Khi nhà nghiên cứu Daniel Kronauer vẫn còn là một postdoc vào năm 2008, anh ấy đã tới Okinawa, Nhật Bản, để tìm các mẫu vật hoang dã của loài kiến ​​đột kích vô tính (loài Ooceraea biroi). Ở đàn kiến ​​đầu tiên anh thu thập được, anh nhận thấy hai con kiến ​​có hình dáng kỳ lạ. Chúng nhỏ như kiến ​​thợ, nhưng chúng cũng có những chồi cánh nhỏ, điều này rất nổi bật vì thông thường chỉ có kiến ​​chúa mới mọc cánh. Điều khiến điều này thậm chí còn kỳ lạ hơn là những con kiến ​​đột kích vô tính thậm chí không có kiến ​​chúa: Để phù hợp với tên gọi của chúng, những con kiến ​​này sinh sản vô tính, vì vậy tất cả những con kiến ​​trong đàn đều là những bản sao di truyền gần như hoàn hảo.

Kronauer bị hấp dẫn bởi kiến ​​chúa thu nhỏ vì chúng có vẻ rất khác so với những con kiến ​​đột kích vô tính khác mặc dù ông tin rằng chúng là cùng một loài. Nhưng không có câu trả lời cho các câu hỏi của anh ấy, vì vậy anh ấy đã lấy một số mẫu vật, chụp một số bức ảnh để lưu lại và sau đó tiếp tục công việc của mình.

Vài năm sau, Kronauer thành lập một phòng thí nghiệm tại Đại học Rockefeller và thành lập một đàn kiến ​​đột kích vô tính để nghiên cứu. Một ngày nọ, sinh viên lúc bấy giờ là tiến sĩ của ông Buck trible đã tìm thấy thêm một vài kiến ​​chúa thu nhỏ kỳ lạ trong thuộc địa đó và quyết định mô tả đặc điểm của chúng.

Trible phát hiện ra rằng đôi cánh không phải là đặc điểm khác thường duy nhất của loài kiến. Những con kiến ​​​​lạ cũng thể hiện các hành vi xã hội khác nhau, có buồng trứng lớn hơn và đẻ nhiều trứng gấp đôi. Sử dụng các công cụ di truyền, ông lần theo dấu vết của tất cả những thay đổi này đối với một đoạn DNA dài 2.25 triệu cặp bazơ. Ở loài kiến ​​bình thường, DNA trên mỗi trong số hai bản sao của nhiễm sắc thể 13 của chúng là khác nhau. Nhưng trong kiến ​​chúa thu nhỏ, hai bản sao giống hệt nhau.

Như Trible, Kronauer và đồng nghiệp của họ báo cáo vào tháng ba in Hiện tại Sinh học, tất cả các đặc điểm của loài kiến ​​kỳ lạ — cánh, hành vi xã hội và đặc điểm sinh sản — đều do cái mà các nhà di truyền học gọi là gen siêu cấp, một tập hợp các gen được di truyền thành một đơn vị và có khả năng chống lại sự phân chia cao. Tại một thời điểm nào đó trong quá trình tiến hóa của chúng, loài kiến ​​đã có được bản sao thứ hai của siêu gen đó và sự thay đổi nhiễm sắc thể đó đã biến đổi cơ thể và hành vi của chúng. Các phát hiện đã gợi ý một cơ chế mới về mức độ mà sự kết hợp phức tạp của các bộ phận cơ thể và hành vi đôi khi có thể xuất hiện cùng một lúc trong quá trình tiến hóa: thông qua một đột biến nhân đôi một siêu gen, chuyển đổi trên toàn bộ bộ tính trạng như chuỗi đèn được điều khiển bằng công tắc đèn.

Các nhà nghiên cứu về loài kiến ​​rất hào hứng với công việc này, và không chỉ vì nó dường như giải quyết được một bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ về cách ít nhất một dạng ký sinh xã hội tiến hóa ở loài côn trùng này. Những khám phá về siêu gen cũng có thể giúp họ xác định các đặc điểm được tìm kiếm từ lâu trong cấu trúc di truyền của loài kiến ​​khiến cho các thuộc địa của chúng phát triển thành các đẳng cấp có thứ bậc gồm kiến ​​chúa và kiến ​​thợ.

