7 Minutės
Išjunkite vaizduotę: įsivaizduokite pasaulį, kuriame vestuvių varžybos paprasčiausiai dingo. Kas nutinka bruožams, kurie egzistuoja tik tam, kad nugalėtų kovas, kurių nebėra? Termitams atsakymas buvo tiesioginis ir genetiškai matomas: sperma nustojo plaukioti.
Iš keliaujančių šliužų ir šikšnosparnių giminaičių į namuose prieglobsčio radusius superorganizmus
Termitai kilę iš blakstieną primenančių protėvių, kurie gyveno laisvai ir maitinosi įvairiu maistu, tarp jų — mediena. Perėjimas nuo laisvai gyvenančių vabzdžių, turinčių įvairesnę mitybą, prie medieną skaidojančių specialistų, besiverčiančių maistu iš prastų celiuliozės šaltinių, paleido biologinių pokyčių domino efektą. Genomikos tyrėjai, palyginę termitų ir blusų (cockroach) genomus, nustatė, kad, vietoj to, kad termitai pridėtų daugybę naujų genų, kurie būtų reikalingi socialiniam gyvenimui, jie prarado ištisas genų grupes, susijusias su virškinimu, metabolizmu ir reprodukcija.
Šis genų netekimas nėra atsitiktinis: tai struktūrizuotas procesas, susijęs su ekologine niša, kurią užėmė termitai. Perėjimas prie žemoenerginio, celiuliozės turtingo maisto sumažino kai kurių virškinimo fermentų poreikį ir leido kitus biocheminius resursus paskirstyti kitoms funkcijoms, pavyzdžiui, kolonijos komunikacijai ir feromonų sintezei. Tokie pokyčiai rodo, kaip ekologija formuoja genomą per ilgą evoliucinį laiką.
Vienas ryškiausių praradimų yra susijęs su spermos motilityte — gebėjimu plaukioti. Linijose, kurios tapo privalomai monogamiškos, spermatozoidai nebeturėjo konkuruoti lytinių takų viduje. Kai patino sperma niekada neturi išstumti varžovų spermos iš patelės reprodukcinio trakto, natūralios atrankos slėgis palaikyti sudėtingą, energetiškai reiklų plaukiojimo aparatą blėsta. Per milijonus metų genai, kurie anksčiau statė uodegėles ir palaikė jų veikimą (pvz., struktūras axoneme, dyneino motorinius baltymus ir mitochondrijų priesagą energijai tiekti), tapo nereikalingi ir palaipsniui dingsta arba mutavo iki neveikimo.
Šis procesas — genų nebuvimo arba funkcionalaus sumažėjimo — nėra tik pavienis mechanizmas: jis susijungia su elgsenos ir fiziologijos pokyčiais, kuriuos lemia nauja socialinė sistema. Pavyzdžiui, kai monogamiškos poros užfiksuoja kolonijos pradžią, ilgalaikė poros ištikimybė didina vidinį artimumą tarp kolonijos narių, o tai savo ruožtu slopina lytinę konkurenciją ir leidžia vystytis kitoms, kolektyvinėms adaptacijoms. Taip socialinė ekologija veikia genomą — ne per pridėjimą ir komplikavimą, o per efektyvų pertekliaus šalinimą.
Sidnėjaus universiteto evoliucinės biologijos tyrėjas Nathan Lo, dalyvavęs minėtame tyrime, šią idėją išreiškė paprastai: kai monogamija tampa fiksuota evoliucijos procese, atranka atslūgsta nuo mechanizmų, kurie anksčiau buvo svarbūs patinų varžybose. Tai nėra vien tik elgsenos poslinkis — tai ir genominiu lygmeniu pastebimas transformacijos ženklas.
Macrotermes michaelseni termitų karalienė (viršutiniame kairiajame kampe), kruopščiai prižiūrima darbininkių ir didesnio karaliaus, o priekyje matomi kareiviai.
Kaip mityba, vystymasis ir giminystė austai formuoja kolonijos roles
Minėti genominiai pokyčiai nevyko atsiribotai nuo kitų biologinių mechanizmų. Tyrėjų komanda nustatė, kad vystymosi fiziologija — ypač kaip lervos paskirsto energiją reaguodamos į maistą, kurį joms dalija vyresnės kartos ar darbininkės — lemia, į kurią kastą (caste) individas išsivystys. Intensyviai maitinamos lervos vystosi greičiau ir dažniau tampa darbininkais. Blogai maitinamos lervos auga lėčiau ir gali tapti reprodukcinėmis nimfomis, kurios, jei jas vainikuos kaip karalius ar karalienę, poruosis kolonijos viduje.
Šis maistu grįstas vystymosi mechanizmas veikia kaip stiprus atbulinis ryšys: darbininkės maitina palikuonis, tai nulemia, kas taps darbininku arba potencialiu karaliumi ar karaliene, o tai savo ruožtu stabilizuoja darbo pasiskirstymą ir kolonijos socialinę struktūrą. Ilgalaikė pradedančiosios poros monogamija didina giminystės rodiklį (kinship) kolonijos viduje — tai padaro tokį maisto-grįstą kastų nustatymą evoliuciškai perspektyvų. Iš esmės, giminystės ryšiai ir bendras darbas pakeitė seksualinę konkurenciją kaip pagrindinį atrankos variklį.
