تحولت طفرة النمل إلى طفيليات في جيل واحد

عند الباحث دانيال كروناور كان لا يزال باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراة في عام 2008 ، وسافر إلى أوكيناوا ، اليابان ، للحصول على عينات برية من النمل المهاجم النسيلي (الأنواع أوسيريا بيروي). في المستعمرة الأولى التي جمعها ، لاحظ وجود نملين بمظهر غريب. كانوا صغارًا مثل العمال ، لكنهم كانوا أيضًا يرتدون براعم أجنحة صغيرة ، وهو أمر مذهل لأن ملكات النمل عادة فقط هي التي تطور الأجنحة. ما جعل هذا الأمر أكثر غرابة هو أن النمل المهاجم النسيلي ليس لديه حتى ملكات: تماشيًا مع أسمائهم ، يتكاثر هؤلاء النمل بلا جنس ، لذا فإن جميع النمل في المستعمرة هم تقريبًا استنساخ جيني مثالي.

كان كروناور مفتونًا بالملكات المصغرة لأنها بدت مختلفة تمامًا عن النمل المهاجم النسيلي الآخر على الرغم من أنه كان يعتقد أنها من نفس النوع. لكن الإجابات على أسئلته لم تكن وشيكة ، لذلك أخذ بعض العينات ، والتقط بعض الصور للتسجيلات ثم انتقل إلى عمله.

بعد بضع سنوات ، أنشأ كروناور مختبرًا في جامعة روكفلر وأنشأ مستعمرة من النمل المهاجم النسيلي للدراسة. ذات يوم ، كان طالب الدكتوراه باك تريبل وجدت عددًا قليلاً أكثر من الملكات المصغرات في تلك المستعمرة وقررت تمييزهن.

وجدت تريبيل أن الأجنحة لم تكن هي الخاصية غير العادية الوحيدة للنمل. أظهر النمل الغريب أيضًا سلوكيات اجتماعية مختلفة ، وكان لديه مبيض أكبر ويضع ضعف عدد البيض. باستخدام الأدوات الجينية ، تتبع كل هذه التغييرات إلى امتداد 2.25 مليون زوج قاعدي من الحمض النووي. في النمل العادي ، كان الحمض النووي في كل من نسختين من الكروموسوم 13 مختلفًا. لكن في النمل المصغر ، كانت النسختان متطابقتين.

مثل Trible و Kronauer وزملائهم ذكرت مارس in علم الأحياء الحالي، جميع خصائص النمل الغريب - الأجنحة ، والسلوكيات الاجتماعية ، والصفات الإنجابية - نتجت عن ما يسميه علماء الوراثة الجينات الفائقة ، وهي مجموعة من الجينات الموروثة كوحدة ومقاومة للغاية للتفتت. في مرحلة ما من تطورهم ، حصل النمل على نسخة ثانية من هذا الجين الفائق ، وهذا التغيير الكروموسومي قد غيّر أجسادهم وسلوكياتهم. اقترحت النتائج آلية جديدة لكيفية ظهور مجموعات معقدة من أجزاء الجسم والسلوكيات في بعض الأحيان دفعة واحدة في التطور: من خلال طفرة تكرر جينًا فائقًا ، وتبديل مجموعات كاملة من السمات مثل سلاسل الأضواء التي يتحكم فيها مفتاح الضوء.

باحثو النمل متحمسون لهذا العمل ، وليس فقط لأنه يبدو أنه يحل لغزًا عمره عقود حول كيفية تطور شكل واحد على الأقل من أشكال التطفل الاجتماعي في الحشرات. قد تساعدهم اكتشافات الجينات الفائقة أيضًا في تحديد الميزات التي طال انتظارها في العمارة الجينية للنمل والتي تجعل مستعمراتهم تتطور كطبقات هرمية من الملكات والعاملين.

على نطاق أوسع ، تقدم الدراسة الجديدة أيضًا رؤى حول سؤال تطوري أساسي حول مدى اختلاف الأفراد في نوع واحد.

