Эволюция эусоциальности - Evolution of eusociality

Пчела рабочие, работающие над гребнем, отказались от способности воспроизводить потомство, что является крайним проявлением эусоциальный поведение.

Эусоциальность неоднократно эволюционировали в разных порядках животные, особенно Перепончатокрылые (в осы, пчелы, и муравьи ). Эта «истинная социальность» у животных, при которой бесплодные особи работают, чтобы способствовать репродуктивному успеху других, обнаруживается в термиты, жуки-амброзии, желчный тля, трипсы, морская губчатая креветка (Синалфей Regalis), голый землекоп (Heterocephalus glaber) и отряд насекомых Перепончатокрылые (в том числе пчелы, осы и муравьи).[1] Тот факт, что эусоциальность так часто развивалась у перепончатокрылых (от 8 до 11 раз).[2]), но остается редкостью во всем остальном животном царстве, поэтому его эволюция стала предметом споров среди эволюционных биологов. Эусоциальный поначалу кажется, что поведение организмов резко контрастирует с простыми интерпретациями Дарвиновская эволюция: передача своих генов следующему поколению, или фитнес, является центральной идеей в эволюционная биология.

Современные теории предполагают, что эволюция эусоциальности произошла либо из-за родственный отбор, предложено В. Д. Гамильтон,[3] или конкурирующей теорией многоуровневый отбор как предложено E.O. Уилсон и коллеги.[4] Для объяснения эволюции эусоциальности недостаточно одной характеристики или модели, и, скорее всего, путь к эусоциальности включал комбинацию предпосылок, экологических факторов и генетических влияний.

Обзор эусоциальности

Основная статья: Эусоциальность

Эусоциальность можно охарактеризовать четырьмя основными критериями: перекрывающиеся поколения, совместный уход за выводком, филопатрия, и репродуктивный альтруизм.[5] Перекрывающиеся поколения означают, что несколько поколений живут вместе, и что старшее потомство может помочь родителям растить своих братьев и сестер. Совместная забота о выводке - это когда люди, помимо родителей, помогают в воспитании потомства, используя такие средства, как сбор пищи и защита. Филопатрия - это когда люди остаются жить на своей родине.

Последняя категория, репродуктивный альтруизм, наиболее отличается от других социальных порядков. Альтруизм происходит, когда человек выполняет поведение, которое в некоторой степени приносит пользу получателю, но за его собственный счет.[3] Репродуктивный альтруизм - одна из самых крайних форм альтруизма. Это когда большинство членов группы отказываются от собственных возможностей размножения, чтобы участвовать в репродуктивном успехе других особей.[5] Лица, отказывающиеся от собственного репродуктивного успеха, образуют внутри группы бесплодную касту рабочих. Каждым видом, практикующим репродуктивный альтруизм, управляет королева, единственная размножающаяся самка, которая крупнее остальных. Остальная часть общества состоит из нескольких самцов, бесплодных рабочих мужского и женского пола и молодняка.[5]

Ранние гипотезы

Чарльз Дарвин считал эволюцию эусоциальности главной проблемой для своей теории естественный отбор. В Происхождение видов, он описал существование бесплодных каст рабочих среди социальных насекомых как «особую трудность, которая сначала казалась мне непреодолимой и фактически фатальной для всей моей теории». В следующем абзаце своей книги Дарвин описывает решение. Если признак бесплодия может передаваться некоторыми индивидуумами без выражения, и те особи, которые действительно проявляют бесплодие, помогают репродуктивным родственникам, бесплодие может сохраняться и развиваться.[6]

Дарвин был на правильном пути, за исключением того, что бесплодие не присуще всем общественным животным. Стерильные рабочие многих социальных видов на самом деле физиологически не стерильны. Рабочие-мужчины все еще могут производить сперму, а рабочие-женщины иногда откладывают яйца и у некоторых видов становятся новой королевой, если старая умирает (наблюдается у перепончатокрылых, термиты, и креветки).[1][5]

Это понимание привело к инклюзивный фитнес и родственный отбор стали важными теориями в течение 20-го века, чтобы помочь объяснить эусоциальность. Инклюзивная пригодность описывается как комбинация собственного репродуктивного успеха и репродуктивного успеха других людей, имеющих схожие гены.[1] Животные могут повысить свою инклюзивную приспособленность посредством родственного отбора. Родственный отбор - это когда люди помогают близким родственникам в их процессе воспроизводства, по-видимому, потому, что родственники будут размножать некоторые из собственных генов человека. Родственный отбор следует Правило Гамильтона, который предполагает, что если выгода от поведения для реципиента, с учетом генетического родства реципиента с альтруистом, перевешивает издержки поведения для альтруиста, то выполнение альтруистического поведения находится в генетическом преимуществе альтруиста. .[3]