Nói rộng hơn, nghiên cứu mới cũng đưa ra những hiểu biết sâu sắc về câu hỏi tiến hóa cơ bản về mức độ khác nhau của các cá thể trong một loài.

“Điều thú vị nhất về nghiên cứu này là nó mở ra bao nhiêu hướng đi trong tương lai,” ông nói Jessica Purcell, một nhà di truyền học tiến hóa tại Đại học California, Riverside, người nghiên cứu bộ gen của kiến.

Nghịch lý của chủ nghĩa ký sinh

Kiến thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu như Kronauer và Trible vì hầu hết các loài đều có cấu trúc xã hội gắn liền với đặc điểm sinh học của chúng. Trong một tổ điển hình, một con kiến ​​chúa lớn, sinh sản duy nhất chủ trì quân đoàn kiến ​​thợ cái nhỏ hơn, không sinh sản là con gái của nó. Kiến thợ xây tổ, thu thập thức ăn, đẩy lùi những kẻ xâm lược và chăm sóc đàn con non, giải phóng ong chúa để chỉ đẻ trứng.

Tuy nhiên, một số loài kiến ​​đi chệch khỏi kế hoạch đó bằng cách tham gia vào các hình thức ký sinh xã hội — nghĩa là chúng khai thác cấu trúc xã hội của một loài kiến ​​khác. Ví dụ, kiến ​​làm nô lệ đánh cắp ấu trùng từ các tổ khác và in hóa chất lên chúng để trở thành kiến ​​thợ phục vụ kiến ​​chúa.

Nhiều thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng một số loài kiến ​​sử dụng một loại ký sinh trùng bí mật hơn. Các ký sinh trùng đã mất đẳng cấp công nhân của họ. Để tồn tại, kiến ​​chúa nhỏ xâm nhập vào tổ của các loài kiến ​​khác và đẻ trứng ở đó. Những con ong thợ bị bóc lột sau đó làm mọi thứ cho chúng, từ chăm sóc đàn con đến bảo vệ và cho chúng ăn. Mối quan hệ như vậy giữa các loài được gọi là ký sinh bắt buộc, bởi vì ký sinh trùng không thể tự tồn tại.

Những ký sinh trùng xã hội không có nhân công này, đôi khi được gọi là inquilines (từ tiếng Latinh có nghĩa là "người thuê nhà"), có hình dáng đặc biệt mà mắt người dễ dàng phân biệt chúng với vật chủ. Nhưng kế hoạch ký sinh của chúng thành công vì chúng đã phát triển các cách đánh cắp mùi hóa học từ tổ vật chủ để ngụy trang.

Các phân tích bộ gen đã chỉ ra rằng các loài kiến ​​inquiline đã tiến hóa độc lập hàng chục lần và gần như tất cả chúng đều ký sinh vào một loài có quan hệ họ hàng gần với vẻ ngoài và hành vi như loài kiến ​​bình thường. Đối với các nhà sinh vật học tiến hóa, điều đó đặt ra một bí ẩn: Làm thế nào một loài ký sinh xã hội bắt buộc mới có thể tiến hóa từ loài vật chủ của nó? Nếu tổ tiên của chúng sống cùng nhau trong một tổ, chúng sẽ giao phối với nhau quá dễ dàng.

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng bước đầu tiên là sự cách ly sinh sản: rằng tổ tiên ban đầu của loài kiến ​​inquilines là những con kiến ​​bình thường được cách ly sinh sản với họ hàng của chúng đủ lâu để phân tách di truyền khỏi chúng và trở thành một loài mới. Chúng có thể tự sống, nhưng một số trong số chúng cuối cùng đã phát hiện ra lợi ích của việc lẻn vào tổ của tổ tiên để được giúp đỡ. Sự phụ thuộc của chúng vào vật chủ tăng dần, và chúng tiến hóa từ trạng thái ký sinh không bắt buộc hoặc “tùy nghi” thành ký sinh bắt buộc.

Kronauer giải thích, vấn đề với ý tưởng đó là chưa ai từng quan sát thấy trong tự nhiên điều gì nên là bước đầu tiên, thiết yếu của quá trình: sống tự do, ký sinh xã hội tùy tiện sống cô lập với họ hàng gần của chúng.

Những phát hiện mới của Trible và Kronauer đã làm đảo lộn những giả định trước đó. Kịch bản thay thế của họ tập trung vào cặp siêu gen không khớp trong loài kiến ​​đột kích vô tính. Vào một thời điểm nào đó trong lịch sử, một trong những con kiến ​​đó đã trải qua một đột biến thay thế gen siêu cấp trên một nhiễm sắc thể bằng một bản sao của gen siêu cấp từ nhiễm sắc thể kia. Con kiến ​​đột biến thu được với hai bản sao của phiên bản siêu gen “ký sinh” có thể đột nhiên phát triển thành một kiến ​​chúa thu nhỏ trông rất giống một con kiến.

Công trình đã chỉ ra rằng một đột biến duy nhất trong một siêu gen là đủ để tạo ra toàn bộ các thay đổi được quan sát thấy ở các ký sinh trùng bắt buộc, ngay cả trước khi kiến ​​​​được phân chia theo sự đầu cơ.

Trible, hiện đang làm việc tại Đại học Harvard, cho biết: “Bạn có thể chuyển từ sống tự do sang sống ký sinh bắt buộc chỉ trong một bước và bạn không cần phải thực hiện một số bước dần dần liên quan đến quần thể trung gian tùy nghi bị cô lập về mặt sinh sản”. “Những gì chúng tôi có thể chắc chắn là cha mẹ sống tự do có một cô con gái ngay lập tức là một ký sinh trùng bắt buộc.”

Anh ấy tiếp tục: “Đó là kịch bản chưa bao giờ được giải trí bởi bất kỳ nhà lý thuyết tiến hóa cổ điển nào, bởi vì đó là kịch bản được cho là một bước nhảy quá lớn để bạn thực hiện.”

Thực tế là một đột biến duy nhất có thể thay đổi tất cả những đặc điểm này trong một bước duy nhất “thực sự thay đổi cách chúng ta nghĩ về sự tiến hóa của những ký sinh trùng xã hội kỳ lạ, không cần lao động này,” Kronauer nói.

Sức mạnh của siêu gen

Người ta biết rất ít về lịch sử tiến hóa của siêu gen trên nhiễm sắc thể 13 tạo nên kiểu hình ký sinh xã hội. Tuy nhiên, nó không có khả năng tiến hóa thành một loài vô tính như kiến ​​đột kích. “Những con kiến ​​​​vô tính sẽ là nơi cuối cùng để tìm kiếm siêu gen,” cho biết Michel Chapuisat, người nghiên cứu về siêu gen kiến ​​tại Đại học Lausanne ở Thụy Sĩ.

Lý do là tất cả các loài kiến ​​trong một loài vô tính đều giống hệt nhau về mặt di truyền: Bỏ qua các đột biến ngẫu nhiên, bộ gen của chúng không thay đổi từ bố mẹ sang con cái. Tuy nhiên, một điều gì đó phức tạp hơn xảy ra ở các loài sinh sản hữu tính.

Trong các tế bào tạo ra trứng và tinh trùng, các bản sao nhiễm sắc thể của mẹ và con xếp thành hàng và hoán đổi các đoạn DNA tương ứng. Quá trình “tái tổ hợp” này cho phép các tập hợp các đặc điểm di truyền được sắp xếp lại một cách ngẫu nhiên; nếu không có nó, các gen sẽ bị khóa chặt trong dòng họ nội hoặc ngoại mãi mãi.

Do sự tái tổ hợp, các gen quy định các hành vi ký sinh khác nhau có thể đã được tập hợp ngẫu nhiên trên nhiễm sắc thể 13. Khi đó, chọn lọc tự nhiên sẽ ủng hộ mạnh mẽ sự kết hợp của các alen hoạt động tốt với nhau đó. Trible nói: “Nếu bạn có một gen xác định ký sinh trùng, bạn có thể dần dần đặt một loạt các gen khác bên cạnh nó để làm cho [con kiến] ngày càng trở thành ký sinh trùng tốt hơn.

