Die Königinnen der verschiedenen Arten von sozialen Insekten benutzen die gleichen chemischen Signale, um Arbeiter von der Zucht abzuhalten. • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten über "Elemente" • Ethologie, Chemie, Entomologie, Evolution, Molekularbiologie

Die Königinnen verschiedener Arten von sozialen Insekten benutzen die gleichen chemischen Signale, um Arbeiter von der Zucht abzuhalten.

Abb. 1. Drei Arten von eusozialen Insekten, in denen Königinnen die reproduktive Funktion von Arbeitern mit Hilfe der gleichen oder sehr ähnlichen Struktur von gesättigten Kohlenwasserstoffen unterdrücken: die gemeine Wespe Vespula vulgarisErdhummel Bombus terrestrisAmeisenläufer Cataglyphis iberica. Bilder aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Es ist bekannt, dass die züchtenden Weibchen von sozialen Insekten einige Substanzen ausstoßen, die die Reproduktion von arbeitenden Individuen blockieren, aber die Natur dieser Substanzen wurde nur bei einzelnen Arten festgestellt. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat gezeigt, dass die Königinnen in verschiedenen Gruppen von Hymenopteren, die unabhängig voneinander auf Eusozialität umgestellt haben, ähnliche Kohlenwasserstoff-Pheromone verwenden, um die Fortpflanzungsfunktion der Arbeiter zu unterdrücken. Der evolutionäre Konservatismus dieser chemischen Signale deutet darauf hin, dass die Verweigerung der Züchtung der Arbeiter den genetischen Interessen nicht nur der Königinnen, sondern auch der Arbeiter selbst diente, und deshalb gingen die Kasten nicht in das "evolutionäre Wettrüsten" ein. Bei den Vorfahren der öffentlichen Hautflügler dienten diese Substanzen offenbar als gewöhnliche weibliche Pheromone und wurden von Weibchen verwendet, um ihre Brutbereitschaft zu demonstrieren und Männchen anzuziehen.

Das wichtigste Merkmal der eusozialen Tiere (vglEusozialität) – eine strikte Trennung der reproduktiven Funktionen zwischen den Kasten. Während sich einige Individuen (Könige und Königinnen) vermehren, produzieren andere (Arbeiter) keine eigenen Nachkommen und widmen ihr Leben sozial nützlicher Arbeit: Aufbau und Schutz des Nestes, Pflege der jüngeren Generation und Züchtung von Individuen.

Eusozialität tauchte im Laufe der Evolution bei verschiedenen Tieren immer wieder auf (siehe die Nachrichten. Eusociality, Elements, 29. September 2010; Lazy Diggers führen bei Regenwetter Kunststücke durch, Elements, 10. April 2006). Besonders anfällig für eusoziale Entwicklung sind Hymenoptera-Insekten (Wespen, Bienen, Hummeln, Ameisen). Nach modernen evolutionären Rekonstruktionen hat sich die Eusozialität bei Hymenopteren mindestens 10-mal unabhängig entwickelt (siehe: Die Evolution von Kooperation und Altruismus).

Es ist bekannt, dass die Fortpflanzungsfunktion von arbeitenden Individuen bei Hymenopteren aufgrund einiger Substanzen, die von brütenden Weibchen (Königinnen) freigesetzt werden, unterdrückt wird. Wenn Sie die Königin aus dem Nest entfernen, beginnen die Arbeiter vieler Arten von öffentlichen Hymenopteren, ihre eigenen Eier zu legen, das heißt, ihre reproduktive Funktion wird wiederhergestellt.Die chemische Natur dieser Signalstoffe ist bisher nur in wenigen Arten entschlüsselt worden: in den Erdameisen der Gattung Lasius und Honigbiene Apis mellifera. Die "Königlichen Pheromone" von Ameisen und Bienen stellten sich als unterschiedlich heraus, und Bienenstoffe sind mehr oder weniger einzigartig, und die Ameisen sind in der Struktur gewöhnlichen weiblichen Pheromonen ähnlich, mit denen die Weibchen vieler Insekten ihre Fortpflanzungsfähigkeit bekunden (gesättigte Kohlenwasserstoffe mit langen Ketten).

