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为什么蚁后多子多孙还长寿?

2022-03-22  admin  阅读:

 

 

  群居昆虫违背了进化原则,即生物要么生存,要么繁殖,而不是两者兼有。科学家们想知道这些生物是如何做到两全其美的。

  小型动物通常没有变老的机会,因为它们总是面临被另一种动物一口吞掉的风险,所以为了确保它们物种基因的延续,最好的办法就是尽快繁育一群后代。对于昆虫来说,这是毫无疑问的,但其中也有一些著名的例外,比如蝉,它们的预期寿命通常是几天、几周或几个月。

  相比之下,大象和人类这样的动物繁育的后代数量很少,而且自身可以存活好几十年:如果你的体型或者生活方式能够保护你自己,那么你就可以慢慢筹划生育大计。

  这种对比模式随处可见,它表明,由于繁殖后代和维持生命都要付出高昂代价,动物通常不能两者兼顾。因此,个体为了繁育后代付出的能量和营养越多,它就可能老得越快,寿命也就越短。

  然而,在群居昆虫中,如白蚁、蚂蚁、蜜蜂和黄蜂,它们的“女王”似乎找到了一种两全其美的办法。

  在许多蚁穴中,每天产卵数百个的蚁后能够存活好几年甚至几十年,然而一辈子都不产卵的工蚁寿命只有几个月。显而易见,这些物种已经找到了一条途径,使得它们当中至少有一部分能够不受限制,不再纠结到底是选择长寿还是繁育大量后代。

  几年前,一个国际生物学家团队开始研究这些生物是如何做到这一点的——尽管还有很多未解之谜,但这个项目的首批结果已经开始给出了一些线索。

  比起工蚁来说蚁后寿命更长,基因密码的差异似乎无法对此提供解释。所有的工蚁都是蚁后的“女儿”,在很多情况下,如果这些“女儿们” 在幼虫时期受到适当的“皇室待遇”的话,它们中的任何一个在长大后都可能成为蚁后。

  正是有了这种密切的遗传关系,工蚁便一生致力于照顾蚁后和她的后代,维护和保护蚁穴并寻找食物。每只工蚁通过保证蚁后的安全,给她提供充足的资源,使得蚁后能够连续多年不停产卵,工蚁自身也得以传播它自己的基因。

  因为蚁后是蚁穴中唯一一个能产卵的角色,所以拥有长寿的蚁后的蚁穴有可能会发展壮大,并且派出更多的年轻蚁后,建立起新的巢穴,同时派出雄蚁去授精。

  换句话说,许多科学家推断,一定是由于强大的物竞天择的压力,才进化出延缓衰老的方法,使蚁后活得尽可能久。

  由于蚂蚁太小了,研究人员(于罗曼·利布雷希特的实验室中)用刷子来移动它们。(图源:Romain Libbrecht)

  事实证明,有些物种会根据环境变化,以某种方式调整它们在生存和繁殖二者上的投入。例如,研究表明,当黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)按照严格的饮食喂养时,它的寿命很明显延长了,但是它产的卵更少了。

  研究人员还表示,这种效应是由一整个基因网络造成的,这个基因网络能够感知营养物质(如氨基酸和碳水化合物)的存在。当食物匮乏时,这个网络会传输延缓繁殖的信号,同时延长生物的寿命,增加对组织修复等活动的投入,如此一来,也许能支撑该生物度过这段艰难的日子。一些科学家还表明,当营养感知网络中的一些关键基因被灭活时,果蝇的寿命会更长。

  对果蝇的研究表明,衰老的速度并不是一成不变的。相反,在某种程度上,它可以看作是进化策略的一部分,即资源利用最优化——当资源充足时就繁殖,当资源不足时就维持生命。

  “当我们谈论衰老的机制时,我们通常只谈论事物是如何恶化的”,来自瑞士弗里堡大学的进化生物学家托马斯·弗拉特说道,他的主要研究对象是果蝇,并且与他人联合在《昆虫学年度评论》上发表了关于昆虫衰老的文章。“我们似乎经常忘记的是衰老的另一面,也就是减缓衰老的主要机制。”

  会不会群居昆虫使用了一些与果蝇相同的基因来延缓衰老的速度?就蚁类而言,就是去延缓蚁后的衰老?

  研究蚁后的衰老并不容易,因为通常每个蚁穴里只有一位蚁后,并且它们需要很多年(一般是几十年)才会变老。为了解决这个问题,研究人员可以把蚁后移出蚁穴,这样通常会促使一些工蚁开始自己产卵。

  切胸蚁属中的橡果蚁(Temnothorax rugatulus)实在是太小了,一个橡果或者是实验室里的一个小容器就能容纳整个蚁群。中间这只大一点的蚂蚁就是蚁后。(图源:MEGHA MAJOE)

  当然将蚁后移出蚁穴的做法不会完全把工蚁变为蚁后,但是研究表明,这确实会带来一些健康福利,与长寿蚁后所享有的相似。例如,在2021年发表的一项研究中,北卡罗来纳州立大学格林波若分校的研究者发现,重新产卵的工蜂更能够抵御一种可能导致致命感染的病毒。

