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群居昆蟲違背了進(jìn)化原則，即生物要么生存，要么繁殖，而不是兩者兼有?？茖W(xué)家們想知道這些生物是如何做到兩全其美的。

作者｜蒂姆·維尼門

翻譯｜胡唐燕

校譯｜于茗騫

小型動(dòng)物通常沒有變老的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈兛偸敲媾R被另一種動(dòng)物一口吞掉的風(fēng)險(xiǎn)，所以為了確保它們物種基因的延續(xù)，最好的辦法就是盡快繁育一群后代。對于昆蟲來說，這是毫無疑問的，但其中也有一些著名的例外，比如蟬，它們的預(yù)期壽命通常是幾天、幾周或幾個(gè)月。

相比之下，大象和人類這樣的動(dòng)物繁育的后代數(shù)量很少，而且自身可以存活好幾十年：如果你的體型或者生活方式能夠保護(hù)你自己，那么你就可以慢慢籌劃生育大計(jì)。

這種對比模式隨處可見，它表明，由于繁殖后代和維持生命都要付出高昂代價(jià)，動(dòng)物通常不能兩者兼顧。因此，個(gè)體為了繁育后代付出的能量和營養(yǎng)越多，它就可能老得越快，壽命也就越短。

然而，在群居昆蟲中，如白蟻、螞蟻、蜜蜂和黃蜂，它們的“女王”似乎找到了一種兩全其美的辦法。

在許多蟻穴中，每天產(chǎn)卵數(shù)百個(gè)的蟻后能夠存活好幾年甚至幾十年，然而一輩子都不產(chǎn)卵的工蟻壽命只有幾個(gè)月。顯而易見，這些物種已經(jīng)找到了一條途徑，使得它們當(dāng)中至少有一部分能夠不受限制，不再糾結(jié)到底是選擇長壽還是繁育大量后代。

幾年前，一個(gè)國際生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)開始研究這些生物是如何做到這一點(diǎn)的——盡管還有很多未解之謎，但這個(gè)項(xiàng)目的首批結(jié)果已經(jīng)開始給出了一些線索。

比起工蟻來說蟻后壽命更長，基因密碼的差異似乎無法對此提供解釋。所有的工蟻都是蟻后的“女兒”，在很多情況下，如果這些“女兒們” 在幼蟲時(shí)期受到適當(dāng)?shù)摹盎适掖觥钡脑?，它們中的任何一個(gè)在長大后都可能成為蟻后。

正是有了這種密切的遺傳關(guān)系，工蟻便一生致力于照顧蟻后和她的后代，維護(hù)和保護(hù)蟻穴并尋找食物。每只工蟻通過保證蟻后的安全，給她提供充足的資源，使得蟻后能夠連續(xù)多年不停產(chǎn)卵，工蟻?zhàn)陨硪驳靡詡鞑ニ约旱幕颉?/p>

因?yàn)橄伜笫窍佈ㄖ形ㄒ灰粋€(gè)能產(chǎn)卵的角色，所以擁有長壽的蟻后的蟻穴有可能會(huì)發(fā)展壯大，并且派出更多的年輕蟻后，建立起新的巢穴，同時(shí)派出雄蟻去授精。

換句話說，許多科學(xué)家推斷，一定是由于強(qiáng)大的物競天擇的壓力，才進(jìn)化出延緩衰老的方法，使蟻后活得盡可能久。

但這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？其他昆蟲提供了一些可能的線索。

由于螞蟻太小了，研究人員（于羅曼·利布雷希特的實(shí)驗(yàn)室中）用刷子來移動(dòng)它們。（圖源：Romain Libbrecht）

事實(shí)證明，有些物種會(huì)根據(jù)環(huán)境變化，以某種方式調(diào)整它們在生存和繁殖二者上的投入。例如，研究表明，當(dāng)黑腹果蠅 (Drosophila melanogaster) 按照嚴(yán)格的飲食喂養(yǎng)時(shí)，它的壽命很明顯延長了，但是它產(chǎn)的卵更少了。

研究人員還表示，這種效應(yīng)是由一整個(gè)基因網(wǎng)絡(luò)造成的，這個(gè)基因網(wǎng)絡(luò)能夠感知營養(yǎng)物質(zhì)（如氨基酸和碳水化合物）的存在。當(dāng)食物匱乏時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)傳輸延緩繁殖的信號，同時(shí)延長生物的壽命，增加對組織修復(fù)等活動(dòng)的投入，如此一來，也許能支撐該生物度過這段艱難的日子。一些科學(xué)家還表明，當(dāng)營養(yǎng)感知網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵基因被滅活時(shí)，果蠅的壽命會(huì)更長。