Die obigen Tatsachen waren nicht genug, um den Ursprung dieses wichtigsten chemischen Kommunikationssystems zu verstehen, dank dessen die Kastenaufteilung unter sozialen Insekten aufrechterhalten wird.

Das internationale Forscherteam aus Belgien, Australien, USA, Frankreich und Großbritannien konnte im Rahmen der Untersuchung der von den Königinnen dreier Arten von Eusozialen Hymenopteren abgesonderten Substanzen fehlende Daten gewinnen: die Gemeine Wespe, die Erdhummel und die Ameisenläuferin (Abb. 1). Die Autoren verglichen Mengen von organischen Molekülen auf der Kutikula von Königinnen und Arbeitern und wählten diejenigen Substanzen aus, die Königinnen mehr produzieren als Arbeiter. Besondere Aufmerksamkeit wurde den Kohlenwasserstoffen gewidmet.Die auf diese Weise ausgewählten Substanzen wurden dann künstlich in ausreichenden Mengen synthetisiert, um ihre Wirkung auf die Fortpflanzungsfunktion experimentell zu untersuchen.

Substanzen wurden auf die Fähigkeit getestet, die Entwicklung der Eierstöcke bei den Arbeitern der drei untersuchten Arten zu unterdrücken (daran erinnern, dass bei Hymenoptera Arbeiter immer weiblich sind und die Männchen nichts für gut sind außer Reproduktion). Dafür verwendeten die Autoren Familien, aus denen die Königinnen entfernt wurden. Eine kleine Menge eines der "königlichen" Pheromone (ungefähr so ​​viel wie von einem Uterus produziert), gelöst in Pentan, wurde täglich in die Nester geliefert. Kontrollfamilien erhielten die gleiche Menge an reinem Pentan. Nachdem die Arbeiter genug Zeit hatten, um die Eierstöcke zu entwickeln (von zwei bis drei Wochen für verschiedene Arten), öffneten die Arbeiter den Prozentsatz der Individuen mit entwickelten und unentwickelten Ovarien in Erfahrung und Kontrolle.

So konnten mehrere Substanzen identifiziert werden, die die Entwicklung der Eierstöcke bei Arbeitern behindern. Diese Stoffe wirken auf die Fortpflanzungsfähigkeit der Arbeiter wie die Anwesenheit einer lebenden Königin. Alle Substanzen waren mit Kohlenwasserstoffen mit langen Molekülen, linear oder mit einer Methylseitengruppe gesättigt.Die zuvor identifizierten "Königlichen Pheromone" haben die gleiche Struktur und verhindern, dass Ameisen von der Zucht arbeiten Lasius (Molekülstrukturen sind in Fig. 2 rechts gezeigt).

Anschließend verglichen die Autoren die erhaltenen Daten mit den in der Literatur verfügbaren Informationen über organische Moleküle, die in unterschiedlichen Mengen auf der Kutikula der Königinnen und Arbeiter verschiedener Arten der öffentlichen Hymenopteren vorkommen. Das Ergebnis war eine evolutionäre Rekonstruktion, die in Abb. 2

