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谁变身蚁后谁就长寿:解密蚂蚁世界权力的游戏

编者按

在蚂蚁世界里,当蚁后离世或意外身亡后,工蚁可以变身繁殖蚁和蚁后,寿命和繁殖能力居然同步得到了显著增长。科学家们对这一看似不合常理的现象进行了研究。这一新发现也许能够给人类如何健康地延年益寿找到新思路。

撰文 | 王立铭

 

你好,我是王立铭。2022年9月6日,第43期《巡山报告》又和你见面了。这期巡山报告的主角是蚂蚁,说的更精确一点,是蚂蚁王国里的蚁后。

今天的地球上生活着1万多种蚂蚁,分类学属于昆虫纲膜翅目蚁科。它们占领了除了南北极之外的广袤空间,祖先可以上溯到1亿年前的白垩纪。看起来毫不起眼的蚂蚁是地球生态系统中最成功的物种之一。一个证据是,单只蚂蚁的体重大约只有几毫克到几十毫克,但全部蚂蚁的重量加起来,可能占到陆地动物总重量的15-25%!

蚂蚁之所以如此成功,最关键的原因大概是它们独特的社会结构。几乎全部蚂蚁都属于所谓 “真社会性” 动物。这类生物往往多个世代同居一个巢穴,共同承担起抚养后代、清洁巢穴、寻觅食物、抵抗外敌的任务。但它们最核心的特征还不在于此——人类也满足几代同堂和分工合作的标准,但我们却并非真社会性动物——而是雌性物种承担了在繁殖后代方面的角色分工。

对几乎所有生物而言,繁殖后代都是最基本的生存使命,也是生物进化得以四十亿年持续进行的基础。但在蚂蚁这样的真社会性生物群体内部,连繁殖后代都进行了严格的分工。蚂蚁窝中一般只有三个角色:寿命很长、负责繁殖的蚁后;寿命短暂、负责工作的工蚁;以及同样寿命短暂,负责和蚁后交配的雄蚁。同属雌性个体,蚁后(queen)拥有丰沛和持久的繁殖能力,蚂蚁窝里绝大多数个体都是她的后代;但工蚁(worker)却彻底失去了繁殖能力,一生只能服务于蚂蚁窝的公共事业,照顾蚁后、寻找食物、修筑巢穴等等 [1]。除了蚂蚁之外,也有不少蜜蜂和蚂蚁物种属于真社会性动物,在下文讨论的时候,我会不加分辨地引用不同真社会性生物的研究结果。
图1 一群切叶蚁工蚁与蚁后 | 图源:wikipedia

 

这个现象曾经让进化论的奠基人达尔文都非常困惑。在《物种起源》当中,达尔文曾经如此写到:这一难点(昆虫世界中不育的雌性个体),乍看起来是难以克服的,并且实际上对我的理论是致命的。原因也不难理解,繁殖、竞争和选择是进化论的基础,很难在直接上理解一种不会繁殖后代的生物是如何被进化选择并保留下来的。对这个问题,达尔文最终给出了一个 “集体主义” 的解释:他认为如果这些不育的雌性的存在对这个群体有利的话,这个特征同样能被保留下来。但其实细究起来,达尔文这个解释实际上和他自己反复讨论的生物个体才是基本的进化单元是矛盾的。

100多年过去后,除了少数持不同意见者(比如刚刚过世不久的爱德华.威尔逊Edward O Wilson),主流生物学界早已抛弃了用这种集体主义的方式解释真社会性动物的出现 [2,3]。如果我们把生物繁殖后代的过程看成是对自身遗传物质的复制和扩散,问题就迎刃而解了。对于大多数有性生殖的生物个体来说,生一个孩子就能传递自己50% 的遗传物质,孩子另外50%的遗传物质来自配偶——咱们人类就是如此。而在蚂蚁窝里,出现了一个奇异的生物学设计,导致同一只蚁后所生的工蚁之间,基因的相似程度可高达75%。这样一来,对于工蚁来说,照顾蚁后,帮助它繁殖更多的工蚁——也就是自己的妹妹,传递遗传物质的效率要超过自己生孩子。于是,合乎逻辑的选择当然是放弃自己繁殖,专心照顾蚁后了。

