通过改变胰岛素反应，蚂蚁的寿命延长了 10 倍

产生许多后代的动物往往寿命较短，而多产物种往往寿命较长。 蟑螂在不到一年的时间内产下数百个卵。 老鼠在一两年内生下几十个孩子。 座头鲸每两三年只产一头小鲸鱼，而且寿命长达数十年。 经验法则似乎反映了进化策略，这些策略将营养资源用于快速繁殖或为了长期优势而变得更加健壮。

但蚁后可以拥有一切。 在某些蚂蚁物种中，蚁后寿命超过 30 年，同时产下成千上万的卵，这些卵成为巢中的所有工蚁。 相比之下，不繁殖的雌性工蚁只能活几个月。 然而，如果情况需要，某些物种的工蚁可以为了巢穴的利益而挺身而出成为伪蚁后——并显着延长它们的寿命。

蚂蚁寿命如此巨大的原因我们知之甚少，但最近的两项研究揭示了蚂蚁寿命为何如此灵活的重要细节。 In 科学纽约大学的研究人员表明，一些蚁后会产生一种抑制胰岛素衰老作用的蛋白质，这样它们就可以消耗掉产卵所需的所有额外食物，而不会缩短它们的寿命。 而在 预印本 最近在 biorxiv.org 服务器上发布的德国研究人员描述了一种寄生虫，该寄生虫通过分泌丰富的抗氧化剂和其他化合物的混合物，大大延长了蚂蚁宿主的寿命。 这两项研究都进一步证明，观察到的生物体寿命与其基因施加的限制几乎没有关系。

“大多数关于衰老的研究都是在寿命很短的模式生物上进行的，”说 洛朗·凯勒，瑞士洛桑大学生态学与进化学教授。 他解释说，群居昆虫为研究基因表达在衰老中的重要性提供了极好的机会，因为蚁后和蚁群中的工蚁通常具有相同的基因组，但它们的寿命却相差一个数量级。 （二十年前，凯勒证明蚁后的寿命大约是蚂蚁进化而来的祖先独居昆虫的 100 倍。）

而且由于工蚁的寿命很短，“你可以想办法让他们活得更久，”他说 阿朱那拉惹古玛，现在在麻省理工学院怀特黑德研究所研究工蚁繁殖限制的博士后研究员，最近完成了他在麦吉尔大学的研究生工作。 令人兴奋的可能性是，延长昆虫寿命的代谢机制也可能适用于其他物种，包括人类。 “我们想了解如何让某些东西活得更久，而不仅仅是 [just] 为什么某些东西活得这么久，”他说。

少吃多吃

几十年来，研究指出胰岛素及其激活的生化信号系统是衰老的关键调节剂。 胰岛素会影响身体细胞吸收和使用葡萄糖的方式，因此它对细胞生长、繁殖和修复所需的能量有根本性的影响。 在这个过程中，它还调节潜在有害的自由基和其他氧化分子的产生，这些氧化分子是新陈代谢的副产品。 许多研究人员怀疑，这就是为什么保持低胰岛素水平的热量限制饮食似乎可以延长许多物种的寿命。

此外，胰岛素似乎对蚂蚁具有额外的意义。 几年前，进化生物学家领导的工作 丹尼尔克罗瑙尔 洛克菲勒大学的研究表明， 蚂蚁对胰岛素的反应 似乎已经诱使他们发展出具有生殖女王和非生殖工人的利他主义殖民社会。

所以四年前，当 维克拉姆钱德拉 当他在洛克菲勒大学研究蚁后和工蚁之间的差异时，他非常关心胰岛素。 他和 英格丽德·费特-普鲁内达当时是该实验室的博士后研究员，他与他人共同领导了一个研究小组，研究了七种蚂蚁的基因表达，并得出结论，蚁后大脑中发生的胰岛素信号比工蚁更多。 当他们给工蚁注射胰岛素时，它会激活它们休眠的卵巢并引发卵子发育。 负责这项研究的克罗瑙尔表示，这些发现表明胰岛素信号传导导致蚂蚁繁殖。

作为生物学家之间长期合作的一部分，这一发现为开展新工作奠定了基础 克劳德德斯普朗 和 丹尼·赖因伯格 在纽约大学。 他们表明，进化已经重新连接了蚂蚁体内胰岛素信号通路的某些成分，这可以解释为什么蚁后寿命更长。

Desplan 和 Reinberg 研究了印度跳蚁（Harpegnathos 跳跃者), 它们的蜂后大约能活 XNUMX 年，而工蜂只能活大约 XNUMX 个月。 但在这个物种中，这种寿命差异并不是一成不变的。 如果蜂后死亡或被移出蜂群，工蚁几乎会立即从蜂后的气味消失中感觉到变化。 他们中的一些人随后成为“玩家门”（伪女王），为争夺统治地位而决斗以取代她的位置。 最终，少数获胜的游戏门——通常在三到五个之间——共同接管了蜂王的角色，成为蜂群的产卵者。 然后其他工人“监管”任何多余的游戏门，强行阻止它们产卵。

然而，游戏门的行为并不是唯一发生变化的事情：它们发育出功能性卵巢并可以产卵——它们的寿命可以延长到三四年。 因为 gamergates 不像蜂后那样多产，所以通常需要三到五个才能取代蜂后的蛋产量。 如果将 gamergate 引入女王居住的殖民地，则 gamergate 会恢复为工人，她的寿命会缩短。

当一名工人成为游戏门时，她的新陈代谢会发生变化。 她吃得更多，由此导致的胰岛素水平升高引发了卵巢的发育。 她用这些食物来制造脂质，这些脂质被包装到鸡蛋中。 但根据之前对胰岛素和衰老的研究，纽约大学的研究人员曾预计，更强的胰岛素信号将与更短的寿命相关，而不是更长的寿命。

研究人员在胰岛素信号传导的细节中找到了答案。 当胰岛素与其细胞表面的受体结合时，它会在细胞内引发级联反应，包括两种不同的化学途径。 一条途径激活一种叫做 MAP 激酶的酶，对新陈代谢和卵巢发育至关重要。 另一条途径抑制了一种转录因子，这种转录因子似乎可以延长寿命。 令研究人员惊讶的是，当他们观察 gamergates 中的卵巢和脂肪体（大致相当于哺乳动物的肝脏）时，他们发现 MAP 激酶通路处于活跃状态，而另一个则没有。

进一步的研究表明，gamergates 的卵巢强烈表达一种蛋白质 Imp-L2，它忽略了 MAP 激酶途径，但干扰了脂肪体内的第二条途径。 “这种蛋白质似乎具有保护允许新陈代谢的途径，但抑制导致衰老的途径的功能，”德斯普兰说。

其他研究人员指出，这项新研究并未明确表明 Imp-L2 会影响寿命：Desplan 和 Reinberg 并未直接测试激活工人体内的蛋白质是否会使他们活得更久，或者在 gamergates 中抑制它是否会使他们死亡早点。 这样的实验具有挑战性，因为它们可能需要给蚂蚁注射胰岛素抑制剂数月或数年。

尽管如此，Desplan 和 Reinberg 关于蚂蚁正在操纵胰岛素信号系统的不同分支的提议是“一个非常合理、有趣的假设，”目前是哈佛大学博士后研究员的钱德拉说。 “如果它能刺激更多的实验室尝试对此进行测试，那就太棒了。”

由于在果蝇身上进行基因实验比在蚂蚁身上进行更容易，德斯普兰的团队现在正在研究他们是否可以延长蚂蚁的寿命 果蝇 果蝇通过激活它们的 Imp-L2 表达。 有朝一日，德斯普兰希望也能在老鼠身上进行实验。 “我们有很多令人兴奋的工作要做，”他说。

延长寿命的寄生虫

奇怪的是，大自然似乎已经在另一个物种中进行了自己版本的类似实验。 德国的研究人员最近发现，寄生绦虫已经进化出一种能力，可以操纵蚂蚁寿命的极端可塑性，为自己谋取利益。

绦虫必须在橡子蚁体内度过其生命的一部分（夜蛾)，它们的名字来源于它们在单个橡子中建造的巢穴。 工蚁外出觅食时，有时会误食绦虫卵而感染。 但是要完成它的生命周期，绦虫还需要感染啄木鸟，当啄木鸟吃掉蚂蚁的橡树果时，它就有了机会。

几年前，Sara Beros，实验室的一名学生 苏珊娜福兹克 在德国美因茨的约翰内斯古腾堡大学，打开了一些橡子蚁巢，并奇怪地发现，虽然所有未受感染的工蚁在他们几个月的观察期间都死了，但受感染的工蚁却没有。 （被寄生的蚂蚁很容易识别，因为它们的颜色会从棕色变成黄色。）当 Beros 告诉 Foitzik 此事时，Foitzik 回忆道：“这不可能。 一切都会死去。” 但 Beros 坚持认为，“所以我们对其进行了适当的调查。”

去年夏天在国际社会性昆虫研究联盟的一次会议上展示并在圣诞节前夕发布在 biorxiv.org 预印本服务器, Foitzik 的团队表明，在蚂蚁体内的绦虫幼虫阶段，它会将蛋白质泵入蚂蚁的血液（血淋巴）中，从而显着延长工蚁的寿命。 与印度跳蚁不同，橡子蚁通常不会发育成配子门，因此寄生虫延长它们的生命没有自然先例。

“效果超强，”Kronauer 说。 在为期三年的实验中，受感染工蚁的寿命是未受感染工蚁的五倍，死亡率与蚁后一样低。 寄生虫的操纵大大延长了工蚁的寿命，“基本上你无法将它与蚁后区分开来，”他说。

尽管受感染的橡子蚁工蚁不会繁殖，但它们确实在几个方面变得更像蚁后，Foitzik 说： 如果将蜂王移出巢穴，它们也是最早发育卵巢的工蚁。

Foitzik 和她的团队发现，绦虫幼虫会产生 250 多种蛋白质并将其分泌到受感染蚂蚁的血淋巴中——足以构成所有循环蛋白质的 7% 左右。 大多数蛋白质尚未被表征，但其中两种可被鉴定为抗氧化剂。 “所以看起来 [tapeworm] 正在向蚂蚁释放抗氧化剂，这可能会延长寿命，”她说。

当 Foitzik 和她的团队测量被寄生的蚂蚁基因表达的变化时，他们发现被感染的蚂蚁也产生了更多的抗氧化剂。 此外，蜂后和受感染的工蚁更多地表达了一种叫做 银，但未受感染的工人却没有。 研究人员之前将 银 延长果蝇寿命的基因。

虽然很明显当工蚁变得更像蜂王时会发生一系列发育和代谢变化，但很难区分哪些变化对延长寿命最重要。 胰岛素和抗氧化剂很重要，但凯勒认为许多其他因素也可能发挥作用。 “所以我认为不会有单一的途径可以简单地解释寿命的差异——你可能需要改变很多事情，”他说。

凯勒认为关于寄生虫的发现很吸引人，因为寄生虫通常会缩短而不是延长寿命。 但在这种情况下，蚂蚁寿命的延长似乎也适应了寄生虫：绦虫需要在受感染的蚂蚁体内存活足够长的时间，以便啄木鸟找到橡子并将其吃掉。 如果工人在此之前死亡，则绦虫也会随之死亡。 通过将工人的寿命延长数年，绦虫提高了啄木鸟最终出现的几率。 血淋巴中丰富的抗氧化剂也可能有助于绦虫幼虫与宿主一样长寿。

“这里的寄生虫正在利用社会宿主，”Foitzik 解释道。 寄生孤独的无脊椎动物是没有意义的，因为它们永远不会活这么久。 “但在群居昆虫中，蚁后已经在安全的巢穴中生活了 20 年，你可以玩那种把戏。”

更正：10 年 2023 月 XNUMX 日
本文的早期版本忽略了 Fetter-Pruneda 对与 Chandra 一起研究蚂蚁种姓之间基因表达差异的研究的贡献。