Abb. 2 Die Evolutionsgeschichte der chemischen Signale, die von weiblichen Hymenopteren verwendet werden, um Fruchtbarkeit zu demonstrieren und die reproduktive Funktion der Arbeiter zu unterdrücken. Horizontale Streifen verschiedene Schattierungen zeigen fünf evolutionäre Linien (Schatz), in denen ein paralleler (unabhängiger) Übergang zur Eusozialität stattfand: zwei Wespengruppen, zwei Bienen- und Ameisengruppen (die Unabhängigkeit des Übergangs ist in der Abbildung nicht dargestellt, wurde früher anhand detaillierter phylogenetischer Rekonstruktionen festgestellt). Verschiedene Farben Es werden Klassen von Pheromonen gezeigt, die von Königinnen und Arbeitern in unterschiedlichen Mengen produziert werden. Kleine Kreisdiagramme die Wahrscheinlichkeit widerspiegeln, dass an diesem Punkt im Entwicklungsbaum Zuchtrinder bereits Pheromone der entsprechenden Klasse produziert haben (Diagramme werden nur dort gegeben, wo diese Wahrscheinlichkeit 50% übersteigt). Rahmen Die Namen von Arten, für die die Rolle der entsprechenden Pheromone bei der Unterdrückung der Reproduktionsfunktion von Arbeitern experimentell gezeigt wurde, sind umrissen Rote Pfeile drei Arten, in dieser Arbeit im Detail untersucht. Auf der rechten Seite Die chemische Struktur von Pheromonen, die für sechs Arten charakteristisch sind, wird gezeigt: A – Wespe Vespula vulgaris, B – Biene Apis mellifera, C – Hummel Bombus terrestris, DF – Ameisen Cataglyphis iberica, Lasius flavus, Lasius Niger. Die Abbildung zeigt, dass im letzten gemeinsamen Vorfahren von fünf Gruppen von eusozialen Insekten, die selbstständig (nicht sozial) waren, Frauen mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits gesättigte Kohlenwasserstoffe als Pheromone verwendet haben. Gleiches gilt für die unmittelbaren Vorfahren jeder der fünf eusozialen Gruppen. Die Verwendung anderer Substanzen (ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Ester usw.) ist ein späterer Erwerb einiger evolutionärer Linien. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Aus dieser Rekonstruktion ergeben sich wichtige Schlussfolgerungen.Das auf langkettigen gesättigten Kohlenwasserstoffen basierende chemische Kommunikationssystem, aufgrund dessen Beschäftigte an der Zucht nicht teilnehmen dürfen, erwies sich als sehr konservativ, das heißt, im Laufe der Evolution wenig verändert. In einigen Linien (zum Beispiel bei der Honigbiene) hat sich die Menge der Signale, die den Arbeitern das Züchten verbieten, geändert, aber dies ist ein späterer evolutionärer Erwerb. Die meisten Gruppen verwenden immer noch die ursprünglichen Ahnenpheromone.

Die Rekonstruktion zeigt, dass verschiedene Gruppen von Hymenopteren, die unabhängig auf Eusozialität übertragen wurden, von Vorfahren stammten, die noch keinen sozialen Lebensstil führten, aber bereits in der Lage waren, diese Signalmoleküle zu produzieren. Warum haben sie das getan, alleine gelebt und brauchen keine Töchter, die keine Zuchthilfe leisten?

Fast sicher waren diese chemischen Signale die üblichen weiblichen Sexualpheromone. Weibchen von Einzelinsekten verwenden häufig Kohlenwasserstoff-Pheromone, um ihre Verwandten über ihre Fruchtbarkeit (Fortpflanzungsbereitschaft) zu informieren. Dies ist nützlich, um Männchen anzulocken, und manchmal kann es nützlich sein, um konkurrierende Weibchen zu erschrecken.Zum Beispiel informieren weibliche parasitäre Reiter, die mit Hilfe von Kohlenwasserstoff-Pheromonen Eier in die Körper anderer Insekten legen, die Mitbewerber darüber, dass das Ei für dieses Opfer bereits verzögert wurde. Die Reiter gehören übrigens auch zur Ordnung der Hymenoptera. Jedenfalls ist die Produktion von spezifischen kutikulären Kohlenwasserstoffen durch fertile Weibchen ein gemeinsames Merkmal vieler Insekten. Es ist möglich, dass diese Substanzen anfänglich nicht einmal Pheromone waren, sondern nur ein gelegentliches Nebenprodukt der aktiven Arbeit der Eierstöcke.

Einige Theoretiker schlagen vor, dass der "Generationenkonflikt" eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Eusozialität spielen könnte: Mütter profitieren davon, dass die meisten ihrer Töchter nicht züchten, sondern ihr helfen, andere Kinder großzuziehen, während sich Töchter selbständig fortpflanzen. Deshalb mussten Mütter lernen, ihre Töchter effektiv zu manipulieren. Auf der anderen Seite betont die Theorie der Verwandtschaftsauslese (siehe Verwandtschaftsauswahl), dass das arbeitende Individuum zur Verbreitung seiner eigenen Gene beiträgt, indem es hilft, Schwestern zu wachsen (von denen einige ihre eigenen Familien gründen). Tatsächlich sind im Genom von Schwestern viele Gene absolut identisch.Dies gilt insbesondere für Hymenopteren, bei denen Schwestern aufgrund ihrer genetischen Merkmale (siehe Haplodiploidie) engere Verwandte sind als Mutter und Tochter. Deshalb andere Dinge sind gleich Eine weibliche Wespe oder Hummel verbreitet ihre Gene noch effizienter und kümmert sich um die Schwestern, als ihre eigenen Töchter zu produzieren.

