Warum kann es bei Ameisen eine so klare Arbeitsteilung geben? Es stellt sich heraus, dass die "Gehirnschaltkreise" unterschiedlich sind

Ein wichtiger Wendepunkt in der Evolution der Tiere war die Entstehung sozialer Organisationen, die die Anpassungsfähigkeit der Tiere erheblich verbesserten.

Auch heute noch können wir bei verschiedenen Arten eine kontinuierliche Reihe von Veränderungen in der sozialen Organisation von einfach bis komplex beobachten. Durch die Analyse der Zusammensetzungsmerkmale von Gehirnzellgruppen bei sozialen Insekten, wie Ameisen, deckte ein Forschungsteam aus chinesischen und ausländischen Wissenschaftlern das Phänomen der Gehirnspezialisierung auf, das mit der sozialen Arbeitsteilung bei sozialen Insekten einhergeht, und erstellte eine Einzelzell-Transkriptomkarte des Gehirns, die alle arbeitsteiligen Rollen in der Ameisengesellschaft abdeckt. Die oben genannten Forschungsergebnisse wurden am 16. Juni in der Zeitschrift Nature Ecology & Evolution veröffentlicht.

Ameisen können allein nicht überleben

Im Gegensatz zur menschlichen Gesellschaft kommt es bei sozialen Insekten im Laufe ihrer Entwicklung zu einer morphologischen und physiologischen Differenzierung. Ein typisches Beispiel sind Ameisen.

Ameisen entstanden in der Kreidezeit vor 140 Millionen Jahren. Heute gibt es etwa 20.000 Arten. Sie sind in allen terrestrischen Ökosystemen mit Ausnahme der polaren Eisschilde weit verbreitet und stellen eine der erfolgreichsten Tiergruppen in der Geschichte der biologischen Evolution dar.

Als die am weitesten verbreitete Gruppe sozialer Insekten an Land entspricht das Gesamtgewicht der Ameisen in etwa dem aller Menschen auf der Erde und sie beeinflussen durch ihre Aktivitäten in der mikroskopischen Welt das gesamte Ökosystem der Erde. Und Sozialität ist der Grundstein für den Erfolg der Ameisen.

Ameisen können alleine nicht überleben. Sie müssen als Teil einer Ameisenkolonie arbeiten, eine bestimmte Arbeitsteilung einhalten und eng mit anderen Ameisen zusammenarbeiten, um den normalen Betrieb des Ameisennests aufrechtzuerhalten. In einer reifen, typischen Ameisenkolonie gibt es mindestens vier verschiedene erwachsene Formen: die Ameisenkönigin und ihren Nachwuchs, zu letzterem zählen Arbeiterameisen, männliche Ameisen und neue, jungfräuliche, reproduktive Ameisen. Die Ameisenkönigin ist für die Fortpflanzung des Nachwuchses zuständig, während die Arbeiterameisen ihr Fortpflanzungspotenzial ganz oder teilweise verloren haben und für alle Aufgaben außer der Fortpflanzung zuständig sind, darunter Nahrungssuche, Aufzucht der Jungen, Nisten und Verteidigung.

„Obwohl Arbeiterameisen und Ameisenköniginnen das gleiche diploide Genom besitzen, weisen sie eine deutliche morphologische, physiologische und verhaltensmäßige Differenzierung auf.“ Der Erstautor des Artikels, Li Qiye, ein Forscher am BGI Life Sciences Institute, sagte, dass die Arbeiterameisen der meisten Ameisenarten nicht die Fähigkeit zur Fortpflanzung hätten. Ihnen obliegt lediglich die Nestpflege, die Fortpflanzung wird von den reproduktiven Ameisen übernommen. Unbegattete, fortpflanzungsfähige Ameisen haben Flügel. Nach der Paarung sterben die männlichen Ameisen und die weiblichen Ameisen verlieren ihre Flügel und werden zu wahren Ameisenköniginnen.

In der Wissenschaft ist man heute allgemein der Ansicht, dass der gesamte Ameisenhaufen ein „Superorganismus“ ist, jede Ameise eine „Zelle“ dieses Superorganismus ist, die Arbeiterameisen seine „somatischen Zellen“ und die reproduktiven Ameisen seine „Reproduktionszellen“ sind.

Klare Arbeitsteilung und Übernahme der Verantwortung jedes Einzelnen

Um den internen Mechanismus der Ameisenkastendifferenzierung weiter aufzudecken, verwendete das Forschungsteam Pharaoameisen als Modellorganismus und führte Untersuchungen mithilfe der Einzelzell-Transkriptomsequenzierungstechnologie durch.

Pharaoameisen sind eine Ameisenart, die sehr anpassungsfähig ist, geringe Ansprüche an die Wachstumsumgebung stellt und weltweit weit verbreitet ist. Sie sind klein, vermehren sich schnell, haben einen kurzen Entwicklungszyklus und bilden große Populationen. Pharaoameisen haben ein polygynes System, wobei mehrere Königinnen gleichzeitig in der Kolonie existieren können. Sie können sich im Nest selbst befruchten, wodurch die Produktion neuer reproduktiver Ameisen ausgelöst wird, und können im Labor problemlos in großer Zahl über mehrere Generationen hinweg gezüchtet werden. Diese biologischen Eigenschaften der Pharaoameisen machen sie zu einer Modellart für die Erforschung sozialer Insekten.

Sozialklassendifferenzierung von Pharaoameisen (von Liu Weiwei et al.)