對果蠅的研究表明，衰老的速度并不是一成不變的。相反，在某種程度上，它可以看作是進(jìn)化策略的一部分，即資源利用最優(yōu)化——當(dāng)資源充足時(shí)就繁殖，當(dāng)資源不足時(shí)就維持生命。

“當(dāng)我們談?wù)撍ダ系臋C(jī)制時(shí)，我們通常只談?wù)撌挛锸侨绾螑夯摹?，來自瑞士弗里堡大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家托馬斯·弗拉特說道，他的主要研究對象是果蠅，并且與他人聯(lián)合在《昆蟲學(xué)年度評論》上發(fā)表了關(guān)于昆蟲衰老的文章。“我們似乎經(jīng)常忘記的是衰老的另一面，也就是減緩衰老的主要機(jī)制。”

會(huì)不會(huì)群居昆蟲使用了一些與果蠅相同的基因來延緩衰老的速度？就蟻類而言，就是去延緩蟻后的衰老？

研究蟻后的衰老并不容易，因?yàn)橥ǔＣ總€(gè)蟻穴里只有一位蟻后，并且它們需要很多年（一般是幾十年）才會(huì)變老。為了解決這個(gè)問題，研究人員可以把蟻后移出蟻穴，這樣通常會(huì)促使一些工蟻開始自己產(chǎn)卵。

切胸蟻屬中的橡果蟻（Temnothorax rugatulus）實(shí)在是太小了，一個(gè)橡果或者是實(shí)驗(yàn)室里的一個(gè)小容器就能容納整個(gè)蟻群。中間這只大一點(diǎn)的螞蟻就是蟻后。（圖源：MEGHA MAJOE）

當(dāng)然將蟻后移出蟻穴的做法不會(huì)完全把工蟻?zhàn)優(yōu)橄伜螅茄芯勘砻?，這確實(shí)會(huì)帶來一些健康福利，與長壽蟻后所享有的相似。例如，在2021年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，北卡羅來納州立大學(xué)格林波若分校的研究者發(fā)現(xiàn)，重新產(chǎn)卵的工蜂更能夠抵御一種可能導(dǎo)致致命感染的病毒。

產(chǎn)卵的工蜂在注射了百草枯（一種能對蛋白質(zhì)、DNA和其他細(xì)胞成分造成氧化損傷的除草劑）之后，存活的可能性也越高。這種損傷也會(huì)由正常新陳代謝產(chǎn)生的廢料造成，不過速度更慢，人們廣泛認(rèn)為它是導(dǎo)致衰老的重要原因。

德國兩所大學(xué)的科學(xué)家在三種螞蟻的工蟻身上發(fā)現(xiàn)了一些相似之處：對于其中兩種螞蟻來說，當(dāng)蟻后被從蟻穴移除后，工蟻對氧化應(yīng)激的抵抗力增強(qiáng)，在百草枯作用下存活的幾率幾乎增加了一倍。在這兩者之中，有一種螞蟻的工蟻開始產(chǎn)卵，而另一種螞蟻并沒有產(chǎn)生類似的效果。

在這種情況下，該研究的合著者，來自美因茨大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家羅曼·利布雷希特表示，壽命的增長可能會(huì)讓工蟻有更多的時(shí)間來培育新的蟻后。

德國弗賴堡大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家朱迪思·科爾布表示，我們也可以從不同種類的白蟻入手，找到群居昆蟲抗衰老技巧的線索，因?yàn)榘紫伇举|(zhì)上就像是群居的蟑螂。

科爾布研究的白蟻之一是干木白蟻（Cryptotermes secundus），這種白蟻從不離開巢穴，它只會(huì)躲在枯樹里，在里面以木頭為食。工蟻不需要非常努力地工作，而且它們保留了繁殖的能力。每當(dāng)食物耗盡時(shí)，它們總是蓄勢待發(fā)，準(zhǔn)備搬出去，試圖在其他地方建立起它們自己的蟻穴。

科爾布和她的同事們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些工蟻年輕且不繁殖的時(shí)候，與抗氧化損傷有關(guān)的基因就越活躍，當(dāng)它們變老并且開始繁殖時(shí)，這些基因的活力就會(huì)降低。這個(gè)時(shí)候，工蟻的重點(diǎn)主要是繁殖。