Wenn die Entwicklung der Eusozialität durch den Generationenkonflikt bestimmt war, gab es zwischen den Müttern und Töchtern ein endloses "Wettrüsten". Anpassungen, die den Müttern helfen, Töchter so zu manipulieren, dass sie sich nicht vermehren, sowie Anpassungen, die den Töchtern helfen, sich diesen Manipulationen zu widersetzen, mussten erarbeitet werden. In diesem Fall musste sich das besprochene System der chemischen Kommunikation (welches dann korrekter als das System der chemischen Manipulation bezeichnet wird) im Laufe der Evolution sehr schnell ändern. Ähnliches gilt zum Beispiel für das ewige Wettrüsten zwischen pathogenen Bakterien und Mitteln des Immunschutzes.

Im Gegensatz dazu erwiesen sich die chemischen Signale, die die Reproduktion von arbeitenden Individuen unterdrücken, als sehr konservativ.Dies bedeutet, dass das Wettrüsten höchstwahrscheinlich keine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Eusozialität gespielt hat. Die Theorie der Verwandtschaftsauswahl macht die Entdeckung besser. Mit anderen Worten, die Weigerung eines arbeitenden Individuums, sich in Gegenwart einer fruchtbaren Königin im Nest fortzupflanzen, war in der Regel nicht nur für die Königin und ihre anderen Nachkommen nützlich, sondern auch für die arbeitende Person selbst. Auf diese Weise gab der arbeitende Mensch weitere Kopien seiner Gene an die nächsten Generationen weiter.

Es geht also nicht um Manipulation durch die Königin, sondern um Kommunikation.

In den frühen Stadien der Entwicklung der Eusozialität reagierten die Weibchen auf die weiblichen Pheromone der Mutter oder Schwester, indem sie die Fortpflanzungsfunktion verringerten, da dies ihren eigenen genetischen Interessen entsprach. Während ein produktiver Verwandter nahe war, war es profitabler (in Bezug auf die Effizienz der Verbreitung ihrer eigenen Gene), ihr zu helfen, Nachwuchs aufzuziehen und das gemeinsame Nest zu schützen, als sich selbst zu reproduzieren. Wenn jedoch die Fruchtbarkeit des Verwandten zurückging (was durch den Rückgang der weiblichen Pheromone im Nest beurteilt werden konnte), begannen andere Individuen sich selbst zu reproduzieren und produzierten Pheromone, auf die ihre Partner durch die Reduzierung der Fortpflanzungsfunktion reagieren konnten.Nach und nach änderten die üblichen weiblichen Pheromone ihre Funktion und verwandelten sich in ein spezielles Signal, das es den Arbeitern verbot, die Familieneinteilung in Kasten zu multiplizieren und zu unterstützen.

Die Studie lässt uns über die allgemeinen Entwicklungsmuster von Kommunikationssystemen nachdenken. In diesem Fall beruhte die Veränderung, die stattfand, nicht auf der Tatsache, dass das übertragene Signal veränderte oder neue Informationen zu tragen begann, sondern auf der Tatsache, dass die wahrnehmende Partei entsprechend ihren eigenen genetischen Interessen neu darauf zu reagieren begann.

Quellen:
1) Annette Van Oystaeyen, Ricardo Caliari Oliveira, Luke Holman, Jelle S. van Zweden, Carmen Romero, Cintia A. Oi, Patrizia d'Ettorre, Mohammadreza Khalesi, Johan Billen, Felix Wäckers, Jocelyn G. Millar, Tom Wenseleers. Konservierte Klasse von Königin Pheromonen Stoppt soziale Insekten Arbeiter von Reproducing // Wissenschaft. 2014. V. 343. P. 287-290.
2) Michel Chapuisat. Riecht wie Königin seit der Kreide // Wissenschaft. 2014. V. 343. S. 254-255. – eine präzise Nacherzählung des diskutierten Artikels.

Siehe auch:
1) Pheromone ziehen nicht an, aber lassen Sie denken, "Elemente", 19.10.2009.
2) Die Entwicklung von Kooperation und Altruismus.

Alexander Markow


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: