“文明基因”持续1亿年，解码小蚂蚁的“智慧”

在路边的花坛上“拉”几次，我们十有八九能遇到几只蚂蚁。事实上，作为最常见的昆虫，蚂蚁家族现有生物种超过1.5万种，广泛分布在除极地以外的所有陆地生态系统中。如果世界上所有的蚂蚁都集中在一起，它们的总重量将超过地球上所有野生鸟类和哺乳动物的总和。

蚂蚁看似微妙，却是真正的“生存大师”，具有非凡的社会合作能力和组织智慧。与人类不到10万年的文明相比，蚂蚁早在至少1亿年前的白垩纪就形成了复杂的社会组织。

为什么蚂蚁在演变中如此成功?蚂蚁的社会组织是如何演变形成的?

6月16日，由中国科学家领导的研究小组在《细胞》上发表了一篇文章，正式揭示了蚂蚁社会系统的演变机制，系统地分析了促进蚂蚁社会行为、社会分工和社会组织结构演变的关键基因。

浙江大学生命演化研究中心教授张国杰告诉《中国科学报》，“答案正在变得更加清晰。”。

从“一夫一妻”到复杂化

“高度社会化是蚂蚁成功的重要依赖。”据张国杰介绍，蚂蚁物种已经演变成一种从简单到高度复杂的社会组织形式，其社会行为方式相当多样化，使其占据了不同的生态位置。

在最基本的蚂蚁社会中，有两个基本阶层：繁殖水平和劳动水平。繁殖水平分为雌性和男性。交配后，雄蚁死亡，雌蚁在地下筑巢，成为卵子繁殖的蚁后。属于劳动水平的工蚁是由蚁后出生的。虽然它们都是雌性，但它们失去或抑制繁殖能力，在功能上倾向于“中性”，专门从事寻食、育儿等劳动任务。

这种基本的社会结构也在不同的蚂蚁物种中衍生出不断变化的形式。有些物种保持单蚁后巢穴，而另一些物种允许多蚁后共存;更重要的是，在一些特殊物种中，蚁后等级完全消失，然后工蚁通过无性繁殖继续繁殖。

与今天的复杂情况不同，蚂蚁的祖先遵循“一夫一妻”的繁殖方式。根据汉密尔顿的亲属选择理论，最原始的蚂蚁社会很可能是“单一制度”，雌蚁和雄蚁会形成稳定的配偶关系，共同繁殖后代。

“单一的系统确保了所有巢穴成员之间更好的亲密关系。”浙江大学生命进化研究中心的博士后丁解释说，如果一些个人不繁殖，而是照顾与自己有血缘关系的兄弟姐妹，基因仍然可以继承下来。

他指出：“这为稳定的生殖分工奠定了基础，进而导致蚂蚁从独居物种演变为社会人群物种。”

蚂蚁“王国”分工严格

在蚂蚁王国，严格的分工保证了整个人群的有效运作和生存。当研究人员把注意力转向这背后微妙的遗传机制时，他们发现这种生殖分工不是偶然形成的，而是长期自然选择和演变的结果。

“从基因组的角度来看，我们观察到蚂蚁基因组在进化过程中经常出现染色体重排放现象，但在过去的1.57亿年里，约970个基因组在80%以上的蚂蚁物种中保持着稳定的共线性，变化不大。”据中国科学院昆明动物研究所副研究员刘伟伟介绍，这些基因组具有协同表达方式，部分基因存在等级差异表达，提醒他们可能参与基本生活过程，如调节发育和代谢，并在社会行为和组织结构的演变中发挥重要作用。

随着蚁后和工蚁之间生殖分工的逐渐演变，工蚁人群进一步分化出各种更详细的亚等级，甚至一些具有相对庞大特征背景的物种。例如，在切叶蚁亚科的龟蚁属中，兵蚁的头就像一个“扁平的圆盘”。当外敌入侵时，它们可以像巨大的盾牌一样堵塞巢穴入口，而工蚁的头很小，主要负责寻食和巢穴维护。

刘伟伟说，蚂蚁社会复杂性持续升级的核心驱动力在于群体规模的扩大。“随着蚁巢规模的扩大，工蚁会逐渐分化出更多的亚级，产生更详细的劳动分工。”

那么，基因水平的细化是如何发生的呢?作者、浙江大学生命进化研究中心客座学者冉浩解释说，关键调整渠道的关键基因表达差异是等级和亚等级形成的基础，以及与幼儿激素调节和大脑发育相关的基因表达差异，为这一演变提供了分子证明。

“例如，我们发现胶质细胞缺乏基因(gcm)在许多物种中，小工蚁的表达量高于大脑。gcm基因作为一种与大脑胶质细胞发生相关的转录因子，可以促进神经胶质功能的分化，从而在不同的工蚁亚级别中得到特化。”南昌大学第一作者、青年教师熊子军博士补充说。

普通蚂蚁也有非凡的生存策略

在1.57亿年的演变中，不仅形成了生殖分工和亚等级，蚂蚁还产生了一系列的社会特征：有些种植真菌作为“作物”，有些像牧民一样种植芽虫获得“牛奶来源”，或组织“军队”掠夺其他蚂蚁，甚至玩“社会寄生”，巧妙地利用其他蚂蚁养育子孙后代。这些特征相互连锁或冲突，形成了模块化的动态组合系统，产生了不同组织复杂性的蚂蚁社会组织形式。

研究人员全面分析了这些特征的演变规律与不同特征之间的相互关系，并找出了其背后的基因调节基础。“我们发现，不同特征之间存在着协同演变关系，如蚂蚁放养芽虫获得营养回报的共生现象往往伴随着人们寻找食物、大巢和多蚁后的出现，这些特征的相互关联和协调进一步增加了人们社会组织的复杂性。”张国杰说。

他指出，当蚂蚁的社会特征发生协调演变时，基因所承受的选择压力也会发生变化，一些基因被“加强”以满足新功能，而另一些基因则被“放松”甚至下降。这种监管模块选择压力的动态变化促进了不同蚂蚁物种之间社会组织结构的多样化演变。

“蚂蚁社会的演变是大自然的奇迹。”张国杰叹了口气，自然选择在基因、特征、个人和人群中同时发挥作用。这种多层次的演变机制不仅有助于我们了解蚂蚁自身社会结构的演变，而且为研究其他社会动物的演变提供了重要的理论框架。

同时，蚂蚁社会特征的形成和演变也涉及到多个核心监管网络不断重塑和整合的结果。这种“旧基因、新功能”的策略“提示了生活演变的简单美”。