Текущие теории

Гаплодиплоидия / родственный отбор

Основные статьи: Гаплодиплоидия и Родственный выбор

Уильям Д. Гамильтон предположили, что эусоциальность возникла у социальных перепончатокрылых в результате родственного отбора из-за их интересного генетического признака определения пола. гаплодиплоидия. Поскольку самцов производят партеногенез (они происходят из неоплодотворенных яиц и, следовательно, имеют только один набор хромосом), а самки происходят из оплодотворенных яиц, сестры от одноплодной матери разделяют (в среднем) 75% своих генов, тогда как матери всегда разделяют только 50% генов. их гены с их потомством. Таким образом, сестры будут больше распространять свои собственные гены, помогая своим матерям вырастить больше сестер, чем покидать гнездо и растить собственных дочерей.[3]

Хотя аргумент Гамильтона, кажется, хорошо работает для перепончатокрылых, он исключает диплоидные эусоциальные организмы (родство между братьями и сестрами ≤ родство между родителями и потомками = 0,5). Даже в гаплодиплоидных системах средняя степень родства между сестрами быстро падает, когда матка спаривается с несколькими самцами (r = 0,5 для 2 самцов и даже ниже для большего количества). Более того, самцы имеют только 25% общих генов своих сестер, а в случаях равного соотношения полов самки родственны своим братьям и сестрам в среднем на 0,5, что не лучше, чем воспитание собственного потомства.[7] Однако, несмотря на недостатки гипотезы гаплодиплоидии, она по-прежнему имеет определенное значение. Например, у многих пчел соотношение полов смещено в сторону самок, и они меньше инвестируют в самцов или убивают их. Анализ показал, что у перепончатокрылых предковая самка была моногамной в каждом из восьми независимых случаев развития эусоциальности.[2] Это указывает на то, что высокая степень родства между сестрами несколько раз способствовала развитию эусоциальности на начальных этапах. Это помогает объяснить обилие эусоциальных родов в отряде перепончатокрылых, включая три отдельных происхождения только внутри хальцитидных пчел.[8]

Моногамия

Гипотеза моногамии, сформулированная Якобус Бумсма в 2007 г. в настоящее время является ведущей гипотезой относительно начальной эволюции эусоциальности перепончатокрылых. Он использует подход родственного отбора Гамильтона таким образом, который применим как к гаплоидным, так и к диплоидным организмам. Если королева пожизненная - строго моногамный - другими словами, она спаривается только с одной особью в течение всей своей жизни - ее потомство будет в равной степени связано со своими братьями и сестрами и со своим собственным потомством (r = 0,5 в обоих случаях - это среднее значение сестер [0,75] и братьев [ 0,25]). Таким образом, естественный отбор будет способствовать сотрудничеству в любой ситуации, когда более эффективно воспитывать братьев и сестер, чем потомство, и это может начать проложить путь к эусоциальности. Эта более высокая эффективность становится особенно заметной после развития групповой жизни.[9][10]

У многих моногамных животных смерть индивида побуждает его партнера искать нового спутника жизни, что может повлиять на родство и препятствовать развитию эусоциальности: рабочие будут гораздо более связаны со своим потомством, чем их братья и сестры. Однако у многих перепончатокрылых есть форма пожизненной моногамии, при которой королева спаривается с единственным самцом, который затем умирает до основания колонии. Это, по-видимому, предковое состояние для всех линий перепончатокрылых, которые развили эусоциальность.[2] У большинства термитов также есть система спаривания, в которой репродуктивная самка (королева) на всю жизнь подчиняется одному самцу (королю), и этот образец, кажется, у термитов наследственный.[9] Наконец, строгая моногамия способствовала эусоциальности креветок, обитающих в губках.[11]

Инбридинг

У видов, где преобладает филопатрия, а эмигрантов в гнездо мало, интенсивная инбридинг может произойти, как и в случае с общественными видами. Инбридинг может имитировать и даже превосходить эффекты гаплодиплоидии. На самом деле братья и сестры могут иметь более 75% общих генов. Как и при гаплодиплоидном родовом отборе, особи могут размножать свои собственные гены больше за счет продвижения большего числа братьев и сестер, а не своего собственного потомства.[1][5] Например, необходимость рассредоточения и агрегации мультиклональных групп могла способствовать развитию эусоциальности тлей.[12]