  产卵的工蜂在注射了百草枯(一种能对蛋白质、DNA和其他细胞成分造成氧化损伤的除草剂)之后,存活的可能性也越高。这种损伤也会由正常新陈代谢产生的废料造成,不过速度更慢,人们广泛认为它是导致衰老的重要原因。

  德国两所大学的科学家在三种蚂蚁的工蚁身上发现了一些相似之处:对于其中两种蚂蚁来说,当蚁后被从蚁穴移除后,工蚁对氧化应激的抵抗力增强,在百草枯作用下存活的几率几乎增加了一倍。在这两者之中,有一种蚂蚁的工蚁开始产卵,而另一种蚂蚁并没有产生类似的效果。

  在这种情况下,该研究的合著者,来自美因茨大学的进化生物学家罗曼·利布雷希特表示,寿命的增长可能会让工蚁有更多的时间来培育新的蚁后。

  德国弗赖堡大学的进化生物学家朱迪思·科尔布表示,我们也可以从不同种类的白蚁入手,找到群居昆虫抗衰老技巧的线索,因为白蚁本质上就像是群居的蟑螂。

  科尔布研究的白蚁之一是干木白蚁(Cryptotermes secundus),这种白蚁从不离开巢穴,它只会躲在枯树里,在里面以木头为食。工蚁不需要非常努力地工作,而且它们保留了繁殖的能力。每当食物耗尽时,它们总是蓄势待发,准备搬出去,试图在其他地方建立起它们自己的蚁穴。

  科尔布和她的同事们发现,当这些工蚁年轻且不繁殖的时候,与抗氧化损伤有关的基因就越活跃,当它们变老并且开始繁殖时,这些基因的活力就会降低。这个时候,工蚁的重点主要是繁殖。

  东非白蚁(Macrotermes bellicosus)(已知最大的白蚁)的蚁后(右上)和蚁王(中右),周围环绕着相对矮小的工蚁。蚁后不断地从它巨大的腹部产卵。(图源:Judith Korb)

  在干木白蚁这个物种中,工蚁可以活几年,而蚁王和蚁后的寿命可能长达十年,甚至更久。但在大多数其他种类的白蚁中,社会结构更为复杂。在一些种类中,工蚁是完全不育的,永远没有机会自己产卵。这就是工蚁和蚁后寿命差异如此之大的原因。

  “这些工蚁通常只能活几个月,但它们的蚁王和蚁后却非常长寿。”科尔布表示。东非白蚁(Macrotermes bellicosus)是已知的体型最大的白蚁,它们的蚁后可以活20年以上。

  似乎只有当蚁穴成员失去了所有繁育后代的希望后,整个蚁群才真正实现“蚁后万岁”。

  为了进一步了解群居昆虫中蚁后长寿的原因,包括科尔布、利布雷希特、弗拉特等研究人员在内的研究小组决定比较白蚁、蚂蚁和蜜蜂(各两种)的各类基因的活跃水平。他们总共研究了157只个体,包括不同年龄和不同等级的昆虫。

  不出所料,研究小组发现,已知的在繁殖中发挥重要作用的基因,在蚁后体内的活动模式,与其在不育工蚁体内的活动模式有所不同。其中,某些基因携带了制造卵黄原蛋白的指令,在所有物种的蚁后体内都很活跃。

  卵黄原蛋白的主要作用是促进卵黄的产生。但是一些科学家怀疑卵黄原蛋白的作用可能不止于此。研究发现,至少对于蜜蜂来说,卵黄原蛋白还具有抗氧化的作用。如果卵黄原蛋白同样也对其他群居昆虫起作用的话,那么它们可能有助于蚁后抗氧化。

  研究小组还发现,与不育的工蚁相比,蚁后和产卵的工蚁在预防或修复氧化损伤方面的基因活动有所不同。但具体涉及的基因在不同的物种中也有很大的差异。领导这项研究的科尔布表示,很明显,每个物种都进化出了延长自己“女王”生命的方式。

  科学家们还检查了果蝇的营养感知基因网络,这一网络发挥作用时,能够延长果蝇的生命。科学家们没有在不同年龄和不同阶级之间找到明显的模式,但他们确实做出了一些其他发现,比如在繁殖过程中基因活动的差异性,以及一种叫做保幼激素的物质的作用。保幼激素就是一种能够重新调节大多数成年昆虫躯体的分子。

  科学家们推测,让昆虫成熟的激素,也许同样能帮助它们延缓衰老。但是,这些与保幼激素相关的基因具体是如何调节的,在不同的物种中并不相同。

  对于科尔布来说,这个跨物种的多样性有点令人困惑,但多样性本身揭示了关于衰老本质的一个重要教训:没有这样一个按钮或开关,能使某个物种决定在生存或繁殖上投入更多或更少,相反,有的是一整块指示板,而每个物种的设定略有不同。

  “寿命和繁衍之间的权衡显然不是天生的,它远比人们想的更加灵活”, 科尔布说道,“许多物种已经进化出了不同的解决方法。”这取决于它们各自的社会和自然环境。

  弗拉特表示,虽然彻底了解一些物种是非常有用的,但这些研究发现同样也是一个警示,即不要认为一两个经过深入研究的生物——如著名的黑腹果蝇——就能教会我们一切。“还有巨大的生物多样性有待我们研究,我们根本对其一无所知。”

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