Eine Ameisenstudie liefert Informationen über die Evolution von sozialen Insekten

Anonim

Eines der großen Rätsel der Evolutionsbiologie ist das, was bestimmte Lebewesen veranlaßte, die einsame Existenz zugunsten gemeinschaftlicher Gesellschaften aufzugeben, wie dies bei Ameisen und anderen sozialen, koloniebildenden Insekten der Fall ist. Ein Hauptmerkmal der sogenannten eusozialen Arten ist die Arbeitsteilung zwischen Königinnen, die Eier legen, und Arbeitern, die sich um die Brut kümmern und andere Aufgaben erfüllen. Aber was bestimmt, dass eine Königin Eier legen sollte und dass Arbeiter sich nicht fortpflanzen sollten? Und wie ist diese Unterscheidung im Laufe der Evolution entstanden? Der Evolutionsbiologe Dr. Romain Libbrecht hat diese Probleme in den letzten Jahren untersucht und in Zusammenarbeit mit Forschern der Rockefeller University in New York City eine völlig unerwartete Antwort gefunden: ein einziges Gen, das insulinähnliche Peptid 2 (ILP2) genannt wird aktiviert durch bessere Ernährung, stimuliert die Eierstöcke und löst die Fortpflanzung aus.

"Es erscheint fast unvorstellbar, dass nur ein einziges Gen den Unterschied ausmachen sollte", betonte Libbrecht. Die Forscher zogen ihre Schlussfolgerung aus einem Vergleich von 5.581 Genen in sieben Ameisenarten in vier verschiedenen Unterfamilien, die sich hinsichtlich zahlreicher Merkmale voneinander unterscheiden. Aber in einer Sache sind sie alle gleich: Es gibt immer eine größere Expression von ILP2 im Gehirn von reproduktiven Insekten. Königinnen haben somit höhere Ebenen als Arbeiter. Ein weiterer Befund zeigt, dass dieses Peptid nur im Gehirn vorkommt, wo es in einem kleinen Cluster von nur 12 bis 15 Zellen produziert wird.

Abteilung für Fortpflanzung und Brutpflege als Grundlage der sozialen Koloniebildung

Es wird postuliert, dass die Ursprünge des sozialen Verhaltens bei Insekten in Wespenartigen Vorfahren zu finden sind, die sich zwischen Reproduktions- und Brutpflegephasen abwechseln. Eine weibliche Wespe legte ein Ei und kümmerte sich um die Larve, bis sie verpuppte. Diese beiden Phasen wurden jedoch getrennt und ihre damit verbundenen Aufgaben während der Entwicklung der Eusozialität verschiedenen Individuen, nämlich Königinnen und Arbeiter, zugewiesen.

Libbrecht und seine Kollegen in New York City untersuchten die Ameisenart Ooceraea biroi, um die molekularen Mechanismen zu bestimmen, die dieser Arbeitsteilung zugrunde liegen. O. biroi ist eine kleine Art von 2 bis 3 Millimetern Länge, die aus Asien stammt, sich aber in den Tropen ausgebreitet hat. Die Insekten leben in unterirdischen Passagen, greifen die Nester anderer Ameisenarten an und ernähren sich von ihrer Brut. Das Besondere an der O. biroi- Art ist, dass es keine Königinnen gibt, sondern nur weibliche. Jede weibliche Arbeiterin kann sich jedoch durch Parthenogenese reproduzieren. Dies bedeutet, dass ein Weibchen ein anderes, identisches Weibchen produziert - die Insekten klonen sich selbst. Und sie folgen immer einem bestimmten Zyklus: Alle weiblichen Arbeiter legen Eier während einer 18-tägigen Periode, nach denen sie 16 Tage lang Nahrung sammeln und die Larven füttern. Der Zyklus beginnt dann erneut.

Dieses zyklische Verhalten ist vergleichbar mit dem der einsamen wespenartigen Vorfahren und wird durch die Anwesenheit von Larven kontrolliert. Wenn die ersten Larven am Ende der reproduktiven Phase schlüpfen, unterdrückt ihre Anwesenheit die ovarielle Aktivität und löst das Brutpflegeverhalten aus. Wenn die Larven am Ende der Brutpflegephase mit der Verpuppung beginnen, wird die Aktivität der Eierstöcke erhöht und die Nahrungssuche zurückgedrängt. "Wir haben diesen Zyklus durchbrochen", erklärte Libbrecht. Die Forscher synthetisierten das Peptid ILP2 und injizierten es in die Ameisen. Dies veranlasste die Ameisen, Eier in Anwesenheit von Larven zu legen.

Libbrecht untersuchte mit einem Brutsubstitutionsansatz, was passiert, wenn Larven während der Reproduktionsphase in die Kolonie eingeführt werden und umgekehrt, wenn sie während der Brutpflegephase entfernt werden. "Was wir sehen, ist, dass sich die Genexpression im Gehirn in beiden Phasen ändert und die Ameisen ihr Verhalten und ihre Physiologie entsprechend ändern. Diese Reaktion geschieht jedoch schneller, wenn wir Eiablageameisen mit Larven konfrontieren." Die Insekten hören dann auf, Eier zu legen und beginnen, sich um die Brut zu kümmern. "Das macht Sinn. Es ist schließlich überlebenswichtig, die Larven schnell zu füttern", fügte er hinzu. Dieses Experiment zeigte auch, dass sich die Expression von ILP2 im Gehirn schnell und signifikant als Reaktion auf die Veränderung der sozialen Bedingungen veränderte.

Von Asymmetrie in der Ernährung bis Asymmetrie in der Reproduktion

Die Forscher untersuchten auch die Relevanz der Ernährung, von der bekannt ist, dass sie für die Unterscheidung zwischen Königinnen und Arbeitern wichtig ist. Eine große Menge oder eine gute Qualität des Nahrungsproteins begünstigt die Entwicklung von weiblichen Larven zu Königinnen. In Kolonien der Art O. biroi ist ein kleiner Teil der Ameisen sogenannte Interkaste. Diese Insekten sind etwas größer, haben Augen und sind reproduktiver. Aus diesem Grund können sie in gewissem Umfang mit normalen Königinnen verglichen werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Larve zu einer Interkaste wird, steigt, wenn sie besser ernährt wird. Die Fluoreszenz-Bildgebung zeigt, dass diese Intercasten mehr ILP2 in ihrem Gehirn haben als normale Arbeiter.

"Bei den Vorfahren der eusozialen Insekten ist vielleicht etwas Vergleichbares passiert", schlug Dr. Romain Libbrecht vor. "Möglicherweise führte eine geringfügige Asymmetrie in Bezug auf die Ernährung von Larven zu einer Asymmetrie im Reproduktionsverhalten von Erwachsenen, die sich aus diesen Larven entwickelten." Die Annahme, dass die Teilung in Königinnen und Arbeiterinnen mit einem einzigen Unterschied begonnen hätte, wird durch Experimente mit insgesamt sieben verschiedenen Ameisenarten gestützt.

Es soll weiter erforscht werden, ob die Ergebnisse auch für andere soziale Insekten gelten und wie Ameisenkolonien als Superorganismen die Gesamtversorgung kontrollieren.

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