数か月ごとに、Sarah Kocher はフランスへの巡礼を行っています。ハーバード大学の生物学者である彼は、バタフライネットを引き連れて、ミツバチを探して、プロヴァンスの野原からスイスやドイツの近くの山岳地帯まで、田園地帯を旅します。彼女のターゲットは Lasioglossum albipes です。これは、2 つの非常に異なるライフスタイルが可能な、いわゆる汗蜂の珍しい種です。どこで誰に生まれたかに応じて、これらのミツバチは主に単独で生活し、自分の子供を育てたり、コミューンの一部として生活したりします。
ミツバチはその複雑な協力社会で有名ですが、ハチの種の大部分は孤独な生き物です。状況に応じて、一人暮らしやコミュニティの一員としてのライフスタイルを採用できる人はほとんどいません。これらの種は、孤独な存在から社会的な存在への進行の中間段階を表しているため、特に興味深いものです。 「社会性昆虫は孤独な祖先からどのように進化したのか?」ニューハンプシャー大学の生物学者で、同様の行動上の柔軟性を持つ別のミツバチを研究しているサンドラ・レーハンは、次のように述べています。 「L.アルビペスは、種内の社会的進化を見る良い方法です。」
社会的または孤独なライフスタイルを採用できるミツバチの品種の中で、L.アルビペスは、この選択が遺伝的に決定されていることが示されている唯一の知られている種であり、彼らは運命に生まれます。これが、行動の遺伝的根源に興味を持っているコーチャーをこの種に惹きつけた理由です。 2 種類の L. albipes のゲノムを比較することで、Kocher は、それらのゲノムの正確な原因がそれらの行動を何らかの形で引き起こしていることを明らかにするかもしれません.
「社交的な蜂を作るには何が必要ですか？」イリノイ大学の生物学者であり、別のハチのゲノム プロジェクトで Kocher と協力している Gene Robinson に尋ねました。
これまでのところ、科学者はこの質問に対する答えのヒントしか持っていません。孤独なミツバチと社会的なミツバチの最初の比較では、2つのグループ間で異なる2つの主要な遺伝子クラスが見つかりました。代謝に関与する遺伝子は、社会的昆虫のさまざまな採餌とエネルギーの必要性を反映している可能性があり、細胞間のシグナル伝達に影響を与える遺伝子は、社会的コミュニケーションの強化の兆候である可能性があります。しかし、社会的ゲノムの鍵は、さまざまな遺伝子だけでなく、それらの遺伝子がどのように制御されているかにもある可能性があります。発生中にいつ、どこでオンとオフが切り替えられるかです。
ミツバチの研究者は、主要な洞察は現在進行中のプロジェクトから得られる可能性が高く、10 種類のミツバチのゲノム配列を比較した論文が今年後半に発表される予定であると述べています。これは、遺伝子がどのように調節されているかの違いを調査するための前例のないツールを提供し、ミツバチの社会生活だけでなく、人間を含む他の動物の社会的行動にも光を当てる可能性があります.
コッヘルの汗蜂は、ミツバチ以来ゲノム配列が解読された 10 種であり、最初のハチ種の 1 つです。彼女の標本を捕まえた後、孤立したスウェットミツバチは主にフランス東部の涼しい山岳地帯から来ており、彼らの社会的な兄弟は南と西から来ています.Kocherは彼らのDNAをBGIとして知られる中国の大規模な配列決定施設で解読するために送りました. 12 月に発表された第 1 ラウンドのシーケンシングの結果は、すでにいくつかの違いを指摘しています。たとえば、新陳代謝に関連する遺伝子は L. albipes で急速に変化しており、これは社会的なハチに関する他の研究と一致しています。
「代謝は、社会的行動において重要な役割を果たしているため、何度も何度も出現し続けています」と、ハーバード大学の 2 人の生物学者である Naomi Pierce と Hopi Hoekstra と共に研究しているポスドク研究者である Kocher は述べています。インスリンシグナル伝達などの一部の代謝プロセスは、ミツバチの分業に関与しているようです。新しい発見は、これらの同じ経路が L. albipes の社会的行動の進化にも重要な役割を果たしている可能性があることを示唆しています。研究者はまた、社会的な L. albipes の嗅覚が、単独の L. albipes と区別する可能性があるというヒントも発見しましたが、科学者は、発見を確認するには、より多くのミツバチを分析する大規模な追跡調査が必要であると警告しています.
