Królowie różnych typów owadów społecznych wykorzystują te same sygnały chemiczne, aby uniemożliwić hodowlę robotnikom • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Etologia, chemia, entomologia, ewolucja, biologia molekularna

Królowie różnych typów owadów społecznych stosują te same sygnały chemiczne, aby uniemożliwić hodowlę robotnikom.

Ryc. 1. Trzy rodzaje owadów eusocjalnych, w których królowie tłumią funkcje rozrodcze pracowników za pomocą identycznej lub bardzo podobnej struktury nasyconych węglowodorów: pospolita osa Vespula vulgarisTrzmiel ziemi Bombus terrestrisbiegacz mrówek Cataglyphis iberica. Obrazy z omawianego artykułu Nauka

Wiadomo, że samice rozpłodowe owadów społecznych emitują pewne substancje, które blokują rozmnażanie się pracujących osób, ale charakter tych substancji ustalono tylko w poszczególnych gatunkach. Międzynarodowy zespół naukowców wykazał, że w różnych grupach błonkówek, które przestawiły się na eusociality niezależnie od siebie, królowie używają podobnych feromonów węglowodorowych w celu tłumienia funkcji rozrodczej pracowników. Ewolucyjny konserwatyzm tych sygnałów chemicznych sugeruje, że odmowa hodowania robotników służyła genetycznym interesom nie tylko królowych, ale także samych robotników, a zatem kasty nie weszły ze sobą w "ewolucyjny wyścig zbrojeń". U przodków powszechnie występujących hymenoptera substancje te były najwyraźniej zwykłymi kobiecymi feromonami i były używane przez kobiety, aby zademonstrować ich gotowość do rozmnażania i przyciągania samców.

Najważniejszą cechą zwierząt eusocial (patrzeusociality) – ścisły podział funkcji reprodukcyjnych między kastami. Podczas gdy niektóre osoby (królowie i królowie) rozmnażają się, inni (pracownicy) nie produkują własnego potomstwa i poświęcają swoje życie społecznie użytecznej pracy: budując i chroniąc gniazdo, dbając o młodsze pokolenie i hodowlę osobników.

Eusociality wielokrotnie pojawiały się w trakcie ewolucji u różnych zwierząt (patrz wiadomości: Eusociality, Elements, 29 września 2010; Leniwe kopaczki wykonują wyczyny w deszczową pogodę, Elements, 10 kwietnia 2006). Szczególnie podatne na rozwój euskotyczny są owady błonkoskrzydłe (osy, pszczoły, trzmiele, mrówki). Według współczesnych rekonstrukcji ewolucyjnych eusociality w Hymenoptera rozwinęły się niezależnie co najmniej 10 razy (patrz: Ewolucja współpracy i altruizm).

Wiadomo, że funkcje rozrodcze pracujących osobników w hymenoptera są tłumione z powodu pewnych substancji uwalnianych przez samice hodowlane (królowe). Jeśli usuniesz królową z gniazda, pracownicy wielu gatunków hymenoptera zaczynają składać własne jaja, to znaczy przywracają funkcję reprodukcyjną.Chemiczny charakter tych substancji sygnalizacyjnych został dotychczas rozszyfrowany tylko w kilku gatunkach: w mrówkach ziemskich z rodzaju Lasius i pszczoły miodnej Apis mellifera. "Królewskie feromony" mrówek i pszczół okazały się inne, a substancje pszczele są mniej lub bardziej unikalne, a mrówki mają podobną strukturę do zwykłych kobiecych feromonów, z którymi samice wielu owadów reklamują swoją gotowość do rozmnażania (nasycone węglowodory o długich łańcuchach).

Powyższe fakty nie były wystarczające, aby zrozumieć pochodzenie tego najważniejszego systemu komunikacji chemicznej, dzięki któremu utrzymano podział kast wśród owadów społecznych.

Międzynarodowy zespół naukowców z Belgii, Australii, USA, Francji i Wielkiej Brytanii zdołali uzyskać brakujące dane w trakcie badania substancji wydzielanych przez królowe trzech gatunków euskocyjnych błonkówek: pospolitej osy, trzmiela ziemskiego i biegacza mrówkowego (ryc. 1). Autorzy porównali zestawy cząsteczek organicznych ze skórek matek i pracowników oraz wyselekcjonowali te substancje, które królowie produkują więcej niż pracownicy. Szczególną uwagę zwrócono na węglowodory.Substancje wybrane w ten sposób zostały następnie sztucznie zsyntetyzowane w wystarczających ilościach, aby eksperymentalnie zbadać ich wpływ na funkcję rozrodczą.

