Organ "Useless" ini Menentukan Semut Yang Tumbuh Kepada Para Askar Besar

Tanah jajahan semut telah berkembang beberapa sifat kolektif yang mengejutkan selama 150 juta tahun atau sehingga mereka merangkak Bumi. Semut api menghubungkan bersama-sama untuk membuat rakit yang menakutkan berkesan, contohnya, dan sesetengah semut tentera seolah-olah secara naluri membina jambatan semut sempurna untuk mengumpul makanan.

Serangga ini juga seolah-olah mempunyai keupayaan untuk mengawal populasi mereka, mengekalkan nisbah set tentera kepada pekerja. Bagaimana sistem kasta semacam itu menjadi sesuatu yang misteri bagi ahli entomologi, tetapi kajian yang diterbitkan di Alam hari ini mendedahkan bahawa sama ada semut tumbuh menjadi askar atau pekerja mempunyai kaitan dengan organ yang sudah lama memikirkan cakera sayap tidak berguna.

"Sistem kasta ini merupakan salah satu fenomena evolusi fenotip yang tidak dapat dijelaskan, " kata Scott Powell, ahli biologi semut di The George Washington University di Washington DC. "Kajian ini benar-benar mengenal pasti pusat kawalan utama yang menghasilkan kasta-kasta ini."

Cakera sayap, sel-sel kecil sel, ditakdirkan untuk menjadi sayap pada seorang ratu, tetapi mereka tumbuh di larva dan kemudian mati semasa metamorfosis untuk menghasilkan tentera tanpa sayap. Kajian menunjukkan bahawa cakera sayap asas ini tidak begitu asas selepas semua, tetapi mempengaruhi perkembangan larva semut.

"Perkara yang benar-benar penting mengenai kerja ini ialah organ-organ badan dan struktur vestigial lama yang dipercayai tidak berfungsi, mungkin sebenarnya mempunyai peranan utama dalam pembangunan, " kata ahli biologi perkembangan evolusi Ehab Abouheif dari McGill University, penulis kanan kajian baru. (Penafian: Saya bercakap dengan Abouheif mengenai penyelidikannya sebelum diterbitkan dan dia telah memasukkan saya dalam pengakuan kertas itu.)

Membangunkan larva askar menghasilkan cakera sayap yang besar, sementara larva pekerja tidak. Sebelum ini dianggap hanya mati semasa metamorfosis, cakera sayap kelihatan mempunyai pengaruh terhadap pertumbuhan bahagian badan yang lain.

"[Cakera sayap] mendapat cukup besar - ia agak mengejutkan, " kata Diana Wheeler, ahli biologi semut di University of Arizona yang telah mempelajari penentuan kasta semen sejak tahun 1980-an. "Ia jelas bukan sesuatu yang evolusi hanya terlupa untuk menghilangkan. Nampaknya ia digunakan untuk sesuatu. "

Fungsi jelas cakera sayap semut serangga mempunyai implikasi yang signifikan untuk sejarah evolusi serangga. Semut awal menghasilkan jajahan dengan ratu bersayap dan kasta pekerja tanpa sayap, dan kemudiannya, dalam beberapa keturunan bebas, kasta pekerja semakin dibezakan ke dalam subkelepon. Di Pheidole, genus hyperdiverse yang merangkumi lebih daripada 1, 000 spesies semut, kasta pekerja terbahagi kepada pekerja kecil dan askar. Askar mempunyai kepala yang tidak seimbang yang mereka gunakan untuk pemprosesan dan pemprosesan benih, manakala pekerja kecil membentuk 90 hingga 95 peratus koloni dan melakukan tugas seperti membiak dan memburu brood.

Kajian Wheeler dari tahun 1980-an menunjukkan bahawa semut Pheidole dapat mengatur perkiraan pekerja kecil dan tentera di koloni. Salah satu cara kerja peraturan ini adalah melalui pheromone yang menghalang-hidrokarbon cuticular-dibuat oleh askar-askar yang menindas perkembangan askar dalam larva jika askar melebihi lima peratus populasi koloni.