Studijos rezultatai rodo, kad sprendimai dėl energetinių investicijų vienam ar kitam vystymosi keliui yra ne tik fiziologiniai, bet ir genominiai. Genų ekspresijos modeliai, susiję su metabolizmu, hormoniniu reguliavimu (pvz., juose keičiasi endokrininės sistemos komponentai, tokie kaip juodosios feromonų sintezės kelių aktyvumas, juvenilio hormonas, ecdysteroidai), koreliuoja su lervų maitinimu ir galimu kastos likimu. Tai paaiškina, kodėl kai kurios genų šeimos sumažėjo arba specializavosi termitų genomuose — jų funkcijos tapo perteklinės arba buvo perorientuotos į kolonijai naudingesnes paskirtis.
Lentelėse ir žemėlapiuose, gautuose palyginant genų buvimą ir ekspresiją tarp blakių ir kelių termitų rūšių, aiškiai matomos kelios tendencijos: su socialine kompleksija didėjančios rūšys demonstravo mažesnį genų repertuarą tam tikrose funkcinių grupėse, tačiau tuo pat metu stebima padidėjusi reguliavimo ir signalizavimo tinklų sudėtingumas tarp išsaugojamų genų. Kitaip tariant, ne tiek genų skaičius, kiek tinklo organizacija ir reguliarumas tapo lemiamaisiais veiksniais sudėtingai socialinei struktūrai palaikyti.
Šis modelis prieštarauja intuicijai, kad socialinė pažanga reiškia didesnį ir sudėtingesnį genomą. Vietoje to, termitų evoliucija parodo alternatyvų kelią: racionalizuokite tai, ko jums nebereikia, ir perprogramuokite likusią biologiją koordinuoti koloniją, kuri elgiasi labiau kaip vienas organizmas nei laisvas individų darinys. Tai yra svarbus konceptualus posūkis mąstant apie socialinių gyvūnų evoliuciją ir genomikos interpretavimą.
Mastotermes darwiniensis reprodukcinė kasta, prižiūrima darbininkės (viduryje), kairėje ir dešinėje matyti kareiviai.
Kokios yra platesnės šių atradimų pasekmės? Evoliucinėje biologijoje tai priminimas, kad adaptacija nėra vien tik sudėtinių priedų kaupimas. Praradimas gali būti kūrybiškas veikėjas: genų ir struktūrų sumažinimas gali atverti naujas funkcinės specializacijos galimybes ir leisti efektyviau valdyti energetinius išteklius.
Praktine prasme geriau suprasti, kaip socialiniai vabzdžiai optimizuoja fiziologiją ir paskirstymą, gali įkvėpti biomimetinius sprendimus energijos paskirstymui, efektyviai robotų komandų koordinacijai ir tais atvejais, kur kolektyvinė efektyvumas pranašesnis už individų gebėjimus. Pavyzdžiui, principai, kaip lervos pagal maisto prieinamumą „nusprendžia“ savo kastą, gali būti panaudoti kuriant adaptuojamus sprendimus darbo paskirstymui autonominėse robotų sistemose ar gliaudinėse gamybos lygtyse.
Ir tiems, kurie mėgsta netikėtus kompromisus: spermos judrumo nutilimas termituose yra įspėjimas apie tai, ką organizmai atiduoda mainais, kai konkurencija senka. Tai nėra vien tik praradimas; tai perorientavimas — energija ir genetinis potencialas perskirstomi į funkcijas, kurios dabar teikia didesnį naudingumą kolonijai kaip visumai.
Kai kitą kartą stebėsite skubantį skruzdžių ar termitų darbininkių srautus per tunelį, pagalvokite apie nematomus genetinius sandorius, kurie leido tiems tuneliams atsirasti: genų praradimai, reguliacijos pokyčiai ir socialinės taisyklės, kurios kartu transformavo atskirus individų genomus į koordinuotą socialinį organizmą.
Techniniai pastabos apie spermos judrumą: tradiciškai spermos plaukiojimą palaiko struktūriniai elementai, tokie kaip mikrotubulinis axoneminis karkasas, dyneino proteinai, kurie vykdo slenkantį judesį, bei mitochondrijų buferiai, tiekiantys ATP. Kai selekcija dėl galios ir greičio pranyksta, mutacijos šiuose genuose gali kauptis be didelio fitness nuostolio, todėl galiausiai funkcijos degeneruoja. Termitų genomų analizės rodo sumažintą ekspresiją arba genų praradimą, susijusį su šiais elementais — tai suteikia mechanistinį paaiškinimą, kodėl sperma tapo mažiau motili ir kai kuriose rūšyse beveik stacionari.
Galiausiai, nuo platesnės perspektyvos, termitų evoliucija yra puikus pavyzdys, kaip ekologiniai pokyčiai (pvz., mitybos specializacija), demografiniai modeliai (pvz., ilgaamžė monogamija steigiamojoje poroje) ir genominiai procesai (pvz., genų praradimas, genų tinklų perskirstymas) susijungia, kad sukurtų visiškai naują biologinį fenomeną: superorganizmą — koloniją, kuri funkcionuoja kaip viena integruota sistema.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą