανάπτυξη σε ολόκληρο το σώμα, επιτρέποντας στο δίσκο να ανακάμψει ώστε η ανάπτυξη να μπορεί να προχωρήσει με σωστό συντονισμό.

Αυτό που είναι εντυπωσιακό εδώ, σύμφωνα με τον πρώτο συγγραφέα Rajendhran Rajakumar, είναι ότι αντί να βρίσκεται κανείς σε ανταγωνισμό, η στοιχειώδης πτέρυγα προωθεί την αύξηση του κεφαλιού στον στρατιωτικό υποκείμενο. "Είναι ακόμη πιο περίεργο που βασίζεται στο γεγονός ότι ο ιστός αυτός στην πραγματικότητα δεν σχηματίζεται στους ενήλικες. Είναι υποτυπώδες, οπότε δεν αναμέναμε πραγματικά να βρούμε τα αποτελέσματα που κάναμε όταν το ενοχλήσαμε », λέει ο Rajakumar, ο οποίος εργάστηκε στο εργαστήριο του Abouheif στο McGill και τώρα είναι ερευνητής στο Χάρβαρντ.

Τα μυρμήγκια αντιτίθενται με άλλα κοινωνικά έντομα όπως οι μέλισσες και οι σφήκες, οι οποίες δεν έχουν εξελίξει τους πολυμορφισμούς των εργαζομένων. Οι μέλισσες της Βασίλισσας και των εργατών έχουν φτερά και «αν φτιάχνεις μια πτέρυγα που πρέπει να πετάς, δεν μπορείς να παίζεις πολύ με την ανάπτυξή της πάρα πολύ, έτσι η ανάπτυξη αυτών των δίσκων είναι πολύ περιορισμένη», εξηγεί ο Abouheif. Αυτό μπορεί να εξηγεί γιατί οι μέλισσες των εργαζομένων, αντίθετα από τα μυρμήγκια, δεν εξελίχτηκαν ποτέ εξελικτικά σε υποκείμενα.

Δεν υπάρχουν πολλά γνωστά παραδείγματα στοιχειωδών ή μεταλλοφόρων οργάνων που οδηγούν στην εξελικτική καινοτομία. Εκτός από τους δίσκους πτέρυγας, μια άλλη ενδιαφέρουσα δυνατότητα είναι η ωοθήκη ενός εργάτη της προνύμφης μέλισσας, η οποία είναι τόσο μεγάλη όσο αυτή μιας βασίλισσας κατά τα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης. Δεν είναι ξεκάθαρο γιατί οι εργάτες των μέλισσας των νυμφών χρειάζονται ωοθήκες, επειδή δεν θα αναπαράγουν ποτέ, λέει η Mary Jane West-Eberhard, εξελικτική βιολόγος ανάπτυξης στο Smithsonian Tropical Research Institute.

"Έτσι, το ερώτημα θα είναι: είναι σημαντικό για την φυσιολογική ανάπτυξη των εργαζομένων να έχουν τις ωοθήκες που υπάρχουν στην πρώιμη προνύμφη;» ρωτάει. Μόνο μελλοντική έρευνα θα πει.

"Ελπίζω ότι αυτό το έργο θα οδηγήσει τους ανθρώπους να εξετάσουν τι σκέφτονται για τα μεταδοτικά όργανα με διαφορετικό τρόπο και ότι προσπαθούν να διερευνήσουν τι πραγματικά κάνουν αυτά τα πράγματα, αντί να τα απορρίπτουν απλώς ως ένα απομεινάρια", λέει ο Abouheif. "Πιστεύω ότι στην πραγματικότητα παίζουν πολύ μεγαλύτερους ρόλους από ό, τι είχαμε σκεφτεί προηγουμένως."