Sự tái tổ hợp cuối cùng có thể lại tách các gen đó ra, nhưng một tai nạn di truyền định mệnh đã can thiệp. Đôi khi, khi các nhiễm sắc thể đang được sửa chữa sau khi bị hư hỏng, một đoạn DNA sẽ được lắp lại theo hướng đảo ngược. Bởi vì DNA đảo ngược không thể thẳng hàng với đối tác nhiễm sắc thể của nó, nó không thể tái tổ hợp, do đó, bất kỳ gen nào trong DNA được khóa vĩnh viễn với nhau như một đơn vị di truyền mới - gen siêu cấp.

Đó có thể là những gì đã xảy ra trên nhiễm sắc thể 13: Một sự đảo ngược trong đoạn DNA 2.25 triệu cặp cơ sở đó có thể đã khóa lại các đặc điểm của ký sinh xã hội như một siêu gen, mà chọn lọc tự nhiên sau đó đã duy trì. Purcell lưu ý rằng rất nhiều nghiên cứu xoay quanh những cách khác mà một siêu gen như thế này có thể xuất hiện, nhưng “có một lợi ích to lớn khi có các alen hoạt động tốt với nhau, được tập hợp lại thành một khu vực có khả năng tái tổ hợp thấp,” cô nói.

Chapuisat cho rằng có khả năng gen siêu đối với tất cả các đặc điểm ký sinh quan sát được đã tiến hóa trong một thời gian dài ở tổ tiên hữu tính của loài kiến ​​đột kích vô tính. Ký sinh trùng sẽ biểu hiện ở những con kiến ​​​​mang hai bản sao của siêu gen và những con kiến ​​​​có một hoặc không có bản sao nào sẽ là vật chủ của chúng. Khi kiến ​​đột kích trở thành dòng vô tính và dị hợp tử, chỉ với một bản sao của siêu gen, hành vi ký sinh biến mất - nhưng siêu gen vẫn tồn tại. Và khi một đột biến cuối cùng đã tạo ra những đột biến vô tính đồng hợp tử mới, những đặc điểm siêu gen không hoạt động được kích hoạt lại và những đột biến giống nữ hoàng thu nhỏ xuất hiện chỉ sau một đêm.

Sắp xếp lại nhiễm sắc thể và tiến hóa

Siêu gen kiến ​​này không phải là một ví dụ đơn lẻ; nếu có, nó có thể minh họa một cách tổng quát hơn và vẫn chưa được đánh giá cao, trong đó nhiều đặc điểm phức tạp phát triển.

“Ngày càng có nhiều nghiên cứu cho chúng ta thấy rằng sự sắp xếp lại bộ gen có thể có ảnh hưởng cơ bản đến hành vi và tổ chức xã hội của loài,” cho biết Christian Rabeling, một nhà côn trùng học tại Đại học Hohenheim ở Stuttgart, Đức, người nghiên cứu cách ký sinh xã hội phát triển ở loài kiến.

Trong chi sinh sản hữu tính 30 triệu năm tuổi của formica chẳng hạn như loài kiến, có ít nhất bốn dòng trong đó một siêu gen được chia sẻ xác định xem thuộc địa của chúng sẽ có một hay nhiều kiến ​​chúa. Các nhóm kiến ​​khác có siêu gen mà chúng tiến hóa độc lập, kiểm soát các tập hợp các đặc điểm hành vi và hình thái quan trọng đối với cách sống của chúng, Purcell nói.

Tất cả các siêu gen này có thể là thứ mà Trible và các nhà nghiên cứu khác hiện gọi là “nhiễm sắc thể xã hội”. Giống như các nhiễm sắc thể giới tính X và Y ở người xác định giới tính, các gen siêu cấp ở loài kiến ​​xác định tổ chức xã hội của các đàn kiến. Nó không phải là một so sánh thoáng qua cho Trible. Cả siêu gen và nhiễm sắc thể giới tính đều tập hợp các gen mà sau đó luôn được di truyền cùng nhau và quy định chung các bộ tính trạng. Giống như một số đặc điểm liên kết giới tính có lợi cho con đực hoặc con cái chứ không phải cả hai, các siêu gen ký sinh có thể có lợi cho các inquilines đồng hợp tử nhưng không phải là vật chủ dị hợp tử.

