蟻巢，究竟是一個小社會，還是一個有機體？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-11-29 09:33
撰文 | 邱必濤（德國弗萊堡大學生態與演化系，洪堡學者）、戴學勤 （中國科學院昆明動物研究所，博士在讀）
自古以來，人們總是對自然界充滿了好奇，時常想着“我們可以從中學習到什麼”。比如蹲在地上看螞蟻，發現螞蟻忙忙碌碌勤勤懇懇，分工協作有條不紊，堪稱人類的“道德模範”。《伊索寓言》與《聖經》便把螞蟻作為勤勞工作和未雨綢繆的代表，自然學家更對螞蟻的自組織與分工合作行為讚譽有加。為此，人們常常習慣於將蟻巢比作一個社會，並與人類社會相互比較，更有哲學家以“螞蟻社會”為模版，設想人類社會的“理想模式”[1]。
然而，假如我們仔細比較，便會發現這種“理想模式”源於人類把自身的願景代入動物身上（擬人論），與真實的螞蟻羣體卻是相去甚遠。人類社會由許多家庭組成，社會里的個體存在着階級流動性，人與人之間既有合作也有競爭。與此相對，一巢螞蟻往往就是一個大家庭，工蟻們都是姐妹，有着很高的親緣關係，巢穴裏的蟻后與工蟻有着終身不變的形態分工；許多蟻種的工蟻甚至失去了繁殖能力，一生只用來照料蟻巢這個大家庭，可謂無私至極。由此可見，螞蟻羣體與人類社會有着根本性的不同。
蟻巢與超有機體
早在上個世紀初（1910年），著名的蟻學家威廉·莫頓·惠勒（W. M. Wheeler） 便指出螞蟻羣體與人類社會截然不同，並提出把“蟻巢”（ant colony）——即一個巢穴中的整個蟻羣——比作一個 “【超】有機體” （[Super]organism，又譯作 “超個體” ）的觀點[2]。類似於多細胞有機體，其中蟻后和雄蟻等繁殖品級專門承擔生殖功能，可算是超有機體的“生殖細胞”；工蟻等勞動品級專門承擔築巢、清潔、覓食、防禦和育幼等維持巢穴穩定的職能，可算是超有機體的 “體細胞”。
與有機體一樣，蟻巢有着自己的生老病死。每年的繁殖季節，新生蟻后（處女繁殖蟻）從地底湧出，飛向天空尋找伴侶，完成婚飛。婚飛（交配）完成之後，蟻后便會脱掉翅膀，尋找合適的地點建立巢穴。建巢初期，蟻后產下的卵只會孵化出工蟻。這些工蟻雖然和蟻后一樣都是由受精卵發育而成的雌性，但她們沒有翅膀，不能飛翔，也沒有繁殖能力，終其一生維護着蟻巢。隨着蟻羣逐漸擴大，蟻后開始生產雄蟻和未來的蟻后。這些未來的蟻后有着發達的翅膀與卵巢，在下一個繁殖週期到來時，它們將會離開巢穴，進行自己的婚飛，建立新的巢穴，週而復始，生生不息。而原來的蟻后則在一批批的繁殖蟻成熟離巢的過程中逐漸老去，當她喪失生育能力時，蟻巢就走向了衰亡。
從超有機體的角度看蟻巢，完成婚飛的蟻后正如一個受精卵，它所產生的工蟻則如同受精卵生長分裂出的肌肉細胞、神經細胞等體細胞，而新生的雄蟻和蟻后就像精子和卵子等生殖細胞。受精卵不斷分裂、分化，併產生體細胞去維持有機體的功能；等到發育成熟，個體便會通過生殖細胞把遺傳物質傳給下一代，形成新的超有機體。
自惠勒提出“超有機體”的概念後，這一概念也被進一步應用到蜜蜂、胡蜂和白蟻等其他社會性昆蟲類羣上，並啓發着眾多生物學家從有機體的角度去研究社會性昆蟲。無獨有偶，在二十世紀初期，一位南非的詩人、律師和自然主義者，歐仁·馬來斯 （Eugène Marais）通過他對白蟻的長期觀察，也提出了把整個白蟻巢看作一個有機體的觀點[3, 4]。而有機體概念的提出，意味着社會性昆蟲的研究範式由社會學轉變到了有機體生物學，同時也提示着生物複雜性的演化除了從單細胞生物到多細胞生物（有機體）的轉變，還存在着從有機體到超有機體的轉變。
1995年，英國演化生物學家、遺傳學家約翰·梅納德·史密斯（John Maynard Smith, 1920-2004）和匈牙利理論演化生物學家埃洛斯·斯贊瑪（Eörs Szathmáry, 1959-）便提出，生命系統複雜性的演化在歷史上發生了八次重大轉變（Major transitions in evolution）。之所以稱為重大轉變，是因為這些轉變一般不可逆，且轉變後的複雜性均有了巨大的提升。例如，多細胞生物出現後，很少再次演化為單細胞生物，且複雜性（如細胞數和細胞種類）和單細胞生物不可同日而語，因此多細胞生物的出現可以被視為生命演化的“重大轉變”。同樣，超有機體出現後，物種的數目與多樣性急遽增加，演化學術語稱為“適應性輻射”（adaptive radiation），例如，白蟻有三千種，超有機體形式的高等白蟻就佔了兩千種。超有機體生物的巢內分工更是出現巨大的突破，比如在切葉蟻裏，單個蟻巢就可囊括多達八百萬只螞蟻，並有蟻后和大小形態各異的工蟻品級分化，而同一形態的工蟻品級，還有着不同的行為學分工。由此可見，超有機體的出現，的確是生物演化歷程中的一個里程碑。
