Jednym z poważniejszych problemów, które niepokoiły Darwina w jego teorii doboru naturalnego było to, co nazywał “przykładem bezpłodnych owadów” – owadów społecznych, takich jak mrówki, pszczoły i osy – grup, w których większość członków kolonii jest samicami, niemniej nie rozmnażają się i są bezpłodne.
Jak napisał Darwin w O powstawaniu gatunków:
Odpowiedzią Darwina był dobór działający na poziomie “rodziny” – bezpłodne robotnice miały cechy wspólne z tymi osobnikami, które rozmnażały się, i w ten sposób dobór naturalny mógł „widzieć” te cechy.
Obecnie interpretujemy bezpłodność robotnic w kategoriach genów współdzielonych przez wysoko spokrewnione grupy owadów, które w przypadku błonkoskrzydłych (pszczół, os i mrówek) wykazują dziwaczną postać determinacji płci zwaną haplodiploidalnością, gdzie samce są haploidalne, pochodząc z niezapłodnionych jajeczek, podczas gdy samice są diploidalne, stworzone powstałe na drodze zapłodnienia.
Znaczy to, że jeśli matka kopuluje tylko z jednym samcem, jej potomstwo (robotnice) są bliżej spokrewnione ze sobą mając 75% wspólnych genów, niż byłyby z własnym potomstwem (50%). Innymi słowy, bezpłodność i wychowywanie sióstr leży w interesie genetycznym robotnic bardziej niż kopulowanie – przekażą w ten sposób więcej kopii swoich genów następnemu pokoleniu!
Życie jest oczywiście bardziej skomplikowane – wiele królowych- matek kopuluje z kilkoma samcami, a więc nie zawsze widzimy idealne poziomy pokrewieństwa. Ponadto, podczas gdy haplodiploidalność sprzyja ewolucji socjalności, nie jest dla niej warunkiem koniecznym. Wiele błonkoskrzydłych nie jest owadami społecznymi, mimo że są haplodiploidalne, podczas gdy niektóre z odnoszących największe sukcesy owadów społecznych – termity – mają płeć determinowaną przez chromosomy X i Y, tak samo jak ty i ja.
Przez ostatnich kilkadziesiąt lat wśród badaczy socjalności dominował pogląd, że bezpłodność leży w interesie genetycznym robotnic – przekazują w ten sposób więcej swoich genów następnemu pokoleniu. Nie zostały „wysterylizowane” przez królową, lecz „wybierają” bezpłodność (a przynajmniej wybierają abstynencję seksualną, bo u niektórych gatunków robotnice mogą produkować samce ze swoich niezapłodnionych jajeczek).
Znaczyłoby to, że robotnica aby wyłączyć swoje jajniki potrzebuje dwóch rodzajów informacji, że jest otoczona przez blisko spokrewnione osobniki (to jest, istnieje sygnał specyficzny dla kolonii), oraz że istnieje płodna jednostka, która produkuje jajeczka (to jest, istnieje sygnał płodności dostarczany przez królową matkę).
Istnieją dwa powody, dla których doszliśmy do tego poglądu. Po pierwsze, w 1993 roku ukazał się znakomity artykuł Laurenta Kellera i Petera Nonacsa, którzy spojrzeli na to, czego oczekiwalibyśmy, gdyby królowa kontrolowała robotnice lub gdyby sygnalizowała jedynie swoją płodność, umożliwiając tym samym robotnicom „decyzję” o wyłączeniu jajników. Keller & Nonacs pokazali, że gdyby robotnice były zmuszane do bezpłodności, to pojawiłby się tam „wyścig zbrojeń” i w niektórych grupach spodziewalibyśmy się zobaczyć, że robotnice zaczynają kopulować. Można by więc, na przykład, oczekiwać, że będą istniały gatunki samotnych mrówek. Ponieważ nie ma na to żadnego dowodu, więc na podstawie tego argumentu większość ludzi akceptuje, że nie ma również żadnego dowodu na „kontrolę” przez królową. Nie znaczy to, że ona nie istnieje, a tylko to, że nie ma na to dowodów.
Drugim powodem jest to, że istnieje wiele dowodów pokazujących, iż na wzrost jajników robotnic wpływają sygnały chemiczne. Jeśli usuwa się rozmnażającą się królową z kolonii, u niektórych gatunków jajniki robotnic wkrótce zaczynają rosnąć. Ponadto, podpis chemiczny rozmnażającego się osobnika jest skorelowany z jej funkcjami składania jaj – te „feromony królewskie” są w rzeczywistości sygnałami chemicznymi wskazującymi jej płodność. Ponadto podobne efekty widziano u owadów samotnych, takich jak muchy, pozwalającymi zrozumieć, jak mógł wyewoluować układ sensoryczny owadów społecznych na bazie istniejących już układów sensorycznych owadów samotnych.
Jak to ujmuje Michel Chapuisat:
Hipoteza, że feromony królowej wyewoluowały z istniejącego u samotnych przodków systemu komunikacji, ma ciekawe implikacje dla ewolucji eusocjalności. Na wczesnych etapach socjalności córki mogły reagować na matczyne sygnały płodności przez pomaganie matce, jeśli była bardzo płodna i przez rozmnażanie się, jeśli nie była. Przez pozwolenie na taką reakcją warunkową istniejąca wcześniej związana z płodnością feromonowa komunikacja mogła ułatwić przejście do eusocjalności.
W najnowszym numerze “Science” jest zdumiewający dowód na poparcie tej sugestii (artykuł Chapuisata komentuje to), ale, niestety, jest zarówno częściowo ujęty jak również przedstawiony w całkowicie błędny sposób.
Podsumowując olbrzymią ilość imponującej pracy: naukowcy patrzyli na trzy bardzo daleko spokrewnione gatunki – osę, trzmiela i mrówkę, w których socjalność wyewoluowała niezależnie (innymi słowy, ich ostatnim wspólnym przodkiem był owad samotnik).
Badacze przyjrzeli się związkom chemicznym na naskórku różnych kast u każdego z tych gatunków (królowych, robotnic, samców) i zidentyfikowali zestaw związków chemicznych, które wydają się być wspólne dla królowych tych gatunków. Usunęli następnie królową z kolonii owadów i wprowadzili syntetyczną wersję związków chemicznych, po czym obserwowali, co dzieje się z jajnikami robotnic. Gdyby jajniki pozostawały w regresji, wskazywałoby to, że związek chemiczny jest postrzegany jako wskazówka obecności królowej.
Co zdumiewające, stwierdzili, że te związki chemiczne istotnie były wspólne dla tych trzech grup (proszę zauważyć, że efekt jest wyraźniejszy u os i mrówek – które są bliżej ze sobą spokrewnione – niż u trzmieli):
Sugeruje to, że mogą istnieć wspólne sygnały chemiczne związane z funkcjami jajników, które są używane u wszystkich tych trzech gatunków. Autorzy obejrzeli następnie dużą liczbę innych badań i nanieśli przypuszczalne sygnały płodności na drzewo filogenetyczne – z fascynującymi rezultatami:
Autorzy kończą wspaniałym podsumowaniem tej nadzwyczajnej pracy:
“nasza rekonstrukcja stanu wyjściowego pokazuje, że węglowodory nasycone były najprawdopodobniej używane jako wskaźniki płodności wśród samotnych przodków wszystkich mrówek, pszczół i os, które żyły ~145 milionów lat temu”.
Proszę zauważyć, że nie sugerują, iż dokładnie te same cząsteczki są używane dzisiaj – „węglowodory nasycone” to szeroka klasa substancji, a fizjologia owadów ciągle wskazuje na te same substancje (wszystkie są związane z biosyntezą kwasów tłuszczowych), jest to więc całkowicie uprawniona sugestia.
O co więc mi chodzi? Dane są fantastyczne i zmieniają sposób, w jaki myślimy o ewolucji sygnałów królowej, sugerując, że te same sygnały mogą istnieć w różnych liniach rodowych. Problem polega na sposobie, w jaki te odkrycia są przedstawione. Oto dwa zrzuty ekranu z witryny internetowej „Science”. Sprawdź, czy potrafisz dostrzec problem.
Obie te prezentacje – szczególnie ta druga – sugerują, iż autorzy dowiedli, że królowa kontroluje swoich “poddanych”. Zgaduję, że media będą powtarzały ten pogląd przez następnych kilka dni. W rzeczywistości badania te niczego takiego nie sugerują – nie pokazują, w jaki sposób te związki chemiczne wywierają wpływ. Jeżeli już, co piszą autorzy i podkreśla Chapuisat, wspierają one tylko pogląd, że są to sygnały płodności, nie zaś metoda „kontroli” używana przez królowe, by „nie dopuścić do rozmnażania robotnic”. Pomysł „poddanych” pod „kontrolą” może wydawać się niektórym seksowny; jednak dla każdego, kto wie o co chodzi, jest po prostu błędny.