ミツバチの洗練された社会は、厳密な分業に依存しています。女王バチは卵を産み、巣に残って子育てをする昆虫もいれば、花粉を求めて巣の外を移動する昆虫もいます。この仕事の分担は、真社会性または真の社会性と呼ばれる、最も極端な形態の社会社会の決定的な特徴です。 (接頭辞の「eu」はギリシャ語の「よく」または「良い」に由来します。) 養蜂家と採餌者は巣のために究極の犠牲を払い、繁殖する権利を放棄し、代わりに若者に餌を与えて世話をします。生物学者のエドワード O. ウィルソンは著書「地球の社会的征服」の中で、真社会性の進化を「生命の歴史における主要な革新の 1 つ」と表現し、その影響を「水中の空気による土地の征服」になぞらえました。呼吸する動物」と「昆虫と脊椎動物による動力飛行の発明」。真社会的社会は、「超有機体、有機体の次のレベルの生物学的複雑さ」を生み出す、と彼は書いた.
動物の生活の中で、真社会性はまれです。ミツバチの 90% 以上は孤独です。 「しかし、真社会性種は地球に非常に大きな影響を与える可能性があります」とロビンソンは言いました。たとえば、ミツバチは私たちの最も重要な花粉媒介者であり、シロアリやキラービーなどの他の真社会性種は、私たちの最大の害虫の一部です. 「高度に統合されたコロニーにより、個体よりもはるかに大きな影響を与えることができます」とロビンソン氏は述べています。
ミツバチが社会性の研究に適している理由の 1 つは、アリやシロアリとは異なり、社会性種と単独性種の両方を持っていることです。多数の社会的アリの種はすべて、1 つの共通の社会的祖先から進化しましたが、ミツバチの真社会的性質は、独立して複数回進化しました。つまり、科学者はさまざまな社会的種の間の遺伝的共通点と、それらが孤立した近縁種とどのように異なるかを探ることができます。
「今、私たちは、ゲノム情報を使った進化研究がどんどん出てくる、本当に興味深い時期の真っ只中にいます」とロビンソンは言いました。
遺伝子技術が進化するにつれて、ロビンソンのチームはミツバチの全ゲノムと他のミツバチの部分ゲノムの配列を決定しました。異なる種のタンパク質を比較することで、彼らは社会的行動のための遺伝的ツールキット、つまりミツバチ群集の洗練された社会構造を可能にする遺伝的変化のコレクションを見つけたいと考えています。すべての社会的種が同じ遺伝子または遺伝的経路、つまり同じプロセスに関与する遺伝子に変化を示す場合、さまざまな種類の社会的蜂が社会的行動を生み出すための共通の戦略に落ち着いたことを示唆しています.このようなツールキットは、目の発達など、他の生物学的特徴についても特定されています。
2006 年、ミツバチは、蚊とショウジョウバエに続いて、ゲノムが解読された 3 番目の昆虫になりました。これらの非社会性昆虫と比較して、ミツバチは匂いに関与する遺伝子、特に化学フェロモンを認識する分子受容体を多く持っています。これらの化学物質は、見知らぬ人と巣の仲間を区別する方法や、さまざまな社会的カーストを検出する方法など、社会的コミュニケーションにおいて重要な役割を果たします.
