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インスリンがアリの社会形成にどのように役立ったか


アリ、スズメバチ、ミツバチ、その他の社会性昆虫は、高度に組織化された「真社会的」なコロニーに住んでいます。そこでは、メスの群れが生殖を放棄し、通常は進化的適応度の基礎と見なされます。これは、少数の産卵女王とその子孫のニーズに応えるためです。 150年以上の生物学者の努力にもかかわらず、彼らがどのようにしてそのようになったのかを説明するのは困難でした.多くの研究者は、長い時間をかけて種固有の方法で進化した一連の複雑な遺伝子変化に答えが帰着すると考えています.

しかし、新しい結果は、動物界全体に見られる驚くほど単純なホルモンのメカニズムが、真社会性を動かすのに十分だった可能性があることを示唆しています.

先月、ニューヨークのロックフェラー大学の進化生物学者 Daniel Kronauer が率いる研究チームは、Science に論文を発表しました。 多くの専門家が言っていることは、真社会的行動の研究において、これまでで最も詳細な分子物語の 1 つを提供します.

科学者たちは、栄養と成長の維持に通常関与する古代のインスリンシグナル伝達経路が社会的手がかりに反応するようになったときに、アリの生殖労働の分割が発生したことを発見しました。そうすることで、彼らはまた、「環境がどのように皮膚の下に入り込み、行動、生理学、および社会の他のメンバーの健康と幸福に影響を与えるかの根底にあるプロセス」についてのより深い洞察を明らかにしました、と昆虫学者のジーン・E・ロビンソンは言いました.イリノイ大学アーバナ シャンペーン校のカール R. ウーズ ゲノム生物学研究所所長。

Kronauer と彼の同僚は、アリの真社会性への進化の旅の共通の起源を明らかにすることを望んで、最初に、7 つの多様なアリ種の中で、女王アリと働きアリの脳でどの遺伝子が異なって発現したかを比較した。彼らは、ある遺伝子 ilp2 に特に強いシグナルを発見しました 、これはインスリンのアリバージョンをコードし、女王で一貫してより高く発現されました. (少なくとも 20 の他の遺伝子も同様に重要であると Kronauer は指摘しました。それらの多くは、インスリンの産生とシグナル伝達、または脳の可塑性とその他の特性にも関連しています。)

ilp2 の役割を決定するには 、研究者は単一のアリ種、クローンレイダーアリOoceraea biroiに焦点を当てました 、そのコロニーには固定された女王がいません。代わりに、アリは働きアリと女王アリの役割をグループとして交互に行います。これは、幼虫の存在に応じているようです。赤ちゃんがいると、大人のアリはすべて繁殖をやめて世話をします。

Kronauer のチームは、インスリン シグナル伝達がそのサイクルの原因であることを発見しました。研究者がアリを幼虫にさらすと、ホルモンの産生が減少し、繁殖が抑制され、世話をする行動への移行が誘発されました。幼虫が取り除かれると、インスリンレベルが大幅に上昇し、成虫にインスリンを注射すると、幼虫がまだ存在している場合でも卵巣が再活性化されました. 「考えてみれば、それはクレイジーですが、生物を社交的にし、幼虫に反応するようにするための非常にエレガントでシンプルな方法でもあります」と Kronauer 氏は述べています。

(そして、ジョージア大学の昆虫学者であるアレン J. ムーアが冗談を言ったように、「親なら誰でも、あなたの子供があなたを操っていることを知っています。」)



イリノイ大学アーバナシャンペーン校の生物学者、アンドリュー・スアレスは、「この単一の遺伝子がこれほど大きな影響を及ぼしているということは、孤独から社会的なライフスタイルへの移行が比較的少ない変化で始まることを示唆しています。 「新しい遺伝子を呼び出す必要はありません。ゲノム構造や遺伝子発現パターンを大幅に変更する必要はありません。 1 つまたはいくつかのことを微調整するだけで、生殖に関する高度な分業への道を歩み始めることができます。」

Kronauer の結果は、1987 年に進化生物学者 Mary Jane West-Eberhard (現在はスミソニアン熱帯研究所に所属) によって提唱された真社会性の起源に関する理論を立証しています。彼女は、孤独なスズメバチが卵巣の活動と同期して生殖段階と世話の段階を循環していることを観察し、その卵巣周期の一部が各カーストに排他的になったときに真社会的な分業が出現したと仮定しました。卵巣が抑制されたままの労働者は、採餌とひなの世話に専念しました。 West-Eberhard は後に、これを「発生的再編成」を通じて種に大きな変化をもたらすモデルとして説明し、「古い断片から何か新しいもの (働きアリと女王の表現型) を作る」方法と呼びました。孤独なハチの卵巣周期のさまざまな段階に.