Термиты

В отношении термитов были предложены две дополнительные гипотезы. Первая - это гипотеза хромосомного сцепления, согласно которой большая часть генома термитов сцеплена с полом. Таким образом, родство сестер превышает 50%, братьев - более 50%, а родство между братьями и сестрами - менее 50%. Рабочие-термиты могут смещать совместную заботу о выводке в пользу своего пола. Эта гипотеза также имитирует эффекты гаплодиплоидии, но предполагает, что самцы помогут вырастить только потомство самца королевы, в то время как самки будут заботиться только о потомстве самки королевы.[13]

Гипотеза о симбионте у термитов сильно отличается от других. С каждой линькой термиты теряют слизистую оболочку задней кишки и последующих бактерий и простейших, которые колонизируют их кишечник для переваривания целлюлозы. Они зависят от взаимодействия с другими термитами, чтобы их кишечник был повторно заселен, что вынуждает их стать социальными. Это могло быть предвестником или предпосылкой того, почему у термитов возникла эусоциальность.[13]

Предварительные условия

Хотя гипотеза о симбионте служит предпосылкой для эволюции термитов в эусоциальные общества, ученые обнаружили два важных предварительных условия для эволюции эусоциальности у всех видов. К ним относятся: 1. Altricial потомство (для достижения зрелости требуется большая родительская забота); 2. Низкая репродуктивная способность одиночных пар, которые пытаются воспроизвести потомство.[1] Эти предпосылки привели к появлению двух характеристик образа жизни, которые наблюдаются у всех эусоциальных видов: строительство гнезда и тщательная родительская забота.

Экологические факторы

Экологические факторы также, вероятно, были предшественниками эусоциальности.[14][15] Например, креветки, обитающие на губках, питаются питающимся потоком губок, термиты зависят от мертвой, разлагающейся древесины, а голые землекопы зависят от клубней в земле.[5][13][16] Каждый из этих ресурсов неравномерно распределен в среде обитания этих животных. Это означает, что рассредоточение связано с высокой стоимостью (человек может не найти другого источника, пока не умрет от голода), и эти ресурсы необходимо защищать, чтобы группа выжила. Эти требования делают необходимым наличие высокого социального порядка для выживания группы.[5][16]

Генетические влияния

Генетические ограничения могли повлиять на эволюцию эусоциальности. Установлено, что структура генома отряда перепончатокрылых имеет наибольшую скорости рекомбинации любых других групп в Animalia. Эусоциальный род Apis, медоносные пчелы, имеют самую высокую скорость рекомбинации у высших эукариот.[17][18] Гены, определяющие рабочий поведение и разделение труда были обнаружены в регионах Apis геном с самой высокой скоростью рекомбинации и молекулярной эволюции.[17] Эти механизмы, вероятно, важны для эволюции эусоциальности, потому что высокие скорости рекомбинации связаны с созданием новых генов, на основе которых естественный отбор может действовать.[18] Это могло быть важно для других эусоциальных родов. Предвзятые коэффициенты конверсии генов также выше у обычных видов.[17] Это могло бы увеличить генотипическое разнообразие, что могло бы позволить работникам легче удовлетворять требования меняющейся социальной структуры.[18] Другая гипотеза состоит в том, что более низкое общее генетическое разнообразие по мере увеличения уровня эусоциальности во всей семье Apidaeпроисходит из-за меньшего воздействия паразитов и патогенов.[19][20]

Механизмы

Манипуляции

Похоже, что эусоциальность поддерживается за счет манипуляций королевы над бесплодными рабочими.[1] Механизмы для этого включают гормональный контроль с помощью феромонов, ограничение пищи молодняком, чтобы контролировать их размер, потребление любых яиц, отложенных самками, кроме королевы, и поведенческое доминирование. У голых землекопов это поведенческое доминирование проявляется в том, что царица смотрит на рабочего лицом к лицу и толкает его через туннели норы голого землекопа на довольно большое расстояние.[5]

Выбор группы

Основная статья: Выбор группы

Новак и др. (2010) описывает путь, по которому эусоциальность может развиваться посредством многоуровневого (группового) отбора в пять этапов:[4]

  1. Формирование групп: Группы могут состоять из групп родителей и потомков или несвязанных групп (в ситуациях, когда сотрудничество выгодно), живущих в структурированном гнезде.
  2. Предварительная адаптация: предварительная адаптация к социальной жизни, такая как прогрессивное обеспечение, подтолкнет группу к эусоциальности.
  3. Мутации: Мутации возникнут и будут выбраны. Известно, что в истории социальных насекомых некоторые гены заставляли замолчать, что привело к уменьшению их рассредоточенности и возникновению касты бескрылых.
  4. Естественный отбор воздействует на возникающие признаки: Взаимодействие особей можно рассматривать как часть расширенного фенотипа королевы. Эти взаимодействия создают новые свойства, на которые может воздействовать естественный отбор.
  5. Многоуровневый выбор: Более кооперативные группы побеждают меньше кооперативных групп.

