Ученые проверили 60-летнюю теорию о муравьях, пчелах и осах — и нашли слабое место

Фото из открытых источников

Более шести десятилетий эволюционные биологи спорят, способствовала ли необычная генетическая система, общая с муравьями, пчёлами и осами, способствовала созданию одной из самых сложных форм социальной организации природы — эусоциальности. В эусоциальных колониях репродукция разделена между королевами и рабочими, создавая высококооперативные общества со специализированными ролями.

Новые исследования Аризонского государственного университета теперь показывают, что одна только генетика может не объяснять, как эволюционировали эти сложные общества.

Опубликованное в журнале Current Biology, исследование показало, что эусоциальность, по-видимому, чаще возникает у насекомых с гаплодиплоидной генетической системой. Однако почти весь этот узор можно проследить к одной конкретной группе: перепончатокрылым, к которым относятся жалящие осы, пчёлы и муравьи. Если рассматривать насекомых шире, гаплодиплоидия сама по себе не гарантирует надежного предсказания, эволюционирует ли эусоциальность.

Результаты свидетельствуют о том, что повторное появление сложных насекомых обществ может больше зависеть от биологических признаков, характерных для определённых эволюционных групп, чем от способа наследования хромосом.

«Люди обсуждают эту гипотезу уже около 60 лет», — сказал Сачин Суреш, аспирант Школы наук о жизни Аризонского государственного университета и ведущий автор исследования. «Было много теоретических прогнозов, но формальные сравнительные испытания на насекомых оказались удивительно редкими.»

Почему эусоциальные насекомые такие необычные

Эусоциализм считается одной из самых развитых форм социальной организации в природном мире. Виды, живущие таким образом, образуют колонии с пересекающимися поколениями, сотрудничают в воспитании молодых и разделяют репродуктивные обязанности. Только один человек или небольшое число особей размножаются, в то время как остальные выполняют функции работников.

Все муравьи эвсоциальны, как и медоносные пчёлы и некоторые осы. В отличие от эусоциализма, встречается лишь редко у других групп насекомых, включая термитов, трипсов, тлей и небольшое количество жуков.

Много лет учёные сосредотачивались на гаплодиплоидии как на возможном объяснении того, почему такой образ жизни так часто эволюционировал у муравьёв, пчёл и ос. В рамках этой генетической системы самки развиваются из оплодотворённых яиц и обладают двумя наборами хромосом, тогда как самцы развиваются из неоплодотворённых яиц и имеют только одну пару.

Такое соглашение может сделать сестёр более близкими друг к другу, чем к своим собственным потомкам. Эволюционная теория предполагала, что самки иногда могут получить большее эволюционное преимущество, помогая воспитывать своих сестёр, чем производя собственное потомство.

Эта идея получила большое влияние в эволюционной биологии и в конечном итоге широко появилась в учебниках по биологии. Несмотря на свою важность, гипотеза редко оценивалась с использованием больших эмпирических наборов данных, охватывающих широкий спектр насекомых.

Тестирование 60-летней эволюционной идеи

Чтобы проверить гипотезу в масштабном масштабе, Суреш и старший автор Тимоти Линксвайер собрали информацию о социальном поведении и генетике из десятков тысяч видов насекомых. Затем они перенесли эти характеристики на два из самых крупных доступных семейных деревьев насекомых на уровне видов.

Используя филогенетические сравнительные методы, исследователи оценили, как часто эусоциальность эволюционировала у насекомых с разными генетическими системами. Изначально результаты подтверждали традиционное объяснение. Эусоциальность, по-видимому, проявлялась чаще среди гаплодиплоидных насекомых. Однако более глубокое изучение дало совершенно иную картину. Почти весь статистический сигнал поступал с одной ветви генеалогического древа насекомых.

«Когда мы официально тестировали это, мы обнаружили, что нет реальной связи между системой генетического определения и эусоциальностью», — сказал Суреш. «Это больше связано с факторами окружающей среды и жизненными чертами насекомых.»

С учетом необычной эволюционной истории перепончатых перепончатокрылых, исследователи обнаружили, что гаплодиплоидные насекомые вне этой группы развивали эусоциальность со скоростью, сопоставимой с теми, что наблюдаются у диплоидных насекомых.

Почти 69 000 видов демонстрируют иной характер

Эти результаты также помогают объединить недавние исследования, которые вызвали сомнения в том, насколько гаплодиплоидия действительно важна для эволюции сложных насекомых обществ.

Исследуя почти 69 000 видов насекомых, представляющих широкий спектр разнообразия насекомых, команда Университета штата Аризона обнаружила, что очевидная связь между гаплодиплоидикой и эусоциальностью во многом является следствием эволюционной истории в отдельных линиях. Похоже, что это не универсальное биологическое правило.

Это смещает внимание на другие характеристики, которые могли помочь муравьям, пчёлам и осам неоднократно развивать очень кооперативные колонии. Такие особенности, как жала, специализированное гнездовое поведение и другие биологические особенности, могли создавать условия, делающие сотрудничество более выгодным и способствовавшие появлению сложных насекомых обществ снова и снова.

Проведенное исследование представляет собой один из самых комплексных эмпирических тестов фундаментальной идеи эволюционной биологии, подчеркивая ценность использования больших сравнительных наборов данных для повторного изучения теорий, которые оставались влиятельными десятилетиями.