從基因角度尋找超有機體存在的證據
儘管“超有機體”的概念已提出上百年，並吸引着無數科學家，但論證“超有機體的確存在”的證據仍停留在形態學與行為學上。隨着當代分子生物學技術的進展，我們能否從基因表達的層面上去證明蟻巢是超有機體呢？
要回答這個問題，我們可以從超有機體和多細胞有機體（多細胞生物）的相似性出發，並提出一個驗證假説的方法。
我們可以假設，如果一整個巢穴的螞蟻確實可以看成是一個超有機體的話，那麼它們的基因調控網絡（gene regulatory network）會如同多細胞有機體一般遵循相似的演化和發育規律。
例如，人類和猴類具有相同的祖先，因此，人和猴的同源器官（如大腦）必然受到同源的基因調控網絡所控制，這也是為什麼科學家用猴作為動物模型去研究人類疾病。同理，如果我們把蟻后和工蟻當成是蟻巢這一超有機體內的器官，我們應該可以預期在不同螞蟻物種（例如黑蟻、大頭蟻、紅火蟻、切葉蟻……）中，蟻后和工蟻的分工受到同源的基因網絡調控。
根據這個想法，一支由中科院昆明動物所、丹麥哥本哈根大學及華大基因聯合組成的團隊展開了工作（注：這支團隊由張國捷教授帶領，邱、戴兩位作者直接參與了部分項目）。幾年前，團隊利用微量RNA測序技術，對成年螞蟻腦組織進行基因表達分析。結果發現，調控工蟻和蟻后品級分工的基因調控網絡在不同螞蟻物種裏十分相似，而在螞蟻和蜜蜂裏則十分不同[5,6]。這是因為不同螞蟻物種的超有機體屬於同源性狀，而螞蟻和蜜蜂的超有機體則屬於趨同演化。這個發現提示我們，超有機體與多細胞有機體一樣受基因調控網絡的演化規律影響。
Tips
趨同演化（convergent evolution）指的是有着相似結構或性狀的物種，其相似性不是源於共同祖先的某一性狀，而是由外界原因所致（如長期處於相同的生活環境）。一個日常的例子是，昆蟲和鳥類都有翅膀，但並不是説它們共有一個有翅膀的祖先，而是它們分別獨自演化出了飛翔能力。
此後，團隊進一步祭出了單細胞轉錄組測序技術。假如説傳統的轉錄組測序類似於速寫，把生物器官的基因表達水平記錄下來，那麼單細胞轉錄組測序則好比高分辨率照相機，能夠記錄細胞水平的基因表達，常用於尋找生物組織裏的重要細胞類型和基因調控網絡。
對不同品級的螞蟻的腦組織進行單細胞測序後，我們發現，工蟻和蟻后的腦細胞組成具有明顯差異，且存在品級特異的腦細胞類羣。相比於蟻后，工蟻的腦組織裏有極高含量的中樞蘑菇體細胞（類似於人大腦的海馬體，負責學習記憶）和負責處理氣味信息的細胞，這正對應着工蟻在巢穴裏所需要的品級功能[7]。
更絕的是，蟻后在交配前後的腦細胞組成竟也是截然不同的。比起交配前的新生蟻后，交配後的蟻后的視葉細胞類羣在腦組織中丰度降低，而多巴胺細胞及其下游神經肽細胞，還有一類具有神經保護功能的膠質細胞——三者的丰度顯著增加。這些細胞丰度的變化或許與蟻后在交配後的生理、行為發生劇烈變化（如蟻后更多的留在巢穴，同時把更多的能量投入繁殖）和壽命延長相關。這意味着超有機體的腦品級分工有如多細胞生物的器官分工一般，有差別而又互補，還同時提示着交配前的蟻后類似於生殖細胞，而交配後的蟻后在蟻巢中則類似受精卵。
假如一隻螞蟻等於一個細胞
假如螞蟻巢穴中的個體就如同動物體中的細胞，超有機體與多細胞生物是否存在有機發育層面上的相似性呢？
現代表觀遺傳學的奠基人康拉德·霍爾·沃丁頓（Conrad H. Waddington，1905-1975）在《基因的策略》（The Strategy of the Genes）裏，把多細胞生物的胚胎髮育比喻為石塊從高山上滾落的過程，並稱之為表觀遺傳地形（Epigenetic landscape）（圖2）。
如圖2所示，最初，代表胚胎幹細胞的石塊處於山頂，有着很高的勢能，可以選擇不同的軌道滾落，相當於可以選擇發育成不同的細胞類型。隨着時間的推移，石塊沿着其中一條軌道滾落，同時勢能也降低了，好比幹細胞的分化開始。到了後期，不同軌道之間的距離與阻隔逐漸增大，石塊的軌道改變則變得越來越難，並最終使石塊限制在某一條軌道里。這就好比分化中的細胞逐漸喪失了分化成其他類型細胞的可能，而處於不同分化道路上的細胞，彼此間的差異會越來越大，直到分化成特定的細胞類型。這個現象被稱為渠化現象或者分軌化現象（canalization）。在多細胞生物胚胎髮育的表觀遺傳模型中，分軌化現象是最重要的一環。
假如超有機體是真實存在，我們就可以預期，工蟻和蟻后的分化同樣符合沃丁頓的表觀遺傳模型，並與多細胞生物的細胞分化過程有着相似之處。
事實的確如此！
我們採集了一千多個處於不同發育階段的螞蟻，並對這些螞蟻進行單個體轉錄組測序，去研究超有機體和多細胞生物發育的相似之處[8]。如果放在多細胞生物上，我們的實驗則類似於把一個多細胞生物（如小鼠）的每個重要發育階段都進行單細胞轉錄組測序，以獲得每個時期的基因調控圖譜。
使用這一實驗手段，我們發現，蟻后與工蟻雖然在發育的早期沒有外部形態差異，但兩者的基因調控網絡已截然不同。其中一些早期基因的表達差異甚至維持到成蟲階段，並只在蟻后的性腺和脂肪體這兩個重要的器官表達。這意味着，這些早期基因類似於維持細胞命運的轉錄因子，維持着螞蟻品級分化的命運。
隨着發育不斷成熟，品級不斷分化，正如沃丁頓的“表觀遺傳模型”所預測的一般，蟻后與工蟻的基因表達變得愈加不同，而同一品級螞蟻的基因表達則愈加相像。這意味着螞蟻的品級分化與細胞分化類似，其形態發育限制在特定的分化軌道，並朝着特定“目標”定向前進，且發育潛能隨着時間流逝而逐漸降低。這類似於從多能幹細胞到特定細胞類型（如肌肉細胞）的分化過程：越到後期，細胞的形態就越特異化，同時細胞的命運變得不可逆。同理，越到後期，一隻螞蟻的品級形態（決定了其在蟻巢中的功能）就越特異化，它的命運也變得不可逆——好像沃丁頓模型裏的石塊，不能再改變軌道。
此外，蟻后與工蟻的分軌化基因在不同的組織中，表達也不相同（具有特異性）：在蟻后身上，分軌化基因主要在翅肌細胞與卵巢上起作用，在工蟻身上，分軌化基因則在腦中表達。
這與螞蟻的品級分工和社會行為非常吻合。蟻后的翅膀與其相關肌肉的良好發育，對蟻后進行婚飛從而達到交配目的至關重要，蟻后的卵巢則可謂決定了蟻巢的存在與否——這很好的解釋了為何蟻后身上的分軌化基因主要在飛行肌和卵巢上表達。而工蟻主要負責覓食、照顧幼蟲、維持巢穴，這些工作對學習記憶能力和通訊能力的要求特別高——所以工蟻腦組織的基因表達至關重要。
我們的這些發現都意味着，工蟻和蟻后的分軌化基因表達均作用於品級分工，並以此優化蟻巢的生存與繁殖，類似於多細胞有機體的細胞分工，旨在優化有機體的生存與繁殖。可見超有機體的發育不僅僅是個體（單個螞蟻）層面的適應，更是超有機體（蟻巢）層面的適應。
以蟻為師
回到開篇的問題：我們可以從螞蟻身上學到什麼呢？
研究超有機體可以幫助我們理解生命複雜性的演化原理和多細胞有機體的起源。例如，儘管一部分生物可以通過獨立生活的單細胞聚集而成（如粘菌），但絕大多數複雜的多細胞生物是由單細胞（如受精卵）分裂發育而成的。與之相對應的是，現存已知的超有機體物種分支，包括螞蟻、蜜蜂、胡蜂，還有高等白蟻，均是由單配偶制（一夫一妻）社會性昆蟲演化而來。這可能並不是巧合。
從親緣關係的角度來看，單細胞分裂發育和單配偶制均能最大限度地保證後代間親緣關係。兩者均能保證後代間有着高度相似的遺傳物質，並使得整體內部的個體間“矛盾”最小。從這個角度而言，個體間有着高度相似的遺傳物質是多細胞有機體以及超有機體出現的必要條件。
研究超有機體還可以幫助我們學習多細胞有機體的內部複雜調控關係，並幫助我們理解生命複雜性的共同之處。
早在1953年，瑞士學者馬林·路丘（Martin Lüscher）（信息素概念的首創者之一）便提出，假如把一巢白蟻看成一個有機體，單個白蟻便正如一個細胞。此時，我們便可以通過研究白蟻的個體間相互作用和品級分化機制，去理解細胞間的信號傳遞和細胞分化原理[9]。此外，如同動物體內存在癌細胞等“自私的細胞”一般，超有機體裏也存在着“自私的工蟻”，她們會以蟻巢整體為代價偷偷進行繁殖（生產對巢穴“毫無貢獻”的雄蟻）。為此許多社會性昆蟲中都出現如同免疫細胞一般的“警察”行為，比如不少螞蟻物種的工蟻會把這些偷偷產下的卵吃掉，維持巢穴的穩定。因此，理解超有機體的調控可以讓我們更好的理解多細胞有機體的部分疾病發生。
