Ewolucja mózgów pszczół miodnych

Naukowcy proponują nowy model ewolucji wyższych funkcji mózgu i zachowań owadów błonkoskrzydłych. Zespół porównał komórki Kenyona, rodzaj neuronu, w ciałach grzybów (część mózgu owada zaangażowana w uczenie się, pamięć i integrację sensoryczną) „prymitywnych” motyli i rozwiniętych pszczół miodnych. Odkryli, że trzy różne, wyspecjalizowane podtypy komórek Kenyon w mózgach pszczół miodnych wyewoluowały z pojedynczego, wielofunkcyjnego przodka komórek Kenyon. W przyszłości badania te mogą pomóc nam lepiej zrozumieć ewolucję niektórych wyższych funkcji i zachowań mózgu.

Czy jesteś „pracowity jak pszczoła”, „towarzyski motyl” czy „mucha na ścianie”? Istnieje wiele sposobów, w jakie porównujemy nasze zachowanie do zachowań owadów, i jak się okazuje, może to być coś więcej niż tylko zabawa. Badanie owadów może pomóc nam zrozumieć nie tylko ewolucję ich zachowania, ale także zachowanie wysoko rozwiniętych zwierząt, w tym nas. Mózgi ssaków są duże i złożone, więc trudno powiedzieć, które zachowania oraz zmiany neuronalne i genetyczne powstały razem w czasie. Dla porównania, mózgi owadów są znacznie mniejsze i prostsze, co czyni je użytecznymi modelami do badań.

„W 2017 roku poinformowaliśmy, że złożoność podtypów komórek Kenyona (KC) w ciałach grzybów w mózgach owadów wzrasta wraz ze zróżnicowaniem behawioralnym błonkoskrzydłych (duży i zróżnicowany rząd owadów)” – wyjaśnił profesor Takeo Kubo z Kenyon University Graduate School of Science . University of Tokyo i współautor obecnego badania. „Innymi słowy, im więcej podgatunków owadów KC, tym bardziej złożony jest ich mózg i zachowania, które mogą wykazywać. Ale nie wiedzieliśmy, jak ewoluowały te różne podgatunki. To był katalizator dla tego nowego badania”.

Zespół z Uniwersytetu Tokijskiego i japońskiej Narodowej Organizacji ds. Rolnictwa i Żywności (NARO) wybrał dwa gatunki błonkoskrzydłych jako przedstawicieli różnych zachowań: samotną rzepę (która ma jeden podgatunek KC) i wyewoluowaną społeczną pszczołę miodną (która ma jeden podgatunek KC ). trzy podgatunki KC). Ponieważ mucha ma bardziej „prymitywny” mózg, uważa się, że ma pewne cechy przodków mózgu pszczoły miodnej. Aby odkryć wśród nich potencjalne ścieżki ewolucyjne, naukowcy wykorzystali analizę transkryptomu do profilowania ekspresji genów (aktywności genów) różnych podtypów KC i spekulacji na temat ich funkcji.

„Byłem zaskoczony, że każdy z trzech podgatunków KC pszczół miodnych wykazywał podobne podobieństwo do pojedynczego podgatunku KC u muchy tartacznej” – powiedział profesor nadzwyczajny Hiroki Kono, współautor z Graduate School of Science. „Na podstawie naszej wstępnej analizy porównawczej kilku genów postawiliśmy wcześniej hipotezę, że kolejne podtypy KC były dodawane jeden po drugim. Wydaje się jednak, że oddzieliły się one od wielofunkcyjnego typu przodków poprzez funkcjonalną segregację i specjalizację”. Wraz ze wzrostem liczby podgatunków KC, każdy podgatunek prawie w równym stopniu odziedziczył pewne odrębne cechy od przodków KC. Następnie był modyfikowany na różne sposoby, urozmaicając jego dotychczasową funkcjonalność.

Naukowcy chcieli konkretnego behawioralnego przykładu tego, jak funkcje KC przodków istnieją zarówno u motyli, jak i pszczół miodnych. Wyszkolili więc motyle, aby zaangażowały się w wspólny test zachowania pszczół miodnych, w którym nauczyły się kojarzyć bodziec zapachowy z nagrodą. Chociaż na początku było to trudne, zespołowi udało się w końcu zaangażować Saw w zadanie pamięciowe. Następnie naukowcy zmanipulowali gen o nazwie CaMKII u larw borowika, który u pszczół miodnych jest powiązany z tworzeniem pamięci długotrwałej, która jest funkcją KC. Gdy larwy stają się dorosłe, ich pamięć długotrwała jest osłabiona, co sugeruje, że gen odgrywa podobną rolę zarówno u bobrowatych, jak i pszczół miodnych. Chociaż CaMKII był wyrażany (tj. był aktywny) w całym pojedynczym podtypie KC u bobrowatych, u pszczół miodnych był preferencyjnie wyrażany tylko w jednym podtypie KC. Wskazuje to, że rola CaMKII w pamięci długotrwałej przeszła na specyficzny dla pszczół miodnych podtyp KC.

Pomimo różnic w wielkości i złożoności mózgów owadów i ssaków, istnieją podobieństwa pod względem funkcji i podstawowej struktury układu nerwowego. Dlatego zaproponowany w tym badaniu model ewolucji i dywersyfikacji podgatunków KC może pomóc w lepszym zrozumieniu ewolucji naszego zachowania. Następnie zespół jest zainteresowany badaniem nabytych gatunków KC równolegle z zachowaniami społecznymi, takimi jak „taniec machania” pszczół miodnych.

„Chcielibyśmy wyjaśnić, czy przedstawiony tutaj model ma zastosowanie do ewolucji innych zachowań” – powiedział Takayoshi Kuwabara, doktorant i główny autor z Graduate School of Science. „Istnieje wiele tajemnic dotyczących podstawy neuronalnej, która kontroluje zachowania społeczne, czy to u owadów, zwierząt, czy ludzi. Sposób, w jaki ewoluowała, jest nadal w dużej mierze nieznany. Myślę, że to badanie jest pionierską pracą w tej dziedzinie.”

—

Tytuł artykułu:

Takayoshi Kuwabara, Hiroki Kono, Masatsugu Hatakeyama, Takeo Kubo. Ewolucyjna dynamika ciała grzyba Typy komórek Kenyona w mózgach błonkoskrzydłych od typów wielofunkcyjnych do funkcjonalnie wyspecjalizowanych. Postęp nauki. DOI: 10.1126/sciadv.add4201

Finansowanie:

Badania te były wspierane przez Grant-in-Aid for Scientific Research (B) 20H03300 (TKubo) oraz Grant-in-Aid dla JSPS Fellows 21J20847 (TKuwabara).

Przydatne linki

Absolwent Szkoły Nauk: https://www.su-tokyo.ac.jp/en/