Ovaj "beskorisni" organ određuje koji mravi rastu u velike vojnike

Kolonije mrava razvile su neke iznenađujuće kolektivne osobine tijekom 150 milijuna godina ili tako da su puzale po Zemlji. Vatreni mravi se povezuju kako bi napravili zastrašujuće učinkovite splavove, a čini se da neki vojni mravi instinktivno grade savršeno učinkovite mravlje mostove za prikupljanje hrane.

Čini se da i ovi insekti imaju kontrolu nad svojom populacijom, održavajući određeni omjer vojnika i radnika. Kako su nastali takvi sustavi kastu mrava nešto je misterija za entomologe, ali danas objavljeno istraživanje u časopisu Nature otkriva da li mrav preraste u vojnika ili radnika ima veze s organom koji se dugo smatrao beskorisnim - diskovima s krilima.

"Ovi kastni sustavi jedan su od glavnih neobjašnjivih fenomena fenotipske evolucije", kaže Scott Powell, biolog mrava na Sveučilištu George Washington u Washingtonu, DC "Ova studija zaista identificira glavni temeljni kontrolni centar koji proizvodi ove kate."

Krilni diskovi, sićušne vrećice stanica, predodređeni su da postanu krila kraljici, ali oni rastu u ličinkama i umru tijekom metamorfoze kako bi proizveli vojnike bez krila. Studija pokazuje da ti rudimentarni diskovi krila ipak nisu toliko rudimentarni, već utječu na razvoj ličinki mrava.

"Stvarno važna stvar ovog rada je da rudimentarni organi i vestigijalne strukture, za koje se dugo smatralo da nemaju nikakvu funkciju, mogu zapravo imati glavne signalne uloge tijekom razvoja", kaže evolucijski biolog Ehab Abouheif sa Sveučilišta McGill, viši autor nova studija. (Izjava o odricanju odgovornosti: Razgovarao sam s Abouheifom o njegovom istraživanju prije objavljivanja i on me uključio u priznanja rada.)

Ličinke vojnika u razvoju proizvode velike, rudimentarne diskove krila, dok ličinke radnika to ne čine. Ranije su mislili da jednostavno odumiru tijekom metamorfoze, krilni diskovi očito imaju neki utjecaj na rast ostalih dijelova tijela.

„[Krilni diskovi] postaju prilično veliki - to je pomalo iznenađujuće“, kaže Diana Wheeler, biologinja mrava na Sveučilištu u Arizoni koja je proučavala određivanje kasta mrava od 1980-ih. "Očigledno nije nešto čega se evolucije jednostavno zaboravilo riješiti. Izgleda da se koristi za nešto. "

Prividna funkcija krilnih diskova mravinjaka ima značajne posljedice na evolucijsku povijest insekta. Rani mravi proizveli su kolonije s krilnom kraljicom i krstom radnika bez krila, a kasnije se u nekoliko neovisnih rodova radnička kasta još više diferencirala u potkast. U Pheidoleu, hiperrazličitom rodu koji uključuje više od 1.000 vrsta mrava, radnička kasta podijeljena je na manje radnike i vojnike. Vojnici imaju nerazmjerno velike glave koje koriste za obranu i obradu sjemena, dok manji radnici čine 90 do 95 posto kolonije i obavljaju zadatke poput uzgoja i uzgoja krma.

Wheelerove studije iz 1980-ih pokazale su da Pheidole mravi mogu regulirati omjer manjih radnika i vojnika u koloniji. Jedan od načina na koji ovo reguliranje djeluje je putem inhibicijskog feromona - kutikularnog ugljikovodika - koji su napravili vojnici koji suzbijaju razvoj vojnika u ličinkama ako vojnici prelaze oko pet posto populacije kolonije.

Kako bi istražili odnos između krilnih diskova i vojničkog potkopavanja, Abouheif i njegov tim srušili su gen nazvan vestigial, zbog čega će krilna diskovna stanica umrijeti vrlo rano u razvoju. Srušenjem rukavaca na ličinkama namijenjenim vojnicima smanjilo je veličinu glave i veličinu tijela životinja, proizvodeći manje radnike, dok obaranje rukava na maloljetnim radnicima nije imalo učinka.

Tim je potom podigao ličinke namijenjene vojnicima sa odraslom populacijom 100% maloljetnih radnika ili sa 100 posto vojnika. Sa 100 posto manjim radnicima u koloniji, ličinke su proizvele vojnike. Ali sa 100 posto vojnika, odajući feroliku ugljikovodičnih ugljikovodika, veličina rudimentarnog diska krila larve značajno je smanjena i stvorila je odrasle mrave s manjim glavama i tijelima.

Naravno, činjenica da organi utječu na razvoj drugih organa u tijelu nije nova. Prethodni pokusi s insektima pokazali su da se krila u razvoju natječu, na primjer, za hranjive tvari i faktore rasta. Oštećenja krila u razvoju mogu proizvesti signale koji odgađaju razvoj po cijelom tijelu, omogućavajući disku vrijeme da se oporavi kako bi rast mogao nastaviti na pravilno koordiniran način.

Ono što je ovdje upečatljivo, prema prvom autoru Rajendhranu Rajakumaru, je da umjesto da bude u konkurenciji, rudimentarno krilo zapravo potiče rast glave u vojničkom potkopu. "To je još više iznenađujuće na temelju činjenice da se ovo tkivo zapravo ne formira kod odraslih. To je rudimentarno, pa zaista nismo očekivali da ćemo naći vrste rezultata koje smo napravili kada smo ga poremetili ", kaže Rajakumar, koji je radio u Abouheifovoj laboratoriji u McGillu i sada je istraživač na Harvardu.

Mravi se suprotstavljaju drugim društvenim insektima poput pčela i osa, koji nisu evoluirali radnički polimorfizmi. Pčele kraljice i radnice imaju krila i "ako pravite krilo koje mora letjeti, zapravo se ne možete toliko igrati s njegovim rastom, tako da je rast tih diskova vrlo ograničen", objašnjava Abouheif. To može objasniti zašto se pčele radnice, za razliku od mrava, nikada evolucijski dalje ne diferenciraju u potkavice.

Nema mnogo poznatih primjera rudimentarnih ili vestigijalnih organa koji pokreću evolucijsku inovaciju. Osim krilnih diskova, još jedna intrigantna mogućnost je jajnik radnice larve s pčelinjim pčelama, velik kao i kraljica u ranim fazama razvoja. Nije jasno zašto radnici larve s pčelinjim pčelama trebaju jajnike, jer se nikad neće razmnožavati, kaže Mary Jane West-Eberhard, biologinja evolucijskog razvoja iz Smithsonian Tropical Research Institute.

"Dakle, pitanje bi bilo: je li za normalan razvoj radnika važno da jajnik bude prisutan u ranoj larvi?" Pita ona. Samo će buduća istraga reći.

„Nadam se da će ovaj posao ljude na drugačiji način gledati na ono što oni misle o vestigijskim organima i da pokušavaju istražiti što te stvari zapravo rade, umjesto da ih odbace kao samo preostalu stvar“, kaže Abouheif. "Mislim da zapravo igraju puno veće uloge nego što smo prije mislili."