Untuk menyiasat hubungan antara cakera sayap dan subcaste askar, Abouheif dan pasukannya mengetuk gen yang dipanggil vestigial, yang menyebabkan sel cakera sayap mati sangat awal dalam pembangunan. Mengetuk jentik dalam larva yang ditakdirkan askar dikurangkan saiz kepala dan saiz badan binatang, menghasilkan pekerja kecil, sambil mengetuk ketinggalan dalam pekerja kecil yang tidak berfungsi.

Pasukan kemudiannya menaikkan larva yang ditakdirkan tentera dengan populasi dewasa 100 peratus pekerja kecil atau 100 persen askar. Dengan 100 peratus pekerja kecil di koloni, larva menghasilkan askar. Tetapi dengan 100 peratus askar, yang melepaskan pheromone hidrokarbon cuticular, saiz cakera sayap kasar larva telah dikurangkan dengan ketara dan menghasilkan semut dewasa dengan kepala dan badan yang lebih kecil.

Sudah tentu, hakikat bahawa organ-organ yang mempengaruhi perkembangan organ-organ lain dalam badan bukanlah yang baru. Eksperimen sebelum ini dalam serangga telah menunjukkan bahawa sayap membangun bersaing untuk nutrien dan faktor pertumbuhan, misalnya. Kerosakan kepada sayap yang berkembang boleh menghasilkan isyarat yang melambatkan pembangunan merentasi seluruh badan, yang membolehkan masa cakera memulihkan supaya pertumbuhan dapat diteruskan dengan cara yang terkoordinasi dengan baik.

Apa yang menarik di sini, menurut pengarang pertama Rajendhran Rajakumar, adalah bahawa bukannya dalam persaingan, sayap kasar sebenarnya menggalakkan pertumbuhan kepala dalam subcaste askar. "Ia lebih mengejutkan berdasarkan fakta bahawa tisu ini tidak benar-benar terbentuk di kalangan orang dewasa. Ia sangat mudah, jadi kami tidak menjangka untuk mencari jenis hasil yang kami lakukan ketika kami menertawakannya, "kata Rajakumar, yang bekerja di makmal Abouheif di McGill dan kini seorang penyelidik di Harvard.

Semut ini berbeza dengan serangga sosial lain seperti lebah dan tawon, yang belum pernah berkembang polimorfisme pekerja. Ratu dan pekerja lebah semua mempunyai sayap, dan "jika anda membuat sayap yang mesti terbang, anda tidak boleh bermain-main dengan pertumbuhannya yang sangat banyak, sehingga pertumbuhan cakram tersebut sangat terbatas, " jelas Abouheif. Ini mungkin menjelaskan mengapa lebah pekerja, tidak seperti semut, tidak pernah dibezakan lagi dalam subkelepon.

Tidak banyak contoh yang diketahui dari organ-organ asas atau vestigial yang memacu inovasi evolusi. Selain daripada cakera sayap, kemungkinan lain yang menarik ialah ovarium seorang pekerja larva larva, yang sama besarnya dengan seorang ratu semasa peringkat awal pembangunan. Tidak jelas mengapa pekerja madu larva memerlukan ovari, kerana mereka tidak akan menghasilkan semula, kata Mary Jane West-Eberhard, ahli biologi perkembangan evolusi di Smithsonian Tropical Research Institute.

"Jadi persoalannya: apakah penting untuk perkembangan pekerja normal untuk mempunyai ovari yang ada di larva awal?" Dia bertanya. Hanya penyiasatan masa depan sahaja yang akan diberitahu.

"Saya berharap kerja ini akan memimpin orang untuk melihat apa yang mereka fikirkan organ vestigial dalam cara yang berbeza, dan mereka cuba untuk meneliti apa yang sebenarnya dilakukan, bukan hanya menolaknya sebagai perkara yang tersisa, " kata Abouheif. "Saya rasa sebenarnya mereka memainkan peranan yang lebih besar daripada yang kita fikir sebelum ini."