Questo organo "inutile" determina quali formiche crescono in grandi soldati

Le colonie di formiche hanno sviluppato alcuni sorprendenti tratti collettivi nel corso dei 150 milioni di anni o così da aver strisciato sulla Terra. Le formiche del fuoco si collegano per creare zattere spaventosamente efficaci, ad esempio, e alcune formiche dell'esercito sembrano istintivamente costruire ponti di formiche perfettamente efficienti per raccogliere cibo.

Questi insetti sembrano anche avere la capacità di controllare le loro popolazioni, mantenendo un rapporto fisso tra soldati e lavoratori. Il modo in cui tali sistemi di casta delle formiche sono diventati qualcosa di misterioso per gli entomologi, ma uno studio pubblicato su Nature oggi rivela che se una formica diventa un soldato o un lavoratore ha a che fare con un organo che a lungo era ritenuto inutile: i dischi delle ali.

"Questi sistemi di casta sono uno dei maggiori fenomeni inspiegabili dell'evoluzione fenotipica", afferma Scott Powell, biologo della George Washington University di Washington DC "Questo studio identifica realmente il principale centro di controllo sottostante che produce queste caste".

I dischi delle ali, minuscoli sacchetti di cellule, sono destinati a diventare ali su una regina, ma crescono nelle larve e poi muoiono durante la metamorfosi per produrre soldati senza ali. Lo studio mostra che questi dischi ala rudimentali non sono poi così rudimentali, ma influenzano piuttosto lo sviluppo delle larve di formiche.

"Il punto veramente importante di questo lavoro è che gli organi rudimentali e le strutture rudimentali, che si credeva a lungo non abbiano alcuna funzione, potrebbero effettivamente avere importanti ruoli di segnalazione durante lo sviluppo", afferma il biologo evoluzionista Ehab Abouheif della McGill University, l'autore senior del nuovo studio. (Dichiarazione di non responsabilità: ho parlato con Abouheif della sua ricerca prima della pubblicazione e mi ha incluso nei riconoscimenti del documento.)

Le larve dei soldati in via di sviluppo producono grandi dischi alari rudimentali, mentre le larve dei lavoratori no. Precedentemente pensati di morire semplicemente durante la metamorfosi, i dischi delle ali sembrano avere una certa influenza sulla crescita di altre parti del corpo.

"[I dischi delle ali] diventano piuttosto grandi - è un po 'sorprendente", afferma Diana Wheeler, biologa delle formiche dell'Università dell'Arizona che ha studiato la determinazione delle caste dagli anni '80. “Evidentemente non è qualcosa di cui l'evoluzione ha semplicemente dimenticato di sbarazzarsi. Sembra che venga utilizzato per qualcosa. "

L'apparente funzione dei dischi alari delle larve di formica ha implicazioni significative per la storia evolutiva dell'insetto. Le prime formiche produssero colonie con una regina alata e una casta operaia senza ali, e successivamente, in diversi lignaggi indipendenti, la casta operaia fu ulteriormente differenziata in sottoreti. In Pheidole, un genere iperdiverso che comprende più di 1.000 specie di formiche, la casta operaia è divisa in lavoratori minori e soldati. I soldati hanno teste sproporzionatamente grandi che usano per la difesa e la lavorazione delle sementi, mentre i lavoratori minori costituiscono dal 90 al 95 percento della colonia e svolgono compiti come l'allevamento delle nidiate e il foraggiamento.

Gli studi di Wheeler degli anni '80 hanno dimostrato che le formiche Pheidole possono regolare la percentuale di lavoratori minori e soldati nella colonia. Un modo in cui funziona questa regolamentazione è attraverso un feromone inibitorio - un idrocarburo cutaneo - prodotto dai soldati che sopprime lo sviluppo del soldato nelle larve se i soldati superano circa il cinque percento della popolazione della colonia.

Per indagare sulla relazione tra i dischi delle ali e il subcaste del soldato, Abouheif e il suo team hanno abbattuto un gene chiamato vestigiale, che fa morire le cellule del disco delle ali molto presto nello sviluppo. Abbattere il vestigiale nelle larve destinate al soldato ridusse le dimensioni della testa e del corpo degli animali, producendo lavoratori minori, mentre l'abbattimento del vestigiale nei lavoratori minori non produsse alcun effetto.

Il team ha quindi allevato larve destinate ai soldati con popolazioni adulte di lavoratori minori al 100% o con soldati al 100%. Con il 100 percento di lavoratori minori nella colonia, le larve producevano soldati. Ma con i soldati al 100 percento, che emettevano il feromone idrocarburico cuticolare, la dimensione rudimentale del disco alare delle larve era significativamente ridotta e produceva formiche adulte con teste e corpi più piccoli.

Naturalmente, il fatto che gli organi influenzino lo sviluppo di altri organi all'interno del corpo non è nuovo. Precedenti esperimenti sugli insetti hanno dimostrato che le ali in via di sviluppo competono per esempio con nutrienti e fattori di crescita. Il danno ad un'ala in via di sviluppo può produrre segnali che ritardano lo sviluppo in tutto il corpo, consentendo al tempo di recupero del disco in modo che la crescita possa procedere in modo adeguatamente coordinato.

Ciò che colpisce qui, secondo il primo autore Rajendhran Rajakumar, è che invece di essere in competizione, l'ala rudimentale in realtà promuove la crescita della testa nel subcaste del soldato. “È ancora più sorprendente in base al fatto che questo tessuto non si forma negli adulti. È rudimentale, quindi non ci aspettavamo davvero di trovare il tipo di risultati che abbiamo ottenuto quando lo abbiamo turbato ”, afferma Rajakumar, che ha lavorato nel laboratorio di Abouheif a McGill ed è ora ricercatore presso Harvard.

Le formiche contrastano con altri insetti sociali come le api e le vespe, che non hanno evoluto polimorfismi dei lavoratori. Le api regina e operaia hanno tutte le ali e "se stai costruendo un'ala che deve volare, non puoi davvero giocare con la sua crescita, quindi la crescita di quei dischi è molto limitata", spiega Abouheif. Ciò potrebbe spiegare perché le api operaie, a differenza delle formiche, non si sono mai differenziate ulteriormente evolutamente in subcast.

Non ci sono molti esempi noti di organi rudimentali o rudimentali che guidano l'innovazione evolutiva. Oltre ai dischi delle ali, un'altra possibilità interessante è l'ovaio di un lavoratore ape larvale, che è grande come quello di una regina durante le prime fasi di sviluppo. Non è chiaro perché i lavoratori delle api larvali abbiano bisogno delle ovaie, poiché non si riprodurranno mai, afferma Mary Jane West-Eberhard, una biologa evoluzionista dello Smithsonian Tropical Research Institute.

"Quindi la domanda sarebbe: è importante per il normale sviluppo dei lavoratori avere l'ovaio presente nella prima larva?", Chiede. Solo le indagini future lo diranno.

"Spero che questo lavoro porti le persone a guardare in modo diverso ciò che pensano degli organi rudimentali e che provino a sondare ciò che queste cose stanno effettivamente facendo, invece di respingerle come una cosa rimanente", afferma Abouheif. "Penso che in realtà stiano recitando ruoli molto più grandi di quanto pensassimo in precedenza."