Dieses „nutzlose“ Organ bestimmt, welche Ameisen zu großen Soldaten heranwachsen

Ameisenkolonien haben in den letzten 150 Millionen Jahren einige überraschende kollektive Merkmale entwickelt, so dass sie auf der Erde krochen. Feuerameisen verbinden sich, um zum Beispiel furchterregende Flöße zu bauen, und einige Ameisen bauen instinktiv perfekt wirksame Ameisenbrücken, um Nahrung zu sammeln.

Diese Insekten scheinen auch in der Lage zu sein, ihre Population zu kontrollieren und ein festgelegtes Verhältnis von Soldaten zu Arbeitern aufrechtzuerhalten. Wie solche Ameisenkastensysteme entstanden sind, ist für Entomologen ein Rätsel. Eine heute in Nature veröffentlichte Studie zeigt jedoch, dass es mit einem Organ zu tun hat, das lange für nutzlos gehalten wurde - Flügelscheiben.

"Diese Kastensysteme sind eines der wichtigsten ungeklärten Phänomene der phänotypischen Evolution", sagt Scott Powell, Ameisenbiologe an der George Washington University in Washington DC.

Die Flügelscheiben, winzige Zelltaschen, sind dazu bestimmt, Flügel einer Königin zu werden, aber sie wachsen in den Larven und sterben dann während der Metamorphose, um flügellose Soldaten hervorzubringen. Die Studie zeigt, dass diese rudimentären Flügelscheiben doch nicht so rudimentär sind, sondern die Entwicklung der Ameisenlarven beeinflussen.

"Der wirklich wichtige Punkt bei dieser Arbeit ist, dass rudimentäre Organe und Überreste, von denen lange angenommen wurde, dass sie keine Funktion haben, tatsächlich wichtige Signalfunktionen während der Entwicklung haben könnten", sagt der Evolutionsentwicklungsbiologe Ehab Abouheif von der McGill University, der leitende Autor der neue Studie. (Haftungsausschluss: Ich habe vor der Veröffentlichung mit Abouheif über seine Forschungsergebnisse gesprochen und er hat mich in die Danksagung des Papiers aufgenommen.)

Die sich entwickelnden Soldatenlarven produzieren große, rudimentäre Flügelscheiben, die Larven der Arbeiter hingegen nicht. Früher wurde angenommen, dass die Flügelscheiben während der Metamorphose einfach absterben, doch sie haben offenbar einen gewissen Einfluss auf das Wachstum anderer Körperteile.

"[Die Flügelscheiben] werden ziemlich groß - es ist etwas überraschend", sagt Diana Wheeler, eine Ameisenbiologin an der Universität von Arizona, die sich seit den 1980er Jahren mit der Bestimmung von Ameisenkasten befasst. „Es ist offensichtlich nichts, was die Evolution einfach vergessen hat, loszuwerden. Es scheint, als würde es für etwas verwendet. “

Die offensichtliche Funktion der Flügelscheiben der Ameisenlarven hat erhebliche Auswirkungen auf die Evolutionsgeschichte des Insekts. Frühe Ameisen brachten Kolonien mit einer geflügelten Königin und einer flügellosen Arbeiterkaste hervor, und anschließend wurde die Arbeiterkaste in mehreren unabhängigen Linien weiter in Untergruppen unterteilt. In Pheidole, einer hyperdiversen Gattung mit mehr als 1.000 Ameisenarten, ist die Arbeiterkaste in kleinere Arbeiter und Soldaten unterteilt. Soldaten haben unverhältnismäßig große Köpfe, die sie für die Verteidigung und die Saatgutverarbeitung verwenden, während minderjährige Arbeiter 90 bis 95 Prozent der Kolonie ausmachen und Aufgaben wie Brutaufzucht und Nahrungssuche erledigen.

Wheelers Studien aus den 1980er Jahren zeigten, dass Pheidole- Ameisen den Anteil minderjähriger Arbeiter und Soldaten in der Kolonie regulieren können. Eine Möglichkeit, wie diese Regulierung funktioniert, ist ein inhibitorisches Pheromon - ein kutikulärer Kohlenwasserstoff -, der von den Soldaten hergestellt wird und die Entwicklung von Soldaten in Larven unterdrückt, wenn Soldaten mehr als ungefähr fünf Prozent der Bevölkerung der Kolonie ausmachen.