ロビンソンのチームは次に、10 種のミツバチの部分ゲノムを比較しました。 2011年に発表された調査結果は、すべての社会的種で進化したと思われる2つの一般的な遺伝子カテゴリーを特定しました - 炭水化物代謝に関与する遺伝子と細胞間のコミュニケーションに関与する遺伝子です。科学者たちは、これらの変化が昆虫にどのように影響したかをまだ正確に知りません.代謝に関して、Robinson は、数百から数千のメンバーの巣に住んでいる社会的なミツバチは、より高いエネルギーを必要としている可能性があると推測しています。たとえば、彼らは巣を温めたり冷やしたりしなければならず、孤独な巣とは異なる方法で若者に餌を与えます。一匹狼のハチは卵に花粉の塊を残し、それを手で拭きますが、社会的な種は幼虫を溺愛します.
コミュニケーション遺伝子の変化は、社会的なミツバチの脳の変化を示唆している可能性がある、とロビンソンは述べた。社交的なハチはおそらく、仲間の仲間を認識し、有名なダンスを演じて解釈することに特化した特別な神経回路を必要とします.
1980 年代の大学院生だったロビンソンは、何週間も野原で蜂の巣を見つめ、出入りするミツバチの動きを注意深く図にしました。彼が最もよく覚えているミツバチは、色付きのタグの番号で知られるイエロー 57 です。彼女の姉妹は 1 時間に 1 ～ 3 回の採餌旅行を行っていましたが、Yellow 57 の採餌はもっと頻繁でした。彼女は 1 時間に 10 回の移動に乗り出し、それぞれの移動はわずか 3 分でした。ロビンソンは、ほとんどの採餌蜂のように花粉を求めて花から花へとさまようのではなく、イエロー 57 が近くの小川で水を集めていることを発見しました。ロビンソン氏によると、彼女は高度に専門化された水採餌者であり、これまでに記録された中で最も高度に専門化されたミツバチでした。イエロー 57 の話は若い生物学者のキャリアを形成し、ミツバチがどのようにしてそのような正確なキャリア選択を行うのかを理解するよう促しました.
過去 22 年間で、ロビンソンと他の人々は、遺伝がこの分業にどのように影響するかを理解する上で大きな進歩を遂げました。たとえば、採餌蜂は、女王バチとは異なるパターンの活性遺伝子を脳内に持っています。そして看護師から採餌者への変化は、いつ、どこで遺伝子がオンまたはオフになるか、遺伝子活動の変化を慎重に調整することによって引き起こされます。
ロビンソンらは、同様の変化が個人ではなく種全体に作用し、より広範に社会的行動の根底にある可能性があると考えています。各ミュージシャンが単一の遺伝子を表すオーケストラとして全ゲノムの活動を想像すると、結果として得られるパフォーマンスは、フルートやホルンなど、どの楽器が含まれているかだけに依存するわけではありません。また、いつ演奏するか、どれだけ大きな音で演奏するか、どのようにアレンジするかも重要です。これらの要因のいずれかを変更すると、まったく異なる構成が作成される可能性があります。同様に、いつ、どこで遺伝子のスイッチを入れたり切ったりするかを変えると、分業などの異なる行動が生じる可能性があります。人間を含む他の種での以前の研究では、遺伝子活動の変化が進化に大きな影響を与える可能性があることが示されています.
遺伝子活動を制御するゲノムの部分の変化を見つけるには、科学者はタンパク質を生成する部分だけでなく、ゲノム全体を調べる必要があります。 （ゲノムのごく一部に過ぎないタンパク質コード領域が、以前の研究の焦点でした。）Robinson は 2010 年に、10 種のミツバチの全ゲノムを配列決定する新しいプロジェクトを開始しました。オーケストラを指揮する楽譜に相当する遺伝子。
この研究のために、Robinson のチームは、真社会性を進化させた 2 つのミツバチ系統から種を選択しました。 ミツバチを含む Apidae と、コッヘルの汗蜂 L. albipes を含む Halictidae です。ミツバチの両方の科には、孤独な種と社会的な種が含まれますが、2 つの系統は 5000 万年以上離れて協力的な性質を進化させました。 「理論的根拠は、進化の時間によって分離された種を比較することによって、それらの間で共通の遺伝子がおそらく行動にとって重要であるということです」とピアスは言いました.
