蚂蚁的特性是什么(蚂蚁有什么本领和特点)

图为老蚂蚁的等级分化。中国科学院昆明动物研究所供图

图为老蚂蚁的等级分化。中国科学院昆明动物研究所供图

中新网昆明6月22日电(记者胡远航)记者22日从中国科学院昆明动物研究所获悉，该所生物多样性基因组学研究组与华大生命科学研究所合作，通过构建不同等级法老蚁脑细胞转录组图谱，揭示了不同等级蚂蚁大脑的专业化方向和程度不同，功能互补 并且它们执行不同的社会行为和功能，使得整个蚁群可以同时拥有全方位的繁殖、养育、觅食和防御。

蚂蚁“超个体”

蚂蚁起源于1.4亿年前的白垩纪，现存物种约有2万种。它们广泛分布在除极地冰盖以外的所有陆地生态系统中，是生物进化过程中最成功的动物类群之一。

是社交蚂蚁成功的基石。在蚂蚁的社会里，有明确的分工，也就是等级分化，比如工蚁和繁殖蚁。工蚁和蚁后虽然具有相同的二倍体基因组，但却表现出明显的形态、生理和行为分化。大多数蚁种的工蚁没有繁殖能力，它们只负责巢穴的事务，繁殖任务由繁殖蚁承担。无与伦比的繁殖蚂蚁有翅膀。交配后，雄蚁死亡，雌蚁失去翅膀，成为真正的蚁后。

著名昆虫学家惠勒于1910年首次提出了社会性昆虫“超个体”的概念。他指出，整窝蚂蚁是一个超个体，每只蚂蚁都是这个超个体的一个细胞，工蚁是它的体细胞，繁殖蚁是它的生殖细胞。“超个人”的观点已被学术界普遍接受。

图为覆盖法老蚁全年级的大脑单细胞图谱。中国科学院昆明动物研究所供图

支持社会性的大脑

为了揭示蚂蚁等级分化的内在机制，研究团队以法老蚂蚁为模式生物，采用单细胞转录组测序技术开展研究。共获得涵盖工蚁、处女育蚁、蚁后和雄蚁四个全等级大脑的206367个高质量单核转录组数据。这是世界上第一个全面涵盖蚂蚁社会中所有角色的单细胞地图。

老法蚁是一种适应性强，对生长环境要求低，在世界上分布广泛的蚂蚁。它的个体小，繁殖快，发育周期短，种群庞大。老蚂蚁有多个后产，蚁群中可以同时有多个蚁后，可以在蚁巢中自我繁殖，可以诱导新的繁殖蚂蚁，因此很容易在实验室中大量繁殖多代。法老蚁的这些生物学特征使其成为社会昆虫研究的优秀模式物种。

通过比较法老蚂蚁的四个成年大脑的细胞组成，研究小组发现工蚁和雄蚁的大脑极其专业化。其中，负责学习和记忆的高级大脑中枢——蘑菇体细胞和负责处理气味信息的细胞在工蚁中极其丰富，而负责处理视觉信息的视觉叶细胞在工蚁中的丰度非常低。相反，雄蚁大脑的细胞组成趋势是视叶细胞丰度很高，而蘑菇体细胞和嗅觉信息处理细胞丰度明显降低。处女蚁和蚁后的大脑处于中间形态，大部分细胞群的丰度处于中间。这意味着工蚁是更倾向于嗅觉感知的动物，它们也发展了蘑菇体，这意味着它们具有更好的学习记忆能力和高级认知功能，能够处理复杂的信息，具有更灵活的行为策略。而雄蚁的视觉系统极其发达，但嗅叶和蘑菇体相对不发达，这可能与它在蚁巢中只承担交配职责，根本不参与其他工作的行为有关。处女蚁和蚁后的大脑是中级的，这意味着它们有相对全面的行为模式，在必要的时候可以承担各种责任。它们的大脑可能更接近蚂蚁社会起源之前的祖先状态。

大脑变化产生蚁后。

与工蚁相比，蚁后比大多数同等大小的昆虫寿命长得多。发现处女繁殖蚁在交配后成为蚁后的过程中，大脑可塑性发生了明显的变化，许多细胞群的丰度发生了明显的变化。其中，视叶细胞丰度下降，而多巴胺细胞及其下游的神经肽细胞丰度增加，具有神经保护功能的胶质细胞丰度也显著增加。这些脑细胞群的变化和神经回路的重塑，决定了蚁后生殖功能的极度提升和寿命的显著延长，使蚁后成为巢内长期高效的生殖机器，不断为蚁群注入新的力量。

这项研究表明，不同等级蚂蚁的社会分工和行为差异与它们大脑的不同专业化程度有关。不同等级个体的大脑在不同的方向和程度上进行专业化分工，它们功能互补，执行不同的社会行为和功能，从而使整个蚁群同时具备繁殖、养育、觅食和防御等全方位的功能。因此，蚁群成为了真正的“超个体”，自然选择上升到了更高的组织层面，使得蚂蚁在1.4亿年的生存竞争中获得优势，进化成为地球上极具优势的动物群体。

图为法老蚁不同等级的脑重塑和脑细胞群相对丰度。中国科学院昆明动物研究所供图

还有更多发现。

此外，通过比较蚂蚁和果蝇的脑细胞组成差异，研究人员发现，与果蝇相比，法老蚂蚁中负责高级认知功能的蘑菇体细胞丰度显著增加，其功能显著多样化和分化。与果蝇相比，蘑菇的体细胞在跳蚁和蜜蜂中也有了显著的扩展和分化。这表明昆虫社会性的出现是驱动大脑高级认知中枢扩张和多样性分化的重要力量。当然，这个观察结果还需要基于严格的系统发育关系的多物种比较来证明。

与蘑菇体细胞不同，负责处理视觉信息的视觉叶细胞表现出高度保守的特征。特别是它是果蝇体内负责感知物体运动的一类细胞，使得雄性果蝇在求偶仪式中能够高效地跟踪雌性果蝇的视觉叶细胞。这类细胞在蚂蚁中也存在，它们在蚂蚁大脑中的分布位置和表达的特定分子与果蝇高度相似。这说明，虽然蚂蚁和果蝇在进化史上已经分离了上亿年，但它们的大脑中仍然有很多种细胞保持着相同的分子特征，执行着相似的功能。

该研究成果近日发表在《自然·生态与进化》杂志上，标题为“追踪一个蚂蚁超级组织分工的神经基础的单细胞转录本史诗图集”。(完)