Skąd więc wziął się ten pogląd? Nie chodzi po prostu o redaktorów w „Science”, którzy nie pojęli tego, co – przyznaję – jest dość subtelną sprawą. Obawiam się, że to sami autorzy przyczynili się niechcący do tego całego zamieszania.
Tytuł artykułu brzmi “Conserved class of queen pheromones stops social insect workers from reproducing” [Konserwatywna klasa feromonów królowej powstrzymuje owady robotnice przed rozmnażaniem się]. Na co odpowiedziałbym: „No cóż, i tak i nie”. „Powstrzymuje” jest bardzo zdecydowanym słowem i silnie sugeruje manipulację płodnością robotnic przez królową. Gdzie indziej w artykule sugerują oni, że „sądzi się, iż feromony emitowane przez królową odgrywają kluczową rolę w hamowaniu reprodukcji robotnic”, „szukaliśmy feromonów królowej indukujących bezpłodność”, „bardziej lotna mieszanka feromonów królowej nie tylko powstrzymuje robotnice przed rozmnażaniem”.
Te sformułowania sprawiają wrażenie, że te związki chemiczne działają wbrew interesom robotnic. Takie może być zdanie niektórych spośród autorów, albo może uważali oni, że jest to seksowniejszy sposób przedstawienia ich odkryć, lub może wynikać to po prostu z niechlujnego sposobu pisania. Cokolwiek jest powodem, zmniejsza to, niestety, wpływ tej fantastycznej pracy.
Dlaczego mnie to obchodzi? Niezależnie od tego, że jestem drobiazgowy i gderliwy, mam 150 studentów, którzy w poniedziałek zdają końcowy egzamin z “chemicznej komunikacji u zwierząt” i nie chcę, żeby pisali, że to nowe badanie wskazuje na kontrolę królowej!
Ostatnia intrygująca sprawa. Mniej więcej 15 lat temu Jean-François Ferveur i ja razem z jego dwojgiem studentów sugerowaliśmy, że blisko spokrewnione gatunki Drosophila (muszki badane przez Jerry’ego) mogą używać wspólnych feromonów płci, które mają związek z funkcjonowaniem jajników. Wśród tych związków chemicznych, jakie naszym zdaniem mogły brać w tym udział, były nasycone węglowodory, takie jak 2-metylo heksakozan, 7-heptakozan i n-heptakozan – związki chemiczne o budowie podobnej do tych, które w tym badaniu zidentyfikowano jako powszechne sygnały płodności u owadów społecznych. Sięgająca daleko w przeszłość historia komunikacji chemicznej u owadów może iść jeszcze dalej niż ktokolwiek podejrzewał.
Źródła (na ogół płatne, ale link poprowadzi cię do streszczenia):
Chapuisat (2014) Smells Like Queen Since the Cretaceous. Science 343:254-255
Keller and Nonacs, (1993) The role of queen pheromones in social insects: queen control or queen signal? Animal Behaviour 45:787–794
Van Oystaeyen et al. (2014) Conserved Class of Queen Pheromones Stops Social Insect Workers from Reproducing. Science 343:287-290
Fabrice Savarit et al (1999) Genetic elimination of known pheromones reveals the fundamental chemical bases of mating and isolation inDrosophila. PNAS 96:9015–9020
Fertility signals in ants bees and wasps have deep common origins
Why Evolution Is True, 20 stycznia 2014
Tłumaczenie M.K. [Konsultacja merytoryczna tłumaczenia na język polski – dr Karol Zub].
Matthew Cobb
Biolog i pisarz, mieszka i pracuje w Manchesterze, niedawno w Stanach Zjednoczonych ukazała się jego książka „Generation”, a w Wielkiej Brytanii „The Egg & Sperm Race”. Systematycznie publikuje w "LA Times", "Times Literary Supplement", oraz "Journal of Experimental Biology".
![[„Nie będę tutaj omawiał dokładnie rozmaitych przypadków, a poprzestanę tylko na jednej szczególnej trudności, która z początku wydawała mi się nieprzezwyciężona i istotnie fatalna dla całej mojej teorii. Chcę tu mówić o bezpłciowych czyli bezpłodnych samicach w społecznościach owadów; te bezpłodne osobniki różnią się bowiem znacznie instynktem i budową od samców oraz płodnych samic, a z powodu bezpłodności nie mogą przenosić swych cech na potomstwo” (s. 277, O powstawaniu gatunków, PWRiL, Warszawa 1959)]](http://www.listyznaszegosadu.pl/upload/article/bild/4/559442/mc1_s.jpg)