ミツバチの種は、洗練されたカースト制度によって分割された何万人もの個人の社会に住んでいる、最も複雑な形態の真社会性を持っています。対照的に、Halictidae は、はるかに単純な分業で小さな社会に住んでいます。最も注目に値するのは、この家族には、社会的行動が任意であると思われるいくつかのハチ種が含まれていることです。ミツバチは、季節が長く暖かい気候では協力的である傾向があります。 (Kocher の種である L. albipes は、ライフ スタイルが遺伝的にコード化されていることが示されている唯一の知られているハリクチッドです。他の種では、選択は環境要因の影響を受けます。)
ロビンソン氏は、「ハリクチ科はどういうわけか『転換点』に近づいています。つまり、孤独から真社会性への移行です」と述べています。 「転換点に身を置くことで、彼らは真社会性の起源の柔軟性についての進化論的疑問に説得力を持つようになります。」
研究者は、さまざまなハリクチッドとミツバチの種を比較した結果をまだ発表していません。しかし、配列決定された最初のハリクチッドである L. albipes ゲノムの Kocher のドラフトは、彼らが何を見つけるかについていくつかのヒントを与えています。その 13,000 の遺伝子のうち約 8,000 は、他の昆虫や他の種に対応するものを持っており、科学者はそれらの機能についてある程度の洞察を得ることができます。しかし、残りは謎のようなものです。これらの遺伝子のうち 2,000 は、より広いハリチダ科に固有のものです。それらの多くは細胞シグナル伝達に関連する構成要素を持っていますが、科学者は遺伝子の機能をまだ知りません。 L. albipes のゲノムを他の昆虫と比較したところ、研究者はミツバチがインスリンシグナル伝達と解毒に関連する遺伝子ファミリーに多くの遺伝子を持っているように見えることを発見し、これらのプロセスがこの種で重要である可能性を示唆しています.
本当の洞察は、L. albipes の社会性品種と孤独性品種を比較することから得られるかもしれません。単一の種内の遺伝的変化を探すことは、異なる種を調べるよりも微調整されたアプローチである、とPierceは述べた.標本間の主な違いは社会的行動であるため、発見された遺伝的違いは、体型などの他の要因ではなく、社会的行動に関連している可能性があります。 「関心のある遺伝子を特定するのに役立ち、より広い視野で見ることができます」と Pierce 氏は述べています。
これまでのところ、コッヘルと彼女の共同研究者は、孤独なハチと社会的なハチを 1 つずつしか配列決定していないため、決定的な結論を導き出すことは困難です。しかし、彼らにはいくつかの可能性があります。社会的および孤独なL.アルビペスは、特定の匂いを検出する嗅覚受容体の違いを示しており、社会的行動におけるこのシステムの重要な役割を示唆しています。 「誰が自分のコロニーの一部であるかを把握することは、社会性昆虫にとって非常に重要です」と、米国農務省の昆虫学者であるジェイ・エバンス氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。 「社会的であることの一部は、巣の仲間や侵入者を認識する能力です。」
嗅覚遺伝子に加えて、社会的遺伝子の候補には、ニューロンが適切な場所で成長し、特定の脳内化学物質を分解するのを助ける脳関連遺伝子が含まれます.
科学者たちは、L. albipes のゲノム、Robinson の 10 のゲノム、および他の進行中のプロジェクトからの追加のハチのゲノムなどの新しいリソースが、社会的行動の遺伝学についてさらに深い洞察を提供すると述べています。ミツバチは、社会的な洗練度において私たちを凌駕しているかもしれませんが、私たち自身の行動について私たちに教えてくれる何かをまだ持っているかもしれません. 「ミツバチは社会的行動の過激派です」とロビンソンは言いました。 「そして生物学では、過激派を見ることで一般的な洞察を学ぶことができます。」たとえば、人間の場合、社会環境を含む環境に関する情報が健康とウェルネスにどのように影響するかを理解することは困難でした. 「ミツバチはこれを探求するための優れたモデル システムです。」
