蚂蚁为什么能分工明确？科学家揭示蚂蚁不同品级间的脑特化现象

蚂蚁起源于一亿四千万年以前的白垩纪时代，现存20000多个种类。它们广泛分布于除极地冰原以外的所有陆地生态系统中，是生物演化历程中最成功的动物类群之一。蚂蚁在演化上的成功与其具有高度社会化的特性紧密相关。

近日，我国科学家通过对蚂蚁脑组织的研究，揭示了社会性昆虫伴随着社会分工而出现的脑特化现象，挖掘了调节其生殖力和寿命的关键细胞类群。6月16日，该研究成果《A single-cell transcriptomic atlas tracking the neural basis of division of labour in an ant superorganism》在权威学术期刊《自然·生态与演化》上发表。

照顾繁殖蚁蛹的法老蚁工蚁。董志巍 摄

蚂蚁“超个体”

蚂蚁是陆地上最兴盛的社会性昆虫类群，其总重量大体与地球上所有人类相当。

在蚂蚁的社会中，蚂蚁不能单独生存，而必须作为蚁群的一分子，从事特定的分工，与其他蚂蚁紧密合作，共同维持蚁巢的正常运转。

在一个蚁群中，蚁后专职负责繁衍后代，蚁后产下来的后代雌性个体中，有些发育成新的具有繁殖能力的蚁后，有些发育成工蚁。工蚁完全或部分丧失了生殖潜能，专门负责觅食、育幼、筑巢、防御等除生殖外的所有工作。

“虽然工蚁和蚁后具有同样的二倍体基因组，但却表现出明显的形态、生理和行为的分化。”论文的第一作者、华大生命科学研究院研究员李启业告诉新京报记者，多数蚂蚁物种的工蚁没有繁殖能力，它们只负责打理巢穴的事务，而繁殖任务则交由繁殖蚁来承担。未交配的繁殖蚁有翅，交配后雄蚁死亡，雌蚁翅膀脱落，成为真正的蚁后。

在学界，有一个被大家普遍接受的观点，即认为整窝蚂蚁是一个“超个体”，每个蚂蚁都是这个超个体的一个“细胞”，工蚁是它的“体细胞”，而繁殖蚁是它的“生殖细胞”。为了进一步揭示蚂蚁品级分化的内在机制，李启业所在的研究团队以法老蚁为模式生物，通过单细胞转录组测序技术展开了研究。

法老蚁是一种适应性极强、对生长环境要求低、在世界上广泛分布的蚂蚁。其个体小、繁殖快、发育周期短、群体数量庞大。法老蚁行多后制，蚁群内可同时存在多个蚁后，可以在巢内自交，也可以诱导产生新的生殖蚁，易于在实验室多代大量饲养。法老蚁这些生物学特点使其成为开展社会性昆虫研究的理想模式物种。

正在交配的法老蚁繁殖蚁，其中通体黑色的为雄蚁。董志巍 摄

该论文的共同通讯作者、华大生命科学研究院研究员刘传宇称，他们通过华大自主研发的单细胞建库平台和测序技术，获得了涵盖法老蚁工蚁、处女繁殖蚁、蚁后、雄蚁4种全品级大脑总共206367个高质量的单细胞核转录组数据。“这是世界上首个全面覆盖一个蚂蚁社会中所有分工角色的单细胞图谱。”

蚂蚁具有支持“社会性”的脑子

李启业说，研究团队采用单细胞转录组测序的研究手段，来解析蚂蚁大脑细胞类群。其研究的原理是，同一个体的体细胞的细胞核具有相同的遗传物质，但是不同的体细胞具有不同的功能，这是因为在不同的细胞中由不同的基因发生转录的结果。因此，通过对不同细胞转录情况的测序和分析，可以确定这些细胞承担的功能。

通过比较法老蚁四种成体大脑的细胞组成，研究团队发现工蚁与雄蚁的大脑是极度特化的。其中负责学习记忆的高级大脑中枢蘑菇体（Mushroom bodies）细胞和负责处理嗅觉信息的细胞在工蚁里丰度极高，而负责处理视觉信息的视叶细胞的丰度则很低。

法老蚁不同品级脑细胞的相对丰度。刘薇薇 绘

同时，雄蚁大脑的细胞组成趋势则相反，视叶细胞丰度很高，而蘑菇体细胞和处理嗅觉信息的细胞丰度则显著降低。处女繁殖蚁和蚁后的大脑则处于中间形态，绝大多数的细胞类群丰度都居于中间水平。

据论文共同通讯作者、中国科学院昆明动物研究所副研究员刘薇薇介绍，研究显示，比起不具有社会性的果蝇，法老蚁脑中负责高级认知功能的蘑菇体细胞的丰度显著提高了，而在跳镰猛蚁和蜜蜂中，蘑菇体细胞相比果蝇也同样发生了扩张和多样性分化。

“这意味着工蚁是更倾向于嗅觉感知的动物，这与我们对蚂蚁的一般认识吻合。而雄蚁则更依赖视觉。”刘薇薇说。“此外，相比工蚁，蚁后的寿命要长得多，比多数同体型的昆虫都要长。我们也看到处女繁殖蚁在交配后转变为蚁后的过程中，大脑发生了明显的可塑性变化。”

法老蚁不同品级脑结构的三维结构重建。刘薇薇 绘

据她介绍，很多细胞类群的丰度都变化明显。其中，视叶细胞类群丰度降低，而多巴胺细胞及其下游神经肽细胞丰度增加，一类具有神经保护功能的胶质细胞丰度也显著增加。这揭示了蚁后成熟过程中调控其生理、行为发生剧烈变化的神经机制，大脑细胞类群的变化以及神经环路的重塑决定了蚁后职责功能的转变以及寿命的大幅度延长。

论文共同通讯作者、浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授指出，这项工作表明蚂蚁不同品级个体的社会分工和展现出的行为差异与其大脑不同的特化程度有关。不同品级个体的大脑有不同方向和程度的特化，彼此之间又功能互补，执行不同的社会行为和功能，从而使得整个蚁群能够同时拥有生殖、育幼、觅食、防御等多种功能。因此，蚁群成为一个真正意义上的“超个体”，自然选择作用上升到了蚁群这一更高的组织层次，使得蚂蚁在1.4亿年的生存竞争中获得优势，演化成为地球上极具优势的动物类群。

新京报记者 张建林

编辑 陈静 校对 杨许丽