Trible nói: “Vì một số lý do, các nhà di truyền học quần thể đã coi nhiễm sắc thể giới tính là một dạng tiến hóa riêng biệt. Mặc dù vẫn chưa chắc mức độ phổ biến của các nhiễm sắc thể xã hội, nhưng “những gì [họ] đang nói với chúng ta là các gen siêu cấp có ở khắp mọi nơi và nhiễm sắc thể giới tính là một trường hợp đặc biệt của gen siêu cấp”.

Vẫn chưa biết chính xác những gen và yếu tố kiểm soát nào được nhóm lại trong siêu gen của loài kiến ​​đột kích vô tính. Nhưng việc mổ xẻ siêu gen đó và những gen khác ở các loài kiến ​​khác nhau có thể tiết lộ điều gì đó về sự tiến hóa và phát triển của các đẳng cấp trong đàn kiến. Khi ấu trùng kiến ​​đang phát triển, các dấu hiệu môi trường quyết định liệu nó sẽ trở thành kiến ​​chúa hay kiến ​​thợ, một quyết định quyết định hành vi của ấu trùng, kích thước cơ thể, sự phát triển của cánh và buồng trứng cũng như khả năng đẻ trứng của kiến. Những đặc điểm đó có mối liên hệ chặt chẽ với nhau đến mức các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng sự thay đổi trong thực nghiệm của một đặc điểm thường kéo theo những đặc điểm khác cùng với nó. Trible và Kronauer nghĩ rằng bằng cách tìm hiểu cách siêu gen ký sinh thay đổi mối tương quan giữa kích thước cơ thể và các đặc điểm khác liên quan đến nữ hoàng, các nhà nghiên cứu có thể khám phá ra cơ chế di truyền cho sự phát triển đẳng cấp bình thường.

Sự hình thành loài, tiến hóa và ký sinh trùng

Công trình của Trible và Kronauer cũng đặt ra những câu hỏi khác về quá trình tiến hóa và phát triển, bao gồm cả việc đột biến siêu gen liên quan như thế nào đến sự hình thành loài. bên trong formica kiến, các thuộc địa một nữ hoàng và nhiều nữ hoàng dường như không phân chia thành các dòng độc lập. Cả hai dạng siêu gen dường như được duy trì một cách thoải mái dưới dạng “đa hình” trong một loài duy nhất.

Đối với Chapuisat, câu hỏi đặt ra là liệu những con đột biến giống kiến ​​chúa có phải là một “dòng dõi gian lận” hành xử giống như một loài ký sinh trong loài kiến ​​đột kích vô tính hay không. “Hay nó đang trên đường trở thành một loài riêng biệt?” anh ấy hỏi.

Làm thế nào chính xác một sự kiện hình thành loài có thể xảy ra sau khi kiểu hình ký sinh phát sinh là một bí ẩn, nhưng loại đột biến siêu gen này cung cấp một cơ chế hợp lý cho sự hình thành loài nhanh chóng thông qua ký sinh xã hội, Purcell nói. Tuy nhiên, cả cô và Chapuisat đều cảnh báo rằng tất cả những câu hỏi và suy đoán này đều phức tạp bởi sự khó hiểu trong việc xác định thế nào là một loài trong một sinh vật vô tính như những con kiến ​​này.

Để chứng minh rằng một đột biến siêu gen thực sự là cơ chế mà các loài ký sinh xã hội tiến hóa, Rabeling gợi ý rằng điều quan trọng là phải xem liệu các đảo đoạn trên nhiễm sắc thể, vốn là dấu hiệu cấu trúc của siêu gen, có xuất hiện trong nhiều cặp vật chủ-ký sinh hay không. Hàng chục loài kiến ​​inquiline khác có đột biến siêu gen tương tự không?

Rabeling tin rằng có thể có những cơ chế khác, chẳng hạn như lai tạo, cũng có thể tạo ra siêu gen với chùm tính trạng này. Ông nói: “Tôi cho rằng không chỉ có một cơ chế về cách thức ký sinh xã hội phát triển, mà có thể là nhiều cơ chế khác nhau. “Và chúng ta càng nghiên cứu nhiều hệ thống thực nghiệm, chúng ta càng có thể tìm thấy nhiều cơ chế về nguồn gốc của chủ nghĩa ký sinh xã hội.”