超有機體還是研究長壽的模式生物。
同一個種羣乃至物種內部，個體間的壽命差異讓我們有機會去研究衰老的發生與調控機理。對大多數物種而言，有利於繁殖的基因通常會導致壽命縮短，因為生物體內有一套維持機體（壽命）和繁殖的權衡機制——在相同能量情況下，機體的維持與繁殖可謂魚與熊掌的關係。可是，在同一螞蟻物種裏，不能繁殖的工蟻只能活數月到數年，而有記錄的蟻后壽命最長卻可達二十八年！蟻后成了既可繁殖又能長壽的典型代表。在最近的《科學》（Science）雜誌裏，有學者讓跳鐮猛蟻（Harpegnathos saltator）的工蟻轉變為生殖蟻（偽蟻后），發現這些工蟻的壽命增長了五倍！其中胰島素信號通路或許起到了重要的作用[10]。
從超有機體的角度去看，工蟻類似於多細胞生物的體細胞，而交配前後的蟻后則類似於多細胞生物的生殖細胞和幹細胞。從生物體的角度而言，體細胞處於隨時更新換代的狀態——我們每小時都有42億個細胞死亡、被取代，而生殖細胞和幹細胞則決定了生物體的繁衍與存活。因此，從演化的角度來看，蟻后比工蟻長壽似乎是理所當然的。然而，不同螞蟻物種的社會結構差異巨大，與之對應的，則是不同螞蟻物種的蟻后與工蟻壽命相差可從幾倍到十幾倍不等。理解其背後的演化生物學原理和調控機制，或許可以讓我們一窺長壽的奧秘。
致謝：
感謝中國科學院昆明動物研究所冉浩老師對本文的審讀和建議。
參考文獻
[1] 李筠讀《螞蟻社會》｜螻蟻的帝國雄心 (上海書評:https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_15990209)
[2] Wheeler, W. M. The ant‐colony as an organism. J Morphol 22, 307--325 (1911).
[3] 冉浩. 動物王朝. 北京: 中信出版集團(2020).
[4] 白蟻城堡：神奇的建築帝國. 冉浩 (https://m.fx361.com/news/2021/0830/8812703.html)
[5] Nagel, M. et al. The gene expression network regulating queen brain remodeling after insemination and its parallel use in ants with reproductive workers. Sci Adv 6, eaaz5772 (2020).
[6] Qiu, B. et al. Towards reconstructing the ancestral brain gene-network regulating caste differentiation in ants. Nat Ecol Evol 2, 1782–1791 (2018).
[7] Li, Q. et al. A single-cell transcriptomic atlas tracking the neural basis of division of labour in an ant superorganism. Nat Ecol Evol 6, 1191–1204 (2022).
[8] Qiu, B. et al. Canalized gene expression during development mediates caste differentiation in ants. Nat Ecol Evol 6, 1753–1765 (2022).
[9] Lüscher, M. The termite and the cell. Sci Am 188, 74–78 (1953).
[10] Yan, H. et al. Insulin signaling in the long-lived reproductive caste of ants. Science 377, 1092–1099 (2022).
出品：科普中國
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