说得更具体一点,为什么工蚁之间的基因相似程度可以达到75%?这和蚂蚁特殊的性别决定方式相关。我们知道人类的性别由Y染色体决定,而蚂蚁世界的性别由染色体数量决定。体内有两套染色体的就是雌性(比如蚁后和工蚁),只有一套就是雄性(雄蚁)。蚁后和雄蚁交配后会生下携带两套染色体的工蚁,它们会继承来自蚁后母亲的50% 遗传物质,但因为它们的父亲只有一份DNA,繁殖中只能全部传递给后代,因此工蚁彼此间共享了75% 的遗传物质。

这种特殊的 “制度设计” 保障了在蚂蚁世界里,放弃繁殖权反而是对工蚁利益最大化的选择。当然,在微观层面,蚂蚁世界也有一整套机制来防止工蚁错误的发育出繁殖能力来,干扰蚂蚁窝的社会结构。特别是蚁后能够分泌一类特殊的化学气味,抑制其他雌性蚂蚁生殖系统的发育 [4]。这样一来,只要蚁后还在,其他雌性就没有机会发展出繁殖后代的能力,无法威胁蚁后的地位,保障了蚂蚁窝有且只有一个蚁后。

这套负反馈控制系统看起来很严谨精确,但却有一个重大的系统性缺陷:如果蚁后突然死了怎么办?要知道蚁后是整个蚂蚁窝的基石,是蚂蚁窝唯一的繁殖力源泉。如果她寿终正寝或者意外身故,岂不是意味着蚂蚁窝就要从此灭亡?

进化当然不会如此愚蠢。当蚁后死亡,抑制性的化学信号解除,在这个时候孕育出来的雌性后代,体内的生殖器官就可能部分地得到发育,形成体型和繁殖能力介于蚁后和工蚁之间的中间状态,被称为 “繁殖蚁”(gamergate)。这些蚂蚁可以满足蚂蚁窝的繁殖需要,甚至从中能竞争产生新一代的蚁后。

这种从工蚁向繁殖蚁乃至蚁后的身份切换,提示了一个特别诱人的可能性。同属雌性个体,甚至是亲缘关系非常接近的姐妹,蚁后和工蚁的生存状态可以说是天渊之别。前者养尊处优,体型庞大,寿命往往长达数年,还能孕育上百万的后代;而后者身材瘦小,彻底失去了繁殖能力,寿命只有几个月。如果在特定的环境条件下(例如蚁后死亡),后者可以原地转化为前者,就意味着蚂蚁体内有那么一个开关,轻拨开关就可以快速实现延年益寿、多子多福,这对人类世界当然也是非常诱人的状态。

更重要的是,在大多数场合,动物的繁殖能力和寿命是成反比的。繁殖能力的提升往往会降低寿命,反过来,摘除生殖器官往往会延长寿命 [5,6]。这一点在人类世界中也有证明:被阉割的男性平均寿命大大延长了 [7]。这对于想要福寿双全的人类当然不是什么好消息。而蚂蚁世界里,工蚁变身繁殖蚁和蚁后,寿命和繁殖能力居然同步得到了显著增长。这个信息可以用来帮助我们健康的延长寿命么?

2022年9月1日,发表在《科学》杂志的一篇论文,试图为我们解答这个问题 [8]。研究的结论是,这种延长寿命同时还提升繁殖力的变化,和胰岛素信号有关。

图2 Science 论文截图 | 图源:science.org


这项研究来自美国纽约大学的 Danny Reinberg 实验室。这个实验室曾经在表观遗传学领域做出过重要的发现,但在过去10年间转向探究蚂蚁的生物学。在2021年,他们在跳镰猛蚁(Harpegnathos saltator)中就发现,在蚁后死亡、工蚁竞争成为繁殖蚁的过程中,工蚁的大脑会显著缩小,而卵巢则会显著变大 [9]。

在这项新的研究中,他们继续利用跳镰猛蚁来研究雌性蚂蚁的身体状态是如何发生这些转换的。研究者们首先再次证明,在状态切换后,蚂蚁的寿命从200多天延长到了1100多天,足足增加了五倍;卵巢的尺寸也大大增加了。如果竞争失败,繁殖蚁重新变成工蚁,寿命和卵巢尺寸又能重新变回去。
随后,他们收集了工蚁和繁殖蚁不同身体组织的样本进行了RNA表达谱测序,包括大脑、脂肪体(类似哺乳动物的脂肪组织和肝脏)、卵巢等。他们发现胰岛素信号通路发生了明显的变化。繁殖蚁的大脑中,胰岛素的合成速度明显加快了。

这个发现本身并不令人吃惊,胰岛素是控制动物身体代谢的重要节点性信号,胰岛素信号的上升代表着新城代谢活动的加速。研究者们也进一步确认,在繁殖蚁体内,脂肪合成速度和转运速度加快,新制造出来的脂肪被源源不断的运往卵巢用于卵的生产。这个发现解释了繁殖蚁繁殖能力的提升。

但新的问题又来了:胰岛素信号和代谢活动的提高,对寿命而言往往不是什么好事。很多研究早已说明胰岛素过多会降低寿命 [10]、关闭胰岛素信号反而会延年益寿 [11]。那为什么在繁殖蚁体内,这个规律失效了呢?

研究者们分析了胰岛素信号更细微的变化,特别是信号通路的两个主要分支,MAPK/ERK和AKT/FOXO。胰岛素作为一种血液里流淌的细胞外化学信号,需要通过结合细胞表面的胰岛素受体将指令传输到细胞内部。在细胞内部,MAPK/ERK和AKT/FOXO这两个信号分支都会被胰岛素信号激活,执行不同的生物学指令,比如生产特定的蛋白质、促进某个特殊的代谢活动等等。结果,研究者们发现在繁殖蚁体内,前者确实整体上升了,但后者则存在一些差异:在卵巢中符合预期的升高了,但在脂肪组织里反而下降了。更有意思的是,在蚂蚁的血液中,胰岛素信号通路上一个叫ImpL2的刹车蛋白大大提高了。这个ImpL2蛋白可以直接和胰岛素结合并且阻止其激活下游的AKT分支。

这样一来,研究者们就推导出了一个很有趣的结论:在繁殖蚁体内,胰岛素信号上升,通过其下游的MAPK分支,加速了蚂蚁整体的新陈代谢活动,让卵巢快速开工制造源源不断的卵,繁殖能力得到了提升。本来,胰岛素信号的增强是会通过AKT分支降低寿命的。但偏偏在繁殖蚁体内,胰岛素信号的刹车蛋白ImpL2也同步被增强了,血液里的ImpL2识别并结合胰岛素,在脂肪组织里抵消了胰岛素上升产生的负面影响,不光没有缩短寿命,反而还增加了寿命。

为了更好地说明这个复杂的机制,我们不妨想象这么一个场景。很多人都希望搜罗各地美食然后敞开肚皮大快朵颐,但又害怕吃太多了发胖怎么办。一个可能的(但显然不现实)的思路是,没事,你就放开了吃,但要在胃部装一个管子,把食物残渣导出体外,避免营养被吸收。这个操作就把吃好吃的东西、和吸收更多的营养,这两个过程给分割开了:前者可以继续做,但后者被专门遏制住。在繁殖蚁当中,胰岛素信号被充分动员起来增强繁殖能力,但它对寿命的副作用,被ImpL2这个刹车蛋白给专门遏制住了。

这个发现看起来很好地解释了为什么在蚂蚁世界里,蚁后可以同时保有旺盛的繁殖力和超长的寿命,也似乎给人类如何健康地延年益寿提供了一个新思路。

好了,这就是本月的巡山报告。下个月6号,我继续为你巡山。 

 

参考文献:

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3279739/

2. https://www.nature.com/articles/nature09205

3. https://www.nature.com/articles/nature09831

4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2992706/

5. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11799246/

6.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10617470/

7. https://ami.group.uq.edu.au/castrated-men-live-longer

8. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8767

9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33849311/

10. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2015.00013/full

11. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1078223

 



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