قال "الشيء الأكثر إثارة في هذه الدراسة هو عدد الاتجاهات المستقبلية التي تفتحها" جيسيكا بورسيل، عالم الوراثة التطورية في جامعة كاليفورنيا ، ريفرسايد الذي يدرس جينومات النمل.

مفارقة التطفل

يجذب النمل انتباه الباحثين مثل Kronauer و Trible لأن معظم الأنواع لها بنية اجتماعية مرتبطة ببيولوجيتها. في العش النموذجي ، تترأس نملة ملكة إنجابية كبيرة جحافل من العاملات الأصغر غير الإنجاب من بناتها. يبني العمال عشًا ، ويجمعون الطعام ، ويصدون الغزاة ، ويعتنون بصغار المستعمرة ، ويحررون الملكة لتضع البيض فقط.

ومع ذلك ، فإن بعض أنواع النمل تحيد عن تلك الخطة من خلال الانخراط في أشكال التطفل الاجتماعي - أي أنها تستغل البنية الاجتماعية لأنواع النمل الأخرى. فالنمل الذي يصنع العبيد ، على سبيل المثال ، يسرق اليرقات من أعشاش أخرى ويطبعها كيميائياً ليصبحوا عمالاً يخدمون ملكة النخاسين.

منذ عدة عقود ، لاحظ الباحثون أن بعض أنواع النمل تستخدم نوعًا أكثر سرية من التطفل. فقدت الطفيليات طبقة العمال. للبقاء على قيد الحياة ، تتسلل ملكاتهم الصغيرة إلى مستعمرات أنواع النمل الأخرى وتضع البيض هناك. ثم يقوم العمال المضيفون المستغلون بعمل كل شيء من أجلهم ، من رعاية حاضناتهم إلى حمايتهم وإطعامهم. تسمى هذه العلاقة بين الأنواع التطفل الإجباري ، لأن الطفيليات لا يمكنها البقاء على قيد الحياة بمفردها.

هذه الطفيليات الاجتماعية غير العاملة ، والتي تسمى أحيانًا inquilines (من الكلمة اللاتينية التي تعني "المستأجرين") ، لها مظهر مميز يميزها بسهولة عن مضيفيها في نظر الإنسان. لكن مخططهم الطفيلي نجح لأنهم طوروا طرقًا لسرقة الروائح الكيميائية من عش المضيف لتمويه أنفسهم.

أظهرت التحليلات الجينومية أن أنواع النمل المستقيمي قد تطورت بشكل مستقل عشرات المرات ، وكلها تقريبًا تتطفل على أنواع مرتبطة ارتباطًا وثيقًا تبدو وتتصرف كما يفعل النمل عادة. بالنسبة لعلماء الأحياء التطورية ، شكل ذلك لغزًا: كيف يمكن لنوع جديد من الطفيليات الاجتماعية الملزمة أن يتطور من الأنواع المضيفة؟ إذا كان أسلافهم قد عاشوا معًا في نفس العش ، لكانوا قد تزاوجوا بسهولة.

لسنوات عديدة ، افترض الباحثون أن الخطوة الأولى كانت العزلة الإنجابية: أن أسلاف الإنكولين الأوائل كانوا نملًا طبيعيًا تم عزلهم تكاثريًا عن أقاربهم لفترة كافية للابتعاد عنها وراثيًا وتصبح نوعًا جديدًا. يمكنهم العيش بمفردهم ، لكن بعضهم اكتشف في النهاية فوائد التسلل مرة أخرى إلى أعشاش أسلافهم للحصول على المساعدة. ازداد اعتمادهم على مضيفيهم تدريجياً ، وتطورت من حالة التطفل الاختيارية أو "الاختيارية" إلى التطفل.

أوضح كروناور أن المشكلة في هذه الفكرة هي أنه لم يلاحظ أحد في البرية ما يجب أن يكون خطوة مبكرة أساسية للعملية: العيش الحر والطفيليات الاجتماعية الاختيارية التي تعيش في عزلة عن أقاربها المقربين.

النتائج الجديدة لـ Trible و Kronauer تقلب الافتراضات السابقة رأساً على عقب. ركز السيناريو البديل الخاص بهم على زوج من الجينات الفائقة غير المتطابقة في النمل المهاجم النسيلي. في وقت ما في التاريخ ، شهد أحد هؤلاء النمل طفرة استبدلت الجين الفائق في أحد الكروموسوم بنسخة من الجين الفائق من الكروموسوم الآخر. يمكن أن تكون النملة الطافرة الناتجة ذات نسختين من النسخة "الطفيلية" من الجين الفائق قد تطورت فجأة إلى ملكة مصغرة تشبه إلى حد كبير الملكة.

أظهر العمل أن طفرة واحدة في الجين الفائق كانت كافية لإنتاج مجموعة كاملة من التغييرات التي لوحظت في الطفيليات الملزمة ، حتى قبل أن ينفصل النمل عن طريق الانتواع.

قال تريبيل ، الذي يعمل الآن في جامعة هارفارد: "يمكنك الانتقال من العيش الحر إلى التطفلي الإجباري في خطوة واحدة ، ولا تحتاج إلى اتخاذ عدد من الخطوات التدريجية التي تتضمن مجموعة من السكان الوسيطين الاختياريين المعزولين بشكل تناسلي". "ما يمكننا التأكد منه هو أن الوالد الذي يعيش بحرية لديه ابنة كانت على الفور طفيليًا ملزمًا."

وتابع: "هذا هو السيناريو الذي لم يسبق له مثيل من قبل أي من منظري التطور الكلاسيكيين ، لأن هذا هو السيناريو الذي كان يُعتقد أنه قفزة كبيرة جدًا بالنسبة لك."

قال كروناور إن حقيقة أن طفرة واحدة يمكن أن تغير كل هذه السمات في خطوة واحدة "يغير حقًا الطريقة التي نفكر بها في تطور هذه الطفيليات الاجتماعية الغريبة غير العاملة".

قوة Supergenes

لا يُعرف سوى القليل عن التاريخ التطوري للجين الفائق على الكروموسوم 13 الذي يمنح النمط الظاهري للطفيلي الاجتماعي. ومع ذلك ، فمن غير المرجح أن تكون قد تطورت في الأنواع المستنسخة مثل النمل المهاجم. قال: "كان النمل النسيلي آخر مكان للبحث عن الجينات الفائقة" ميشيل شابويزات، الذي يدرس جينات النمل العملاقة في جامعة لوزان في سويسرا.

والسبب هو أن جميع النمل في الأنواع المستنسخة متطابقة وراثيًا: بغض النظر عن الطفرات العشوائية ، فإن جينوماتها تنتقل دون تغيير من الأب إلى الطفل. ومع ذلك ، يحدث شيء أكثر تعقيدًا في الأنواع التناسلية.

في الخلايا التي تنتج البويضات والحيوانات المنوية ، تصطف نسخ الكروموسومات الأمومية والأبوية وتتبادل الأجزاء المقابلة من الحمض النووي. تسمح عملية "إعادة التركيب" هذه بإعادة ترتيب مجموعات السمات الموروثة عشوائيًا ؛ بدونها ، سيتم حبس الجينات في سلالات الأم أو الأب إلى الأبد.

وبسبب إعادة التركيب ، كان من الممكن تجميع جينات السلوكيات الطفيلية المختلفة بشكل عشوائي على الكروموسوم 13. وكان الانتقاء الطبيعي سيفيد بقوة اتحاد تلك الأليلات التي تعمل معًا بشكل جيد. قال تريبيل: "إذا كان لديك جين محدد للطفيلي ، يمكنك وضع مجموعة من الجينات الأخرى بجانبه تدريجيًا تجعل [النملة] أفضل وأفضل في كونها طفيلية".

ربما أدى إعادة التركيب في النهاية إلى فصل هذه الجينات مرة أخرى ، لكن حدث تدخل جيني مصيري. في بعض الأحيان ، عندما يتم إصلاح الكروموسومات بعد تلفها ، يتم إعادة إدخال قطعة من الحمض النووي في اتجاه مقلوب. نظرًا لأن الحمض النووي المقلوب لا يمكن أن يصطف مع نظيره الكروموسومي ، فإنه لا يمكن إعادة الاتحاد ، لذلك يتم إغلاق أي جينات في الحمض النووي معًا بشكل دائم كوحدة وراثية جديدة - جين فائق.

قد يكون هذا هو ما حدث على الكروموسوم 13: كان من الممكن أن يؤدي الانعكاس في امتداد الحمض النووي المكون من 2.25 مليون زوج قاعدي إلى تجميع سمات التطفل الاجتماعي كجين فائق ، والذي حافظ عليه الانتقاء الطبيعي بعد ذلك. أشارت بورسيل إلى أن الكثير من الأبحاث تدور حول طرق أخرى يمكن أن يظهر بها جين فائق مثل هذا ، ولكن "هناك فائدة قوية لوجود الأليلات التي تعمل جيدًا معًا ، وتجمع معًا في منطقة ذات إعادة تركيب منخفضة" ، على حد قولها.

يعتقد شابويزات أنه من المحتمل أن يكون الجين الفائق لجميع الصفات الطفيلية المرصودة قد تطور على مدى فترة طويلة في سلف جنسي لنمل رايدر نسيلي. كان من الممكن أن يتجلى التطفل في النمل الذي يحمل نسختين من الجين الفائق ، وكان النمل الذي لديه نسخة واحدة أو لا يحتوي على أي نسخة هو مضيفه. عندما أصبح النمل المهاجم نسيليًا ومتغاير الزيجوت ، بنسخة واحدة فقط من الجين الفائق ، اختفى السلوك الطفيلي - لكن استمر الجين الفائق. وعندما خلقت طفرة في النهاية غزاة نسليين متماثلين ، أعيد تنشيط سمات الجينات الفائقة الخاملة وظهرت المسوخات المصغرة الشبيهة بالملكة بين عشية وضحاها.

إعادة ترتيب الكروموسوم وتطوره

هذا الجين الفائق النمل بعيد كل البعد عن أن يكون مثالاً معزولاً ؛ إذا كان هناك أي شيء ، فقد يوضح طريقة أكثر عمومية ولا تزال لا تحظى بالتقدير الكافي والتي تتطور بها العديد من السمات المعقدة.

"هناك المزيد والمزيد من الدراسات التي تُظهر لنا أن إعادة ترتيب الجينوم يمكن أن يكون لها تأثير أساسي على السلوك والتنظيم الاجتماعي للأنواع ،" كريستيان رابلينج، عالم الحشرات في جامعة هوهنهايم في شتوتغارت ، ألمانيا ، الذي يدرس كيفية تطور التطفل الاجتماعي في النمل.

في 30 مليون سنة ، والتكاثر جنسيا من جنس فورمايكا النمل ، على سبيل المثال ، هناك ما لا يقل عن أربعة سلالات يحدد فيها الجين الفائق المشترك ما إذا كانت مستعمرتهم ستحتوي على ملكة واحدة أو أكثر. قال بورسيل إن مجموعات أخرى من النمل لديها جينات فائقة تطورت بشكل مستقل ، وتتحكم في مجموعات السمات السلوكية والمورفولوجية المهمة لنمط حياتهم.

كل هذه الجينات الفائقة يمكن أن تكون ما يسميه تريبيل وغيره من الباحثين الآن "الكروموسومات الاجتماعية". تمامًا كما تحدد الكروموسومات الجنسية X و Y في البشر الجنس ، تحدد الجينات الفائقة في النمل التنظيم الاجتماعي للمستعمرات. إنها ليست مقارنة ساطعة لـ Trible. تقوم كل من الجينات الفائقة والكروموسومات الجنسية بتجميع الجينات التي يتم توريثها دائمًا معًا وتمنح جماعيًا مجموعات من السمات. مثلما تكون بعض السمات المرتبطة بالجنس مفيدة للذكور أو الإناث ولكن ليس كلاهما ، يمكن أن تكون الجينات الطفيلية الفائقة مفيدة للإنكويلينات متماثلة اللواقح ولكن ليس للمضيفات متغايرة الزيجوت.

قال تريبيل: "لسبب ما ، وضع علماء الوراثة السكانية الكروموسومات الجنسية جانبًا كشكل منفصل من أشكال التطور". على الرغم من أنه لا يزال من غير المؤكد مدى شيوع الكروموسومات الاجتماعية ، "ما [هم] يخبروننا به هو أن الجينات الفائقة موجودة في كل مكان ، والكروموسومات الجنسية هي حالة خاصة من الجينات الفائقة."

ما زالت الجينات وعناصر التحكم المجمعة داخل الجينات الفائقة للنمل المهاجم النسيلي غير معروفة. لكن تشريح هذا الجين الفائق وغيره في أنواع النمل المختلفة قد يكشف شيئًا عن تطور وتطور الطوائف في مستعمرات النمل. عندما تتطور يرقة النمل ، تحدد الإشارات البيئية ما إذا كانت ستصبح ملكة أم عاملة ، وهو قرار يحدد سلوك اليرقة وحجم جسمها وتطور أجنحتها ومبيضها وقدرتها على وضع البيض. ترتبط هذه السمات ارتباطًا وثيقًا لدرجة أن الباحثين اكتشفوا أن تغيير إحداها تجريبيًا عادةً ما يؤدي إلى جذب الآخرين معها. يعتقد كل من Trible و Kronauer أنه من خلال تعلم كيفية تغيير الجينات التطفلية الفائقة للعلاقة بين حجم الجسم والسمات الأخرى المرتبطة بالملكة ، قد يتمكن الباحثون من الكشف عن الآليات الجينية لتطور الطبقات الطبيعي.

الانتواع والتطور والتطفل

يثير عمل Trible و Kronauer أيضًا أسئلة أخرى حول التطور والتطور ، بما في ذلك كيفية ارتباط طفرة الجينات الفائقة بالانتواع. في ال فورمايكا لا يبدو أن النمل والمستعمرات ذات الملكة المفردة والمتعددة الملكات تنقسم إلى سلالات مستقلة. يبدو أن كلا الشكلين من الجين الفائق يتم الحفاظ عليهما بشكل مريح كـ "تعدد الأشكال" داخل نوع واحد.

بالنسبة إلى شابويزات ، السؤال هو ما إذا كانت الطفرات الشبيهة بالملكة هي "سلالة غشاش" تتصرف مثل طفيلي داخل أنواع النمل المهاجم النسيلي. "أم أنها في طريقها لتصبح نوعًا منفصلاً؟" سأل.

يقول بورسيل إن الكيفية التي يمكن أن يحدث بها انتواع بالضبط بعد ظهور النمط الظاهري الطفيلي هو لغز ، لكن هذا النوع من الطفرات الجينية العملاقة يوفر آلية معقولة للانتواع السريع من خلال التطفل الاجتماعي. ومع ذلك ، حذرت هي وشابويزات من أن كل هذه الأسئلة والتكهنات معقدة بسبب الانزلاق في تحديد نوع ما في كائن حي نسيلي مثل هؤلاء النمل.

لإثبات أن طفرة الجينات الفائقة هي في الواقع الآلية التي تتطور بها أنواع الطفيليات الاجتماعية ، يقترح رابيلينج أنه سيكون من المهم معرفة ما إذا كانت الانقلابات على الكروموسومات ، وهي السمات الهيكلية للجينات الفائقة ، موجودة في العديد من أزواج الطفيليات المضيفة. هل تمتلك العشرات من أنواع النمل الاستقصائي الأخرى طفرات جينية فائقة مماثلة؟

يعتقد رابلينج أنه قد تكون هناك آليات أخرى ، مثل التهجين ، يمكن أن تخلق أيضًا الجين الفائق مع هذه المجموعة من السمات. قال: "أتوقع أنه ليس هناك آلية واحدة فقط لكيفية تطور التطفل الاجتماعي ، ولكن من المحتمل أن يكون هناك العديد من الآليات المختلفة". "وكلما زاد عدد الأنظمة التجريبية التي ندرسها ، زادت آليات أصل التطفل الاجتماعي التي من المحتمل أن نجدها".