在地球上存活已長(zhǎng)達(dá)1.4億年的螞蟻，它們?cè)c恐龍共存，也見證了人類的崛起。令科學(xué)界長(zhǎng)期感興趣的一點(diǎn)是，螞蟻不能單獨(dú)生存，必須作為蟻群的一份子，其在演化上的成功與其高度社會(huì)化緊密相關(guān)。 

然而，在螞蟻高度社會(huì)化的背后，又有哪些相關(guān)的機(jī)制？6月16日晚間，深圳華大生命科學(xué)研究院、中科院昆明動(dòng)物研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·生態(tài)與演化》（Nature Ecology & Evolution）在線發(fā)表了一項(xiàng)研究。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了螞蟻四種不同品級(jí)的大腦細(xì)胞圖譜，揭示了螞蟻伴隨著社會(huì)分工而出現(xiàn)的腦部特異化現(xiàn)象和不同社會(huì)品級(jí)行為模式差異的神經(jīng)基礎(chǔ)。

論文的共同通訊作者，現(xiàn)任浙江大學(xué)求是講席教授、生命演化研究中心主任張國(guó)捷教授指出，這項(xiàng)工作提示了大腦的特異化是螞蟻不同品級(jí)展現(xiàn)出社會(huì)分工和行為差異的基礎(chǔ)。

張國(guó)捷總結(jié)道，這些彼此之間既有差異但又功能互補(bǔ)的大腦，支撐蟻群成為一個(gè)真正意義上的“超個(gè)體”。因此，自然選擇作用也上升到了一個(gè)更高的組織層次，使得螞蟻在1.4億年的生存競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)，演化成為地球上極度優(yōu)勢(shì)的動(dòng)物類群。

一般而言，一個(gè)成熟的螞蟻帝國(guó)中，至少存在4種不同形態(tài)的分工類型，分別為：工蟻（worker）、雄蟻（male）、處女繁殖蟻（gyne）和蟻后（queen）。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)選用了社會(huì)性昆蟲研究的模式物種——法老蟻?zhàn)鳛檠芯繉?duì)象。法老蟻是一種橙黃色小型螞蟻，在世界上廣泛分布，也是一種公認(rèn)的室內(nèi)害蟲。

基于華大DNBelab C4單細(xì)胞建庫(kù)測(cè)序平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)分析了900多個(gè)來(lái)自4種不同品級(jí)的法老蟻的大腦，構(gòu)建了覆蓋法老蟻社會(huì)中全部成體形態(tài)的大腦細(xì)胞圖譜，并將其劃分出43種不同的細(xì)胞類群。

螞蟻大腦細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組分類。

此前的研究顯示，工蟻一般卵巢完全退化，終身從事育幼、覓食等工作，沒有繁殖能力。雄蟻活著只有一個(gè)目標(biāo)，離開巢穴找到心儀的蟻后進(jìn)行交配，交配后很快生命就結(jié)束了。處女繁殖蟻成功交配后成為蟻后，蟻后長(zhǎng)期待在巢內(nèi)，專職產(chǎn)卵，獲得后位的她壽命還會(huì)顯著延長(zhǎng)；而錯(cuò)過交配窗口期的處女繁殖蟻，其行為會(huì)逐漸偏向工蟻，從事部分育幼及覓食工作，而且卵巢也會(huì)逐漸萎縮。

在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，工蟻與雄蟻的大腦是極度特異化的。其中負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)記憶的高級(jí)大腦中樞蘑菇體細(xì)胞和負(fù)責(zé)處理氣味信息的細(xì)胞在工蟻大腦里含量極高，而負(fù)責(zé)處理視覺信息的視葉細(xì)胞在工蟻大腦里的含量則很低。雄蟻大腦的細(xì)胞組成趨勢(shì)則相反，視葉細(xì)胞含量很高，而蘑菇體細(xì)胞和處理嗅覺信息的細(xì)胞含量則非常低。處女繁殖蟻和蟻后的大腦細(xì)胞類型則相對(duì)“正?！薄?/p>

“這意味著工蟻是更傾向于嗅覺感知的動(dòng)物，而雄蟻則更依賴視覺，這可能與其要依靠視力尋找合適的交配對(duì)象有關(guān)?！?論文的第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院李啟業(yè)研究員介紹說(shuō)，“蟻群內(nèi)部伴隨著不同的社會(huì)分工出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)和細(xì)胞組成的大腦，這些就像是為了完成特定的工作，而專門設(shè)計(jì)的一個(gè)個(gè)大腦。”

“而在整體層面，不同品級(jí)的螞蟻大腦有不同方向和程度的特異化，彼此之間又功能互補(bǔ)，這使得蟻群成為一個(gè)真正意義上的‘超個(gè)體’，能夠同時(shí)行使生殖、育幼、覓食、防御等全面的功能?！?論文的共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所劉薇薇副研究員補(bǔ)充道。

法老蟻大腦的特異化和互補(bǔ)性。

此外，研究團(tuán)隊(duì)將處女繁殖蟻與成熟蟻后的大腦進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，它們大腦細(xì)胞的組成發(fā)生了明顯的變化。其中，視葉細(xì)胞的含量在蟻后大腦中明顯降低，這與蟻后長(zhǎng)期適應(yīng)黑暗的巢內(nèi)環(huán)境相關(guān)。而多巴胺細(xì)胞以及一類具有神經(jīng)保護(hù)功能的膠質(zhì)細(xì)胞的含量則在蟻后大腦中顯著增加。這些大腦細(xì)胞類群的變化以及神經(jīng)環(huán)路的重塑，或許決定了蟻后生殖功能的極度提升以及壽命的顯著延長(zhǎng)。這也為其他動(dòng)物長(zhǎng)壽的研究提供了可能的方向。

研究團(tuán)隊(duì)還比較了法老蟻和果蠅的大腦細(xì)胞組成的差異。他們發(fā)現(xiàn)，比起果蠅，法老蟻中負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的蘑菇體細(xì)胞的含量更高，其功能也發(fā)生了明顯的多樣性分化。另外，盡管法老蟻與果蠅在演化歷史上已分開了數(shù)億年，研究發(fā)現(xiàn)，它們大腦中仍然有很多種類的細(xì)胞保持著同樣的分子特征，行使著相似的功能。