Um die Beziehung zwischen den Flügelscheiben und der Soldaten-Subkaste zu untersuchen, haben Abouheif und sein Team ein Gen namens Vestigial abgeschaltet, wodurch die Flügelscheibenzellen sehr früh in der Entwicklung absterben. Das Abschlagen von Resten bei Larven, die für Soldaten bestimmt waren, verringerte die Kopf- und Körpergröße der Tiere, was minderjährige Arbeiter hervorbrachte, während das Abschlagen von Resten bei minderjährigen Arbeitern keine Wirkung zeigte.

Das Team züchtete dann Larven für Soldaten mit erwachsenen Populationen von 100 Prozent minderjährigen Arbeitern oder mit 100 Prozent Soldaten. Mit 100 Prozent minderjährigen Arbeitern in der Kolonie brachten die Larven Soldaten hervor. Bei 100-prozentigen Soldaten, die das kutikuläre Kohlenwasserstoff-Pheromon abgaben, verringerte sich die Größe der Flügelscheiben der Larven erheblich und es entstanden erwachsene Ameisen mit kleineren Köpfen und Körpern.

Natürlich ist die Tatsache, dass Organe die Entwicklung anderer Organe im Körper beeinflussen, nicht neu. Frühere Versuche an Insekten haben gezeigt, dass sich entwickelnde Flügel beispielsweise um Nährstoffe und Wachstumsfaktoren konkurrieren. Schäden an einem sich entwickelnden Flügel können Signale hervorrufen, die die Entwicklung des gesamten Körpers verzögern, sodass sich die Bandscheibenzeit erholt und das Wachstum auf eine richtig koordinierte Weise erfolgen kann.

Was hier auffällt, ist laut Erstautor Rajendhran Rajakumar, dass der rudimentäre Flügel, anstatt im Wettbewerb zu stehen, tatsächlich das Wachstum des Kopfes in der Soldaten-Subkaste fördert. „Noch überraschender ist die Tatsache, dass sich dieses Gewebe bei Erwachsenen nicht wirklich bildet. Es ist rudimentär, also haben wir wirklich nicht damit gerechnet, die Ergebnisse zu finden, die wir erzielt haben, als wir es gestört haben “, sagt Rajakumar, der in Abouheifs Labor in McGill gearbeitet hat und jetzt Forscher in Harvard ist.

Die Ameisen stehen im Gegensatz zu anderen sozialen Insekten wie Bienen und Wespen, die keine Arbeiterpolymorphismen entwickelt haben. Alle Bienenköniginnen und -arbeiterinnen haben Flügel, und „wenn Sie einen Flügel bauen, der fliegen muss, können Sie nicht wirklich mit seinem Wachstum spielen, daher ist das Wachstum dieser Scheiben sehr begrenzt“, erklärt Abouheif. Das mag erklären, warum Arbeiterinnen im Gegensatz zu Ameisen niemals evolutionär weiter in Subcasts differenziert wurden.

Es gibt nicht viele bekannte Beispiele für rudimentäre oder Überbleibselorgane, die die evolutionäre Innovation vorantreiben. Abgesehen von den Flügelscheiben ist eine weitere faszinierende Möglichkeit der Eierstock einer Honigbienenlarve, der in frühen Entwicklungsstadien so groß ist wie der einer Königin. Es ist nicht klar, warum die Arbeiter von Larvenbienen Eierstöcke brauchen, da sie sich nie vermehren werden, sagt Mary Jane West-Eberhard, Evolutionsbiologin am Smithsonian Tropical Research Institute.

"Die Frage wäre also: Ist es wichtig für die normale Entwicklung der Arbeiter, dass der Eierstock in der frühen Larve vorhanden ist?", Fragt sie. Nur zukünftige Untersuchungen werden es zeigen.

„Ich hoffe, dass diese Arbeit die Menschen dazu bringt, ihre Meinung zu den Überresten der Organe auf eine andere Art und Weise zu überdenken und herauszufinden, was diese Dinge tatsächlich tun, anstatt sie nur als Überbleibsel abzutun“, sagt Abouheif. "Ich denke, sie spielen viel größere Rollen, als wir vorher gedacht hatten."