なぜアリはこのように明確な分業ができるのでしょうか? 「脳の回路」は異なることが判明

動物の進化において、大きな転換点は社会組織の出現であり、それによって動物の適応性が大幅に向上しました。

今日でも、さまざまな種において、社会組織が単純なものから複雑なものへと継続的に変化していることが分かります。中国と海外の科学者からなる研究チームは、アリに代表される社会性昆虫の脳細胞群の構成特性を分析することで、社会性昆虫の社会的分業に伴う脳の特殊化現象を明らかにし、アリ社会におけるあらゆる分業役割を網羅する脳の単一細胞トランスクリプトームマップを構築した。上記の研究成果は6月16日付けのNature Ecology & Evolution誌に掲載されました。

アリは単独では生きられない

人間社会とは異なり、社会性昆虫は発達の過程で形態的、生理的な分化を示します。アリはその典型的な例です。

アリは1億4000万年前の白亜紀に誕生しました。現在では約20,000種が存在します。極地の氷床を除くすべての陸上生態系に広く分布しており、生物進化の歴史の中で最も成功した動物グループの 1 つです。

陸上で最も繁栄している社会性昆虫のグループであるアリの総重量は、地球上の全人類の重量とほぼ等しく、ミクロの世界での活動を通じて陸上の生態系全体に影響を及ぼしています。そして社会性はアリの成功の礎なのです。

アリは単独では生きられません。アリはアリのコロニーの一部として働き、特定の分業を行い、他のアリと緊密に協力してアリの巣の正常な機能を維持する必要があります。成熟した典型的なアリのコロニーには、少なくとも 4 つの異なる成虫形態が存在します。女王アリと女王の子孫で、後者には働きアリ、雄アリ、新しい処女生殖アリが含まれます。女王アリは子孫の繁殖を担い、働きアリは生殖能力を完全にまたは部分的に失い、餌探し、子育て、巣作り、防衛など、繁殖以外のすべての作業を担当します。

「働きアリと女王アリは同じ二倍体ゲノムを持っているが、形態学的、生理学的、行動学的に明らかな違いが見られる。」論文の筆頭著者で、BGI生命科学研究所の研究員である李其野氏は、ほとんどのアリ種の働きアリには繁殖能力がないと述べた。彼らは巣の世話をする責任だけを負い、繁殖の任務は生殖アリが引き受けます。交尾していない生殖アリには羽がある。交尾後、オスアリは死に、メスアリは羽を失い、真の女王アリになります。

現在、学術界では、アリの巣全体が「超生物」であり、各アリはこの超生物の「細胞」であり、働きアリはその「体細胞」であり、生殖アリはその「生殖細胞」であるという見解が一般的に受け入れられています。

明確な分業と全員が自分の責任を負う

アリの階級分化の内部メカニズムをさらに解明するため、研究チームはファラオアリをモデル生物として用い、単一細胞トランスクリプトーム配列解析技術を用いた研究を行った。

ファラオアリは、適応性が高く、生育環境に対する要求が低く、世界中に広く分布しているアリの一種です。サイズが小さく、繁殖が早く、発育サイクルが短く、大きな集団を形成します。ファラオアリは一夫多妻制を採用しており、コロニー内に複数の女王が同時に存在することができます。巣の中で自家受精して新たな生殖アリの生産を誘発することができ、実験室で複数世代にわたって大量に飼育することが容易です。ファラオアリのこれらの生物学的特徴により、ファラオアリは社会性昆虫の研究におけるモデル種となっています。

ファラオアリの社会階級の分化（Liu Weiwei 他）

「同じ個体の体細胞の核は同じ遺伝物質を持っていますが、異なる体細胞は異なる機能を持っています。」李其野氏は、これは異なる細胞における異なる遺伝子の転写の結果であると説明した。したがって、さまざまな細胞の転写プロファイルを配列決定して分析することで、これらの細胞の機能を決定することができます。

研究結果では、ファラオアリの成体4匹の脳の細胞構成を比較した結果、アリは体の形だけでなく、脳の構造と機能にも明らかな差異があることが明らかになった。例えば、高次認知機能を担うキノコ体は働きアリでは嗅覚葉と同様に非常に発達しており、視葉は雄アリでは非常に発達しています。生殖する雌アリの脳は、働きアリと雄アリの脳の中間に位置します。

「これは、働きアリが嗅覚に敏感な動物であることを意味します。働きアリは学習能力と記憶能力に優れ、認知機能が発達しており、複雑な情報を処理でき、より柔軟な行動戦略を持っています。オスアリは視覚系が非常に発達していますが、嗅覚葉とキノコ体は比較的未発達です。これは、交尾の任務のみを担い、アリの巣の他の作業にはまったく参加しないという行動に関係している可能性があります。」論文の共同責任著者で中国科学院昆明動物研究所の准研究員である劉衛衛氏は、処女生殖アリと女王アリは中間の脳形態を持っているため、比較的包括的な行動パターンを持ち、必要に応じてさまざまな責任を担うことができると述べた。彼らの脳は、アリの社会性が生まれる前の祖先の状態に近いのかもしれない。

アリの脳の初の本格的な単一細胞アトラスの構築

さまざまなグレードのファラオアリの脳構造の 3D 再構築 (Bjarke H. Dethlefsen 他による描画)

それだけでなく、研究チームは「超個体」アリの成体形態全体をカバーする脳の単一細胞トランスクリプトームマップも構築した。

「BGIが独自に開発した単一細胞ライブラリ構築プラットフォームとシーケンシング技術を通じて、働きアリ、処女生殖アリ、女王アリ、雄アリの4種類のファラオアリの脳のすべてのレベルをカバーする合計206,367の高品質の単一細胞核トランスクリプトームデータを取得しました。」論文のもう一人の共著者でBGIライフサイエンスの研究者である劉伝宇氏は、これはアリ社会におけるすべての分業役割を包括的にカバーする世界初の単一細胞マップであると述べた。

この地図では、細胞を 43 種類に分類し、キノコ体細胞 (学習や記憶などの高度な認知機能を担う)、視葉細胞 (視覚情報処理)、嗅覚投射ニューロン (匂い情報処理)、モノアミンニューロン、さまざまな種類のグリア細胞を注釈しています。

アリとショウジョウバエの脳細胞構成の違いを比較したところ、高度な認知機能を担うキノコ体細胞の量がアリではショウジョウバエに比べて大幅に増加しており、その機能も明らかな多様性分化を遂げていることがわかりました。これは、昆虫における社会的な生活様式の出現が、脳の高次認知中枢の拡大と多様性に影響を与える可能性があることを示唆しています。

キノコ体細胞とは異なり、視覚情報の処理を担う視葉細胞は、高度に保存された特性を示します。特に、ショウジョウバエでは、求愛の儀式中にオスのショウジョウバエがメスのショウジョウバエを効率的に追跡できるように物体の動きを感知する役割を担う視葉細胞がアリにも存在し、アリの脳内でのその分布や発現する特定の分子はショウジョウバエのものと非常によく似ています。これは、アリとショウジョウバエの間には数億年にわたる進化の分離があったにもかかわらず、脳内の多くの種類の細胞が依然として同じ分子特性を保持し、同様の機能を果たしていることを示唆している。

出典: ポピュラーサイエンスタイムズ

著者: 胡 立娟

編集者: ウー・トン

レビュー: 王飛

最終審査員：陳磊