Dette "ubrukelige" orgelet bestemmer hvilke maur som vokser til store soldater

Myrkolonier har utviklet noen overraskende kollektive trekk i løpet av 150 millioner år eller så at de har krøpet jorden. Brannmyrer knytter seg sammen for å lage skremmende effektive flåter, for eksempel, og noen hærmyrer ser ut til å instinktivt bygge perfekt effektive maurbroer for innsamling av mat.

Disse insektene ser også ut til å ha muligheten til å kontrollere befolkningene sine, og opprettholde et fast forhold mellom soldater og arbeidere. Hvordan slike maurkastsystemer ble til, er noe av et mysterium for entomologer, men en studie publisert i Nature i dag avslører at om en maur vokser til en soldat eller en arbeider har å gjøre med et organ som lenge var tenkt ubrukelig - vingeplater.

"Disse kastesystemene er et av de viktigste uforklarlige fenomenene i fenotypisk evolusjon, " sier Scott Powell, en antbiolog ved The George Washington University i Washington DC. "Denne studien identifiserer virkelig det viktigste underliggende kontrollsenteret som produserer disse rollebesetningene."

Vingeskivene, små poser med celler, er bestemt til å bli vinger på en dronning, men de vokser i larvene og dør deretter under metamorfose for å produsere vingeløse soldater. Studien viser at disse rudimentære vingeskivene tross alt ikke er så rudimentære, men heller påvirker utviklingen av maurelarvene.

"Det virkelig viktige poenget med dette arbeidet er at rudimentære organer og vestigiale strukturer, som lenge antas å ikke ha noen funksjon, faktisk kan ha store signaleroller under utviklingen, " sier evolusjonsutviklingsbiologen Ehab Abouheif ved McGill University, seniorforfatteren av ny studie. (Ansvarsfraskrivelse: Jeg snakket med Abouheif om forskningen hans før publisering, og han har inkludert meg i avisens erkjennelser.)

Utviklende soldatlarver produserer store, rudimentære vingeskiver, mens larvene til arbeiderne ikke gjør det. Tidligere antatt å bare dø bort under metamorfose, har vingeskivene tilsynelatende en viss innflytelse på veksten av andre kroppsdeler.

"[Vingeskivene] blir ganske store - det er litt overraskende, " sier Diana Wheeler, en antbiolog ved University of Arizona som har studert bestemmelse av maurkast siden 1980-tallet. ”Det er tydeligvis ikke noe som evolusjonen bare glemte å bli kvitt. Det virker som om det blir brukt til noe. ”

Den tilsynelatende funksjonen til maurlarvenes vingeskiver har betydelige implikasjoner for insektets evolusjonshistorie. Tidlige maur produserte kolonier med en bevinget dronning og en vingeløs arbeiderskaste, og deretter, i flere uavhengige linjer, ble arbeiderkasten ytterligere fordelt i underkastere. I Pheidole, en slekt av hyperdiverser som inkluderer mer enn 1000 maurarter, er arbeiderkasten delt inn i mindreårige arbeidere og soldater. Soldater har uforholdsmessig store hoder som de bruker til forsvar og frøforedling, mens mindreårige arbeidere utgjør 90 til 95 prosent av kolonien og gjør oppgaver som oppdrett og fôring av avlsdyr.

Wheelers studier fra 1980-tallet demonstrerte at Pheidole- maur kan regulere andelen mindreårige arbeidere og soldater i kolonien. En måte denne reguleringen fungerer på er gjennom en hemmende feromon - et kutikulært hydrokarbon - laget av soldatene som undertrykker soldatutviklingen i larver hvis soldater overstiger omtrent fem prosent av koloniens befolkning.

For å undersøke forholdet mellom vingeskivene og soldatens underkast, slo Abouheif og teamet hans ned et gen som heter vestigial, noe som får vingeskivecellene til å dø veldig tidlig i utviklingen. Å slå ned vestigial hos soldatbestemte larver reduserte hodestørrelsen og kroppsstørrelsen til dyrene, og produserte mindreårige arbeidere, mens det å slå vestigialet ned hos mindreårige arbeidere ga ingen effekt.

Teamet oppdro deretter soldaldestinerte larver med voksne bestander av 100 prosent mindrearbeidere eller med 100 prosent soldater. Med 100 prosent mindrearbeidere i kolonien produserte larvene soldater. Men med 100 prosent soldater, som ga fra seg kutikulær hydrokarbonferomon, ble larvenes rudimentære vingeskivestørrelse betydelig redusert og produserte voksne maur med mindre hoder og kropper.

At organer påvirker utviklingen av andre organer i kroppen, er selvfølgelig ikke nytt. Tidligere eksperimenter med insekter har vist at for eksempel utvikle vinger konkurrerer om næringsstoffer og vekstfaktorer. Skader på en vinge i utvikling kan gi signaler som forsinker utviklingen over hele kroppen, slik at platen får tid til å komme seg slik at veksten kan fortsette på en riktig koordinert måte.

Det som slår an her, ifølge førsteforfatteren Rajendhran Rajakumar, er at i stedet for å være i konkurranse, fremmer den rudimentære vingen faktisk veksten av hodet i soldatundergangen. “Det er enda mer overraskende basert på at dette vevet ikke faktisk dannes hos de voksne. Det er rudimentært, så vi forventet egentlig ikke å finne den typen resultater vi gjorde da vi forstyrret det, sier Rajakumar, som jobbet i Abouheifs laboratorium på McGill og nå er forsker ved Harvard.

Maurene kontrasterer med andre sosiale insekter som bier og veps, som ikke har utviklet arbeiderpolymorfismer. Dronning og arbeiderbier har alle vinger, og "hvis du lager en vinge som må fly, kan du ikke virkelig leke med dens vekst veldig, så veksten av disse platene er veldig begrenset, " forklarer Abouheif. Det kan forklare hvorfor arbeiderbier, i motsetning til maur, aldri evolusjonært differensierte seg videre til underkaster.

Det er ikke mange kjente eksempler på rudimentære eller vestigiale organer som driver evolusjonær innovasjon. Bortsett fra vingeskivene, er en annen spennende mulighet eggstokken til en larvehonebiearbeider, som er like stor som en dronning i tidlige stadier av utviklingen. Det er ikke klart hvorfor larvehonebiearbeidere trenger eggstokker, siden de aldri vil reprodusere, sier Mary Jane West-Eberhard, en evolusjonsutviklingsbiolog ved Smithsonian Tropical Research Institute.

"Så spørsmålet vil være: er det viktig for normal arbeiderutvikling å ha eggstokken til stede i den tidlige larven?" Spør hun. Bare fremtidig etterforskning vil fortelle.

"Jeg håper dette arbeidet vil føre til at folk ser på hva de synes om vestigialorganer på en annen måte, og at de prøver å undersøke hva disse tingene faktisk gjør, i stedet for bare å avvise dem som bare en rest ting, " sier Abouheif. "Jeg tror faktisk at de spiller mye større roller enn vi hadde trodd tidligere."