Badano substancje pod kątem zdolności do powstrzymywania rozwoju jajników u pracowników trzech badanych gatunków (przypominam, że u Hymenoptera pracownicy są zawsze płci żeńskiej, a samce są dobre dla niczego oprócz reprodukcji). W tym celu autorzy wykorzystali rodziny, z których królowe zostały usunięte. Niewielką ilość jednego z "królewskich" feromonów (w przybliżeniu tyle, ile wyprodukowano z jednej macicy) rozpuszczonych w pentanie dostarczano codziennie do gniazd. Rodziny kontrolne otrzymały taką samą ilość czystego pentanu. Po wystarczająco długim czasie, aby pracownicy mogli rozwinąć jajniki (od dwóch do trzech tygodni w przypadku różnych gatunków), pracownicy otworzyli i porównali odsetek osób z rozwiniętymi i nierozwiniętymi jajnikami w doświadczeniu i kontroli.

W rezultacie udało się zidentyfikować kilka substancji, które utrudniają rozwój jajników u pracowników. Substancje te działają na zdolności reprodukcyjne pracowników w taki sam sposób, jak obecność żywej królowej. Wszystkie substancje były nasycone węglowodorami o długich cząsteczkach, liniowe lub z jedną grupą boczną metylu.Poprzednio zidentyfikowane "królewskie feromony" mają taką samą strukturę, uniemożliwiając hodowlę mrówek Lasius (Struktury molekularne pokazano na Rys. 2 po prawej).

Następnie autorzy porównali uzyskane dane z informacjami dostępnymi w literaturze na temat cząsteczek organicznych, które występują w różnych ilościach na skórze naskórek i pracowników różnych gatunków hymenoptera. Rezultatem była ewolucyjna rekonstrukcja pokazana na ryc. 2

Ryc. 2 Historia ewolucji sygnałów chemicznych używanych przez samice samic hymenoptera w celu wykazania płodności i tłumienia funkcji rozrodczej pracowników. Poziome paski różne odcienie pokazują pięć linii ewolucyjnych (skarb), w których miało miejsce równoległe (niezależne) przejście do eusociality: dwie grupy os, dwie grupy pszczół i mrówek (niezależność przejścia nie jest pokazana na rysunku, została ustalona wcześniej na podstawie szczegółowych rekonstrukcji filogenetycznych). Różne kolory Pokazano klasy feromonów produkowanych w różnych ilościach przez królowe i robotników. Małe wykresy kołowe odzwierciedlają prawdopodobieństwo, że w tym momencie ewolucyjnej hodowli drzew samice już wyprodukowały feromony z odpowiedniej klasy (diagramy podano tylko w przypadku, gdy prawdopodobieństwo to przekracza 50%). Ramy Podano nazwy gatunków, dla których eksperymentalnie pokazano rolę odpowiednich feromonów w tłumieniu funkcji rozrodczej pracowników. Czerwone strzałki trzy gatunki, szczegółowo zbadane w tej pracy. Po prawej Przedstawiono strukturę chemiczną feromonów charakterystycznych dla sześciu gatunków: A – osa Vespula vulgaris, B – pszczoła Apis mellifera, C – trzmiel Bombus terrestris, DF – mrówki Cataglyphis iberica, Lasius flavus, Lasius niger. Rysunek pokazuje, że w ostatnim wspólnym przodku pięciu grup owadów eusocial, które same były pojedyncze (nie społeczne), samice z dużym prawdopodobieństwem już użyły nasyconych węglowodorów jako feromonów. To samo dotyczy bezpośrednich przodków każdej z pięciu grup eusocjalnych. Stosowanie innych substancji (nienasyconych węglowodorów, estrów itp.) Jest późniejszym nabyciem niektórych linii ewolucyjnych. Obraz z artykułu w dyskusji Nauka

Z tej rekonstrukcji wynikają ważne wnioski.System komunikacji chemicznej oparty na długołańcuchowych węglowodorach nasyconych, dzięki któremu pracownicy nie mogą uczestniczyć w hodowli, okazał się bardzo konserwatywny, to znaczy niewiele się zmieniło w toku ewolucji. W niektórych liniach (na przykład u pszczoły miodnej) zmienił się zestaw sygnałów, które zabraniają pracownikom hodowli, ale jest to późniejsza ewolucyjna akwizycja. Większość grup nadal używa oryginalnych, rodowych feromonów.

Rekonstrukcja pokazuje, że różne grupy Hymenoptera, niezależnie przenoszone do eusociality, pochodziły od przodków, którzy jeszcze nie prowadzili społecznego stylu życia, ale byli już w stanie wyprodukować te cząsteczki sygnałowe. Dlaczego to zrobili, żyjąc samotnie i nie potrzebując nietraktowanych córek?

Niemal z pewnością te sygnały chemiczne były zwykłymi feromonami płci żeńskiej. Samice pojedynczych owadów często wykorzystują feromony węglowodorowe, aby poinformować swoich krewnych o ich płodności (gotowości do rozmnażania). Jest to przydatne do przyciągania samców, a czasami może być przydatne do straszenia rywalizujących kobiet.Na przykład, żeńskie pasożytnicze jeźdźcy, którzy składają jaja w ciałach innych owadów, przy pomocy feromonów węglowodorowych, informują konkurentów, że jajo zostało już opóźnione z powodu tej ofiary. Jeźdźcy, nawiasem mówiąc, również należą do rzędu Hymenoptera. W każdym razie, produkcja specyficznych węglowodorów kutykularnych przez płodne samice jest wspólną cechą wielu owadów. Możliwe, że początkowo te substancje nie były nawet feromonami, a jedynie okazjonalnym produktem ubocznym aktywnej pracy jajników.

Niektórzy teoretycy sugerują, że "konflikt pokoleń" może odgrywać ważną rolę w ewolucji eusociality: matki korzystają, że większość jej córek nie rozmnaża się, ale pomagają jej wychowywać inne dzieci, podczas gdy córki rozmnażają się samodzielnie. Dlatego matki musiały nauczyć się skutecznie manipulować córkami. Z drugiej strony, teoria doboru krewnych (patrz dobór krewniaków) podkreśla, że ​​pomagając w rozwoju sióstr (niektórzy z nich stworzą własne rodziny), osoba pracująca przyczynia się do rozprzestrzeniania swoich własnych genów. Rzeczywiście, w genomach sióstr wiele genów jest absolutnie identycznych.Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku błonkówek, w których ze względu na swoje cechy genetyczne (patrz haplodiploidia), siostry są bardziej bliskimi krewnymi niż matka i córka. Dlatego inne rzeczy są równe osa lub trzmiel rozprzestrzeniają swoje geny jeszcze sprawniej, opiekując się siostrami, niż produkując własne córki.

Jeśli ewolucja eusociality została określona przez konflikt pokoleń, to między matkami i córkami był niekończący się "wyścig zbrojeń". Rozwiązania, które pomagają matkom manipulować córkami, aby się nie rozmnażały, oraz adaptacje, które pomagają córkom opierać się tym manipulacjom, musiały zostać wypracowane. W tym przypadku omawiany system komunikacji chemicznej (który wówczas nazywany byłby systemem manipulacji chemicznej) powinien bardzo szybko zmienić się w trakcie ewolucji. Coś podobnego obserwuje się na przykład w odwiecznym wyścigu zbrojeń między patogennymi bakteriami i środkami ochrony immunologicznej.

Jednak sygnały chemiczne, które tłumią reprodukcję pracujących osób, wręcz przeciwnie, okazały się bardzo konserwatywne.Oznacza to, że wyścig zbrojeń najprawdopodobniej nie odegrał decydującej roli w ewolucji eusociality. Teoria doboru krewnych sprawia, że ​​odkrycie jest lepsze. Innymi słowy, odmowa osoby pracującej reprodukcji w obecności płodnej królowej w gnieździe była z reguły korzystna nie tylko dla królowej i jej innych potomków, ale także dla samej pracującej osoby. Działając w ten sposób, osoba pracująca przekazała więcej kopii swoich genów następnym pokoleniom.

Dlatego nadal nie chodzi o manipulację przez królową, ale o komunikację.

We wczesnych etapach rozwoju eusociality samice reagowały na kobiece feromony matki lub siostry, zmniejszając funkcję reprodukcyjną, ponieważ odpowiadało to ich własnym interesom genetycznym. Podczas gdy płodny krewny był bliski, bardziej opłacalne (pod względem skuteczności rozprzestrzeniania własnych genów) było pomaganie jej w wychowywaniu potomstwa i ochronie wspólnego gniazda, niż samodzielne rozmnażanie. Ale jeśli płodność krewnego spadła (co można by ocenić na podstawie spadku liczby żeńskich feromonów w gnieździe), inne osobniki zaczęły się rozmnażać, tworząc z kolei feromony, na które ich partnerzy mogli reagować, zmniejszając funkcję reprodukcyjną.W ten sposób stopniowo zmieniały się zwykłe żeńskie feromony, zamieniając się w wyspecjalizowany sygnał, zabraniający pracownikom mnożenia się i wspierania podziału rodziny na kasty.

Badanie pozwala nam myśleć o ogólnych wzorcach ewolucji systemów komunikacyjnych. W tym przypadku zmiana, która miała miejsce, nie opierała się na fakcie, że zmieniony sygnał przesyłany zmienia się lub zaczął przenosić jakieś nowe informacje, ale na tym, że strona postrzegająca zaczęła reagować na nią w nowy sposób, zgodnie z jej własnymi interesami genetycznymi.

Źródła:
1) Annette Van Oystaeyen, Ricardo Caliari Oliveira, Luke Holman, Jelle S. van Zweden, Carmen Romero, Cintia A. Oi, Patrizia d'Ettorre, Mohammadreza Khalesi, Johan Billen, Felix Wäckers, Jocelyn G. Millar, Tom Wenseleers. Zakonserwowana klasa feromonów Queen zatrzymuje pracowników Social Insect przed odtwarzaniem Nauka. 2014. V. 343. P. 287-290.
2) Michel Chapuisat. Zapach jak królowa od kredy // Nauka. 2014. V. 343. P. 254-255. – zwięzłe powtórzenie omawianego artykułu.

Zobacz także:
1) Feromony nie przyciągają, ale sprawiają, że myślisz "Elementy", 10/19/2009.
2) Ewolucja współpracy i altruizmu.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: