大多数蚂蚁有两种形态上不同的成年等级——蚁后和工蚁——每一种都不可逆转地专门从事繁殖或非繁殖的利他行为,比如觅食、防御和照顾母亲的后代。成年雌蜂(处女女王)通常有更高的体重,翅膀和正面眼睛,以及增大的卵巢和精子储存器官。相比之下,工蜂是没有翅膀的雌性,体型较小,生殖道退化,通常没有精子储存器官。1910年,美国昆虫学家威廉·莫顿·惠勒(William Morton Wheeler)在他的专著《蚂蚁》(Ants)中指出,蚂蚁的超有机体群体与后生动物的身体惊人地相似,因为蚁后和工蚁在更高层次的身体组织中起着生殖细胞和体细胞的作用:群体水平。
我们非常习惯于这样一种观点,即在卵子受精并开始发育成胚胎后不久,动物体内的生殖细胞就会被搁置起来,发挥其特殊的生殖作用。在大多数具有不同的蜂王(群体生殖系)和工蜂(群体躯体)种姓的群居昆虫中,类似的发育分化发生在幼虫阶段,并且仍然可以被激素逆转。然而,在一些蚁群中,生殖系也在更早的胚胎(卵)阶段确定,这就提出了一个问题,即在发育过程中,工蚁的体细胞化是否与动物体细胞体细胞化一样不可逆转。
哥本哈根大学生物系的一项由Villum调查员Grant资助的新研究发现,法老蚂蚁(Monomorium pharaonis)的种姓发展是明显可逆的,这种蚂蚁的种姓决定发生在卵期。该研究的第一作者李汝燕说:“我们在第三幼虫期(幼虫发育的最后阶段)给237只法老蚁工蜂幼虫喂食了控制剂量的幼虫激素(JH)类似物。”“我们发现,接受激素治疗的工蚁发展出了许多类似雌性的身体特征,比如体长增加、多了三只前眼、翅膀和飞行肌肉、类似雌性的大脑;它们甚至发育出雌性特有的精子储存器官,这是该物种的工蜂所没有的。”
然而,与自然发育的雌虫不同,经jh治疗的工蜂从未发育出卵巢,而卵巢是最终将雌虫与工蜂区分开来的生殖器官,这表明种姓特异性的jh敏感窗口与卵细胞期没有重叠。该研究还揭示了生长激素的发育敏感性的变化如何在其他蚂蚁(如士兵(改良的工蚁)或永久无翼的母蚁)的新种姓出现中发挥作用。该研究的通讯作者、杭州浙江大学教授、哥本哈根大学副教授张国杰说:“这种新的种姓通常源于嵌合表型,这种嵌合表型重组了母系和工系性状,当自然选择奖励jh敏感性窗口的后续变化时,这种嵌合表型可能会成为永久性的。”
研究结果证实了动物体内的细胞分化和蚁群中的等级分化之间的相似性。“就像动物饲养者还没有成功地利用体细胞培育出新的动物一样,这项研究在蚂蚁的更高层次的群体组织中发现了类似的限制,”哥本哈根大学的kos Boomsma教授总结道,他是这项研究的资深合著者。