„Die Kerne somatischer Zellen desselben Individuums haben das gleiche genetische Material, aber unterschiedliche somatische Zellen haben unterschiedliche Funktionen.“ Li Qiye erklärte, dass dies das Ergebnis der Transkription verschiedener Gene in verschiedenen Zellen sei. Daher können durch Sequenzierung und Analyse der Transkriptionsprofile verschiedener Zellen die Funktionen dieser Zellen bestimmt werden.

Durch den Vergleich der Zellzusammensetzung der vier erwachsenen Gehirne von Pharaoameisen zeigen die Forschungsergebnisse, dass Ameisen nicht nur in der Körperform, sondern auch in der Gehirnstruktur und -funktion deutliche Unterschiede aufweisen. So sind beispielsweise die Pilzkörper, die für höhere kognitive Funktionen verantwortlich sind, bei Arbeiterameisen sehr stark entwickelt, ebenso wie die Riechlappen, während die Sehlappen bei männlichen Ameisen sehr stark entwickelt sind. Das Gehirn weiblicher Fortpflanzungsameisen liegt zwischen dem von Arbeiterameisen und dem von männlichen Ameisen.

Das bedeutet, dass Arbeiterameisen Tiere sind, die stärker auf die Geruchswahrnehmung ausgerichtet sind. Sie verfügen über bessere Lern- und Gedächtnisfähigkeiten sowie fortgeschrittene kognitive Funktionen, können komplexe Informationen verarbeiten und verfügen über flexiblere Verhaltensstrategien. Die männlichen Ameisen haben ein extrem entwickeltes Sehsystem, aber ihre Riechlappen und Pilzkörper sind relativ unterentwickelt, was möglicherweise mit ihrem Verhalten zusammenhängt, nur Paarungsaufgaben zu übernehmen und sich überhaupt nicht an anderen Arbeiten im Ameisennest zu beteiligen. Liu Weiwei, Mitautor des Artikels und assoziierter Forscher am Kunming Institute of Zoology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass jungfräuliche Ameisen und Ameisenköniginnen über eine Zwischenform des Gehirns verfügten, was bedeute, dass sie über relativ umfassende Verhaltensmuster verfügten und bei Bedarf verschiedene Aufgaben übernehmen könnten. Ihr Gehirn ähnelt möglicherweise eher dem Zustand ihrer Vorfahren vor der Entstehung der Ameisensozialität.

Erstellung des ersten vollständigen Einzelzellatlas des Ameisenhirns

3D-Rekonstruktion der Gehirnstrukturen verschiedener Klassen von Pharaoameisen (gezeichnet von Bjarke H. Dethlefsen et al.)

Darüber hinaus erstellte das Forschungsteam auch eine Einzelzell-Transkriptomkarte des Gehirns, die die gesamte Morphologie des erwachsenen Individuums einer „superindividuellen“ Ameise abdeckt.

„Durch die von BGI unabhängig entwickelte Plattform zur Konstruktion von Einzelzellbibliotheken und die Sequenzierungstechnologie haben wir insgesamt 206.367 hochwertige Einzelzell-Kerntranskriptomdaten erhalten, die alle Ebenen der Gehirne von vier Arten von Pharaoameisen abdecken: Arbeiterameisen, jungfräuliche Fortpflanzungsameisen, Ameisenköniginnen und männliche Ameisen.“ Liu Chuanyu, ein weiterer Co-Autor des Artikels und Forscher bei BGI Life Sciences, sagte, dies sei die weltweit erste Einzelzellkarte, die die gesamte Arbeitsteilung in einer Ameisengesellschaft umfassend abdecke.

Die Karte unterteilt die Zellen in 43 verschiedene Typen und beschreibt Pilzkörperzellen (verantwortlich für fortgeschrittene kognitive Funktionen wie Lernen und Gedächtnis), Optikusnekrosezellen (Verarbeitung visueller Informationen), olfaktorische Projektionsneuronen (Verarbeitung von Geruchsinformationen), Monoaminneuronen und verschiedene Arten von Gliazellen.

Durch den Vergleich der Unterschiede in der Zusammensetzung der Gehirnzellen von Ameisen und Fruchtfliegen wurde festgestellt, dass die Häufigkeit der Pilzkörperzellen, die für fortgeschrittene kognitive Funktionen verantwortlich sind, bei Ameisen im Vergleich zu Fruchtfliegen deutlich erhöht war und dass ihre Funktionen auch einer offensichtlichen Diversitätsdifferenzierung unterzogen wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Entstehung eines sozialen Lebensstils bei Insekten die Ausdehnung und Vielfalt der höheren kognitiven Zentren des Gehirns beeinflussen könnte.

Im Gegensatz zu Pilzkörperzellen weisen die für die Verarbeitung visueller Informationen verantwortlichen Optikuslappenzellen stark konservierte Eigenschaften auf. Insbesondere sind die optischen Lappenzellen der Fruchtfliegen, die für die Wahrnehmung der Bewegung von Objekten zuständig sind und es den männlichen Fruchtfliegen ermöglichen, die weiblichen Fruchtfliegen während der Balzrituale effizient zu verfolgen, auch bei Ameisen vorhanden. Ihre Verteilung im Gehirn der Ameisen und die spezifischen Moleküle, die sie exprimieren, sind denen der Fruchtfliegen sehr ähnlich. Dies lässt darauf schließen, dass trotz der Hunderte von Millionen Jahren evolutionärer Trennung zwischen Ameisen und Fruchtfliegen viele Zelltypen in deren Gehirnen noch immer dieselben molekularen Eigenschaften aufweisen und ähnliche Funktionen erfüllen.

Quelle: Popular Science Times

Autor: Hu Lijuan

Herausgeber: Wu Tong

Rezension: Wang Fei

Endrichter: Chen Lei