隨手在路邊花壇“扒拉”兩下，我們十有八九可以撞見幾只螞蟻。事實上，作為最常見的昆蟲，螞蟻家族有超過1.5萬個現生物種，廣泛分布在除極地之外的所有陸地生態系統中。如果把全球螞蟻都集中在一起，它們的總重量會超過地球上所有野生鳥類和哺乳動物的總和。
螞蟻看似微小，卻是實打實的“生存大師”，有著過人的社會協作能力與組織智慧。相比于人類不足十萬年的文明，螞蟻早在至少1億年前的白堊紀時期就已經形成了復雜的社會組織。
螞蟻為什么在演化上會如此成功？螞蟻的社會組織又是如何演化形成的？
6月16日，由中國科學家領銜的研究團隊在《細胞》發表論文，正式揭示了螞蟻的演化歷史和螞蟻社會系統的演化機制，并系統解析了推動螞蟻社會行為、社會分工、社會組織結構演化的關鍵基因。
“答案正在因此而變得更加清晰。”論文通訊作者、浙江大學生命演化研究中心教授張國捷告訴《中國科學報》。
蟻穴剖面示意圖。從“一夫一妻”走向復雜化
“高度的社會化是螞蟻成功的重要倚仗。”據張國捷介紹，螞蟻物種演化出了從簡單到高度復雜的社會組織形式，并且在社會行為方式具有非常多的多樣化，這使它們能占據不同的生態位。
在最基礎的螞蟻社會中，存在繁殖品級與勞力品級兩大基本階層。繁殖品級分為雌性和雄性，交配后雄蟻死亡，雌蟻地下筑巢，成為產卵繁衍的蟻后。屬于勞力品級的工蟻由蟻后所生，雖同為雌性，但失去或被抑制繁殖能力，在功能上趨于“中性”，專司覓食、育幼等勞動任務。
法老小家蟻的發育過程和品級分化。這套基礎社會架構在不同螞蟻物種中還衍生出了千變萬化的形態，有些物種維持單蟻后巢穴，另一些則允許多蟻后共存；更有甚者，在某些特化物種中，蟻后品級完全消失，轉而由工蟻通過無性繁殖以延續種群。
與如今的復雜情況不同，螞蟻的祖先遵循著類似“一夫一妻”的繁殖模式。根據漢密爾頓的親緣選擇理論推測，最原始的螞蟻社會很可能是“單配制”的，一只雌蟻與一只雄蟻會形成穩定的配偶關系，共同繁衍后代。
“單配制保證了所有巢穴成員具有更高的親緣關系。”論文共同第一作者，浙江大學生命演化研究中心的博士后丁果解釋道，如果有的個體不繁殖，而是去照顧和自己有血緣關系的兄弟姐妹，基因仍然可以向下遺傳。
他表示：“這為出現穩定的生殖分工奠定了基礎，從而促成了螞蟻從獨居物種演化成社會性群體物種出現。”
分工嚴格的螞蟻“帝國”
在螞蟻“帝國”，嚴格的分工確保了整個群體的高效運作與生存繁衍。知其然還要知其所以然，研究人員將目光轉向其背后精妙的遺傳機制時，發現這種生殖分工并非偶然形成，而是漫長自然選擇與演化塑造的結果。
“在基因組層面上，我們觀察到螞蟻基因組在演化過程中頻繁發生染色體重排現象，但其中有大約970個基因簇在過去1.57億年里在超過80%螞蟻物種保持著穩定的共線性，基本變化不大。”據論文共同通訊作者、中國科學院昆明動物研究所副研究員的劉薇薇介紹，這些基因簇具有協同表達模式，部分基因存在品級間差異表達，提示其可能參與調控發育和代謝等基礎生命過程，并在社會行為和組織結構的演化中發揮重要作用。。
隨著蟻后與工蟻之間生殖分工的逐漸演化，工蟻群體內部也進一步分化出多種更為細致的亞品級，甚至部分物種特化出了體型相對龐大的兵蟻。例如，在切葉蟻亞科的龜蟻屬中，兵蟻的頭部好似一個“扁平圓盤”，在遇到外敵入侵時，它們可以像盾牌一樣堵住巢穴入口，而工蟻頭部較小，主要負責覓食和巢內維護。
劉薇薇表示，螞蟻社會復雜度持續升級的核心驅動力在于群體規模的擴張。“隨著蟻巢規模的擴大，工蟻會逐漸分化出更多的亞品級，產生更精細的勞動分工。”
那么，在基因上品級的細化是如何發生的呢？論文共同作者、浙江大學生命演化研究中心客座學者冉浩解釋，關鍵調節通路上的關鍵基因表達差異是品級與亞品級形成的基礎，而與保幼激素調控及腦發育相關基因的表達量差異，為這一演化過程提供了分子層面的佐證。
“比如說，我們發現膠質細胞缺失基因（gcm）在多個物種中呈現出小型工蟻比大型工蟻的大腦中有更高的表達量。作為一個和大腦膠質細胞發生相關的轉錄因子，gcm基因可促進神經膠質功能的分化，進而在不同工蟻亞品級中產生特化的行為。”論文共同第一作者、南昌大學青年教師熊子軍博士補充說。
平凡螞蟻也有非凡的生存策略
在1.57億年的演化過程中，不止形成生殖分工和亞品級，螞蟻還產生了一系列社會性特征：有的會種植真菌當作“莊稼”，有的像牧民一樣放牧蚜蟲獲取“奶源”，或是組織“軍隊”劫掠其他蟻群，甚至玩轉“社會性寄生”，巧妙地利用別種螞蟻為自己撫養后代……這些特征彼此互相連鎖或排斥，形成了模塊化的動態組合系統，催生了組織復雜度各異的螞蟻社會組織形式。
螞蟻組織中不同的社會性特征。均由研究團隊供圖
研究人員全面解析了這些特征的演化規律和不同特征間的相互關系，并找出背后的基因調控基礎。“我們發現，不同特征之間出現了協同演化關系，如螞蟻放牧蚜蟲獲得營養回報的共生現象往往伴隨著群體循跡覓食、大巢穴和多蟻后等性狀的出現，這些性狀的相互關聯協同又進一步增加了群體的社會組織復雜度。”張國捷說。
他表示，當螞蟻的社會性狀發生協同演化時，基因所承受的選擇壓力也會相應變化，一些基因被“強化”以適應新功能，另一些則被“放松”甚至退化。這種調控模塊選擇壓力的動態變化，推動了不同螞蟻物種之間社會組織結構的多樣性演化。
“螞蟻社會的演化歷程堪稱自然界的奇跡。”張國捷感慨道，自然選擇在基因、性狀、個體、群體層面同時發揮作用，這種多層次的演化機制不僅幫助我們理解螞蟻自身的社會結構演變，也為研究其他社會性動物的演化提供了重要的理論框架。
與此同時，螞蟻社會特征的形成與演化，還涉及到多個核心調控網絡被不斷重塑和整合的結果，這種“舊基因，新功能”的策略，“提示了生命演化的簡約之美”。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.030
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