具有高度社會分工的螞蟻，在社會角色固化的過程中，它們的大腦發生了怎樣的變化？近日，我國科學家通過構建法老蟻不同品級大腦單細胞轉錄組圖譜，揭示了社會性昆蟲在品級分化過程中出現腦結構和功能特化的現象、蟻後成熟過程中大腦的可塑性變化，挖掘了調節其生殖力和壽命的關鍵細胞類群。

6月16日23點，該研究在權威學術期刊《自然·生态與演化》上發表。

一窩螞蟻形成一個“超個體”

螞蟻起源于1億4千萬年以前的白垩紀時代，是陸地上最興盛的社會性昆蟲類群，現存約2萬多個物種。它們廣布于除極地冰原以外的所有陸地生态系統，是生物演化曆程中最成功的動物類群之一。螞蟻在演化上的成功與其具有高度社會化的特性緊密相關。在一個蟻群中，逐漸分化出形态、生理與行為均不同的品級。

一個成熟的典型螞蟻群體内至少存在4種不同的品級，分别是工蟻（worker）、雄蟻（male）、處女繁殖蟻（gyne）以及蟻後（queen）。

法老蟻的社會品級分化（劉薇薇等制）

“雖然工蟻和蟻後有相同的遺傳背景，但卻表現出明顯的形态、生理和行為的分化。”論文的第一作者華大生命科學研究院的李啟業研究員介紹說，“很多螞蟻物種工蟻的卵巢完全退化，終身從事育幼、覓食等蟻巢維持工作，沒有繁殖能力。雄蟻一生隻從事交配工作，交配後很快就會死掉。處女繁殖蟻成功交配後成為蟻後，蟻後長期待在巢内，專職産卵，而且其壽命會顯著延長；而錯過交配窗口期的處女繁殖蟻，其行為會逐漸偏向工蟻，從事部分育幼及覓食工作，而且其卵巢會逐漸萎縮”。

現在有一個被學界普遍接受的觀點，即認為整窩螞蟻是一個“超個體”，每個螞蟻都是這個超個體的一個“細胞”，工蟻是它的“體細胞”，而繁殖蟻則是它的“生殖細胞”。

不同品級螞蟻腦結構差異顯著

為了進一步揭示螞蟻品級分化的内在機制，研究團隊以法老蟻為模式生物，通過單細胞轉錄組測序技術展開了研究。

法老蟻是一種适應性極強、對生長環境要求低、世界上廣泛分布的螞蟻。其個體小，繁殖快，發育周期短，群體數量龐大。法老蟻蟻群内可同時存在多個蟻後，可以在巢内自交，可誘導産生新的生殖蟻，易于在實驗室多代大量飼養，這使得它成為社會性昆蟲研究極佳的模式物種。

通過對不同腦細胞轉錄情況的測序和分析，研究人員可以确定其承擔的功能。“通過華大自主研發的單細胞建庫平台和測序技術，我們獲得了涵蓋法老蟻工蟻、處女繁殖蟻、蟻後、雄蟻4種全品級大腦總共約20.6萬個高質量的單細胞核轉錄組數據。”論文另一共同通訊作者、華大生命科學研究院劉傳宇研究員補充說，“這是世界上首個全面覆蓋一個螞蟻社會中所有分工角色的單細胞圖譜”。

法老蟻不同品級腦結構三維結構重建（Bjarke H. Dethlefsen等 繪）

“我們的研究顯示，比起不具有社會性的果蠅，法老蟻腦中負責高級認知功能的蘑菇體細胞的豐度顯著提高了。”論文的共同通訊作者中國科學院昆明動物研究所的劉薇薇副研究員介紹。

與人類社會的分工不同，螞蟻的品級分化是生理上的。該團隊的研究結果顯示，螞蟻不僅在體形上有明顯的分化，在腦結構和功能上，也存在明顯的分化。比如，負責高級認知功能的蘑菇體在工蟻中非常發達，嗅葉也很發達，而雄蟻則是視葉非常發達，雌性繁殖蟻的大腦則介于工蟻和雄蟻之間。劉薇薇認為，這意味着工蟻是更依賴嗅覺感知的個體，它們也有更好的認知功能和靈活的行為策略。而雄蟻則更依賴視覺，這可能與其要尋找合适的交配對象有關。

蟻後成熟過程中大腦發生顯著重塑

“我們還看到了處女繁殖蟻在交配後轉變為蟻後的過程中，大腦發生了明顯的可塑性變化。”劉薇薇指出，“很多細胞類群的豐度都變化明顯。”其中，視葉細胞類群豐度降低，而多巴胺細胞及其下遊神經肽細胞豐度增加，一類具有神經保護功能的膠質細胞豐度也顯著增加，“這說明在蟻後成熟過程中，大腦細胞類群的變化以及神經環路的重塑，決定了蟻後職責功能的轉變及其壽命的極度延長”。

法老蟻不同品級的腦細胞相對豐度（李啟業等繪）

論文的共同通訊作者浙江大學求是講席教授、生命演化研究中心主任張國捷教授指出，這項工作提示了螞蟻不同品級個體的社會分工和展現出的行為差異與其大腦不同的特化程度有關。他總結，不同品級個體的大腦有不同方向和程度的特化，彼此之間又功能互補，執行不同的社會行為和功能，從而使得整個蟻群能夠同時擁有生殖、育幼、覓食、防禦等全面的功能。

作者：許琦敏

圖片：受訪者提供

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