West-Eberhard の理論に欠けていたのは、スズメバチや他の社会性昆虫の再編成の潜在的な引き金の候補でした。 Kronauer の調査結果は、少なくともアリの場合、犯人は ilp2 であることを示唆しています。 、幼虫はインスリン経路を通じて成体を操作して、ほとんどをフルタイムの世話人に変え、少数をコミュニティの母親に変えます.

ホルモンが食物摂取と生殖の両方で重要な調節的役割を果たすことが知られていることを考えると、インスリンの関与は振り返ってみると理にかなっている.最初の適応の後、進化の力が個人間のインスリンレベルの生来の違いをさらに引き離し、別々のカーストを固めたでしょう. Kronauer と彼の同僚は、女王を持たないクロナル レイダー アリの中でも、幼虫の存在にもかかわらず、若干大きく、より活発な卵巣を持ち、採餌量が少ないものがあることを観察しました。彼らのインスリンレベルは最初から高いことが判明しました.

「この前兆状態であっても、生殖行動とインスリンレベルの間にはまだ関係があるようです」とKronauer氏は述べています.最終的に、インスリンレベルが高い人は女王になり、レベルが低い人は労働者になりました. 「それは、誰もが非常に似ている集団で始まりますが、進化の過程で、これらの小さな違いが悪化します。」

この研究をさらに説得力のあるものにしているのは、以前の研究がミツバチの分業を支配することにもインスリンが関与していたことですが、それは非常に異なる方法でした.アリとは独立して真社会性を進化させたこれらの種のハチにとって、インスリンシグナル伝達は、働きアリが採餌するか、幼虫を育てるために留まるかを決定するのに役立ち、採餌者が好む食物の種類を制御できます(これは、アリの生理学と実行するタスクにさらに影響を与えます).アリとミツバチの両方で、インスリンのメカニズムは子孫に対する感受性と絡み合っています.



「進化がシステムの複雑さを増したときにどのように進行するかについて、非常に一般的な何かがあることを示唆しています」とクロナウアーは言いました。スアレスにとって、この種の進化的革新はある意味で「予測可能であり、遺伝的メカニズムのパターンが働いている.とてもエキサイティングです。」

インスリンが独立して複数回使用されてきたことは、進化が保存された代謝および発達経路を日常的に再利用して、複雑な新しい形質や行動を生み出すという新たな洞察を補強します.社会性昆虫の場合、インスリンと生殖経路は、社会的機能のために採用されるのを待っているだけでした。つまり、「祖先の基本計画に由来する」と、ユタ州立大学の進化生物学者であるカレン・カプハイムは述べています。

「進化は古いものと新しいもののタペストリーです」とロビンソンは言いました。 「この研究では、これが見事に示されています。この新しい部分が挿入された古代の高度に保存されたインスリン経路です。特定のライフステージである赤ちゃんが、インスリンシグナル伝達の状態に影響を与え、したがって成人の生理学的状態に影響を与える可能性があります。」

Kronauerらは、幼虫がどのようにして成虫のシグナル伝達反応を誘発したのか、そもそもインスリンがどのようにして社会的手がかりに反応するようになったのかを明らかにする必要があります.このプロセスを仲介するためにアリの脳で何が起こっているかについても、さらに研究が必要です。

インスリンシグナル伝達が他の動物において非常に重要であるという事実は、より広い意味合いも持っています.たとえば、昆虫の女王は働きバチよりもはるかに大きく、寿命がかなり長いです。 Kronauer によると、これらの違いの根本的な理由は不明のままですが、彼の研究は、インスリン シグナル伝達が関与している可能性があることを示唆しています。 「人々は今、人間を含む他の生物のインスリンシグナル伝達が、平均余命のようなものを調節する上で同様の役割を果たしているかどうかを調べ始めることができます」と彼は言いました.

そしておそらく、それは他の種の原始的な社会的行動の進化においても役割を果たしていると、カブトムシの社会組織への移行を研究しているムーアは付け加えた.彼の分野では、「これほど完全で因果関係のある話はありません」と彼は言いました。 「それは私たちの水準を本当に引き上げてくれます。」



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