東非白蟻（Macrotermes bellicosus）（已知最大的白蟻）的蟻后（右上）和蟻王（中右），周圍環(huán)繞著相對矮小的工蟻。蟻后不斷地從它巨大的腹部產(chǎn)卵。（圖源：Judith Korb）

在干木白蟻這個(gè)物種中，工蟻可以活幾年，而蟻王和蟻后的壽命可能長達(dá)十年，甚至更久。但在大多數(shù)其他種類的白蟻中，社會(huì)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在一些種類中，工蟻是完全不育的，永遠(yuǎn)沒有機(jī)會(huì)自己產(chǎn)卵。這就是工蟻和蟻后壽命差異如此之大的原因。

“這些工蟻通常只能活幾個(gè)月，但它們的蟻王和蟻后卻非常長壽?！笨茽柌急硎?。東非白蟻（Macrotermes bellicosus）是已知的體型最大的白蟻，它們的蟻后可以活20年以上。

似乎只有當(dāng)蟻穴成員失去了所有繁育后代的希望后，整個(gè)蟻群才真正實(shí)現(xiàn)“蟻后萬歲”。

為了進(jìn)一步了解群居昆蟲中蟻后長壽的原因，包括科爾布、利布雷希特、弗拉特等研究人員在內(nèi)的研究小組決定比較白蟻、螞蟻和蜜蜂（各兩種）的各類基因的活躍水平。他們總共研究了157只個(gè)體，包括不同年齡和不同等級的昆蟲。

不出所料，研究小組發(fā)現(xiàn)，已知的在繁殖中發(fā)揮重要作用的基因，在蟻后體內(nèi)的活動(dòng)模式，與其在不育工蟻體內(nèi)的活動(dòng)模式有所不同。其中，某些基因攜帶了制造卵黃原蛋白的指令，在所有物種的蟻后體內(nèi)都很活躍。

卵黃原蛋白的主要作用是促進(jìn)卵黃的產(chǎn)生。但是一些科學(xué)家懷疑卵黃原蛋白的作用可能不止于此。研究發(fā)現(xiàn)，至少對于蜜蜂來說，卵黃原蛋白還具有抗氧化的作用。如果卵黃原蛋白同樣也對其他群居昆蟲起作用的話，那么它們可能有助于蟻后抗氧化。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，與不育的工蟻相比，蟻后和產(chǎn)卵的工蟻在預(yù)防或修復(fù)氧化損傷方面的基因活動(dòng)有所不同。但具體涉及的基因在不同的物種中也有很大的差異。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的科爾布表示，很明顯，每個(gè)物種都進(jìn)化出了延長自己“女王”生命的方式。

科學(xué)家們還檢查了果蠅的營養(yǎng)感知基因網(wǎng)絡(luò)，這一網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用時(shí)，能夠延長果蠅的生命。科學(xué)家們沒有在不同年齡和不同階級之間找到明顯的模式，但他們確實(shí)做出了一些其他發(fā)現(xiàn)，比如在繁殖過程中基因活動(dòng)的差異性，以及一種叫做保幼激素的物質(zhì)的作用。保幼激素就是一種能夠重新調(diào)節(jié)大多數(shù)成年昆蟲軀體的分子。

科學(xué)家們推測，讓昆蟲成熟的激素，也許同樣能幫助它們延緩衰老。但是，這些與保幼激素相關(guān)的基因具體是如何調(diào)節(jié)的，在不同的物種中并不相同。

對于科爾布來說，這個(gè)跨物種的多樣性有點(diǎn)令人困惑，但多樣性本身揭示了關(guān)于衰老本質(zhì)的一個(gè)重要教訓(xùn)：沒有這樣一個(gè)按鈕或開關(guān)，能使某個(gè)物種決定在生存或繁殖上投入更多或更少，相反，有的是一整塊指示板，而每個(gè)物種的設(shè)定略有不同。

“壽命和繁衍之間的權(quán)衡顯然不是天生的，它遠(yuǎn)比人們想的更加靈活”， 科爾布說道，“許多物種已經(jīng)進(jìn)化出了不同的解決方法。”這取決于它們各自的社會(huì)和自然環(huán)境。

弗拉特表示，雖然徹底了解一些物種是非常有用的，但這些研究發(fā)現(xiàn)同樣也是一個(gè)警示，即不要認(rèn)為一兩個(gè)經(jīng)過深入研究的生物——如著名的黑腹果蠅——就能教會(huì)我們一切。“還有巨大的生物多樣性有待我們研究，我們根本對其一無所知?！?/p>