Однако статья Новака подверглась серьезной критике за ошибочное отделение теории инклюзивной приспособленности от «стандартного естественного отбора». Ответили более 150 авторов [21] утверждая, что Новак и др. искажают эмпирическую литературу за 40 лет.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Андерссон, М. (1984). «Эволюция эусоциальности». Анну. Rev. Ecol. Syst. 15: 165–189. Дои:10.1146 / annurev.es.15.110184.001121.
  2. ^ а б c Hughes, W.O.H .; Oldroyd, B.P .; Бикман, М .; Ратниекс, Ф. Л. У. (2008). «Моногамия предков показывает, что родственный отбор является ключом к эволюции эусоциальности». Наука. 320 (5880): 1213–1216. Bibcode:2008Научный ... 320.1213H. Дои:10.1126 / science.1156108. PMID  18511689. S2CID  20388889.
  3. ^ а б c d Гамильтон, В. Д. (1964). «Генетическая теория социального поведения, I, II». Журнал теоретической биологии. 7 (1): 1–52. Дои:10.1016/0022-5193(64)90038-4. PMID  5875341.
  4. ^ а б Новак; и другие. (2010). «Эволюция эусоциальности». Природа. 466 (7310): 1057–1062. Bibcode:2010Натура.466.1057N. Дои:10.1038 / природа09205. ЧВК  3279739. PMID  20740005.
  5. ^ а б c d е ж грамм час Ханикатт, Р. (1992). "Голые землекопы". Американский ученый. 80 (1): 43–53. Bibcode:1992AmSci..80 ... 43H.
  6. ^ Дарвин, К. (1859) О происхождении видов путем естественного отбора или о сохранении благоприятных рас в борьбе за жизнь. Джон Мюррей.
  7. ^ Фостер, К .; Wenseleers, T .; Ратниекс, Ф. (2006). «Родственный отбор - ключ к альтруизму». Тенденции в экологии и эволюции. 21 (2): 57–60. Дои:10.1016 / j.tree.2005.11.020. PMID  16701471.
  8. ^ Данфорт, Брайан (29 октября 2001 г.). «Эволюция социальности в примитивно эусоциальной родословной пчел». Труды Национальной академии наук. 99 (1): 286–290. Bibcode:2002ПНАС ... 99..286Д. Дои:10.1073 / pnas.012387999. ЧВК  117553. PMID  11782550.
  9. ^ а б Бумсма, Дж. (2007). «Родственный отбор против полового отбора: почему концы не сходятся». Текущая биология. 17 (16): R673 – R683. Дои:10.1016 / j.cub.2007.06.033. PMID  17714661. S2CID  886746.
  10. ^ Бумсма, Дж. (2009). «Прижизненная моногамия и эволюция эусоциальности». Фил. Пер. R. Soc. B. 364 (1533): 3191–3208. Дои:10.1098 / rstb.2009.0101. ЧВК  2781870. PMID  19805427.
  11. ^ Duff, J. E .; Макдональд, К. С. (2010). «Родовая структура, экология и эволюция социальной организации креветок: сравнительный анализ». Труды Королевского общества B: биологические науки. 277 (1681): 575–584. Дои:10.1098 / rspb.2009.1483. ЧВК  2842683. PMID  19889706.
  12. ^ Аббат, Патрик (октябрь 2009 г.). «Об эволюции расселения и альтруизма у тлей». Эволюция. 63 (10): 2687–2696. Дои:10.1111 / j.1558-5646.2009.00744.x. PMID  19500147. S2CID  12865398.
  13. ^ а б c Торн, Б. (1997). «Эволюция эусоциальности у термитов». Анну. Rev. Ecol. Syst. 28 (11): 27–54. Дои:10.1146 / annurev.ecolsys.28.1.27. ЧВК  349550.
  14. ^ Бурк, А. Ф. (1999). «Размер колонии, социальная сложность и репродуктивный конфликт у социальных насекомых». Журнал эволюционной биологии. 12 (2): 245–257. Дои:10.1046 / j.1420-9101.1999.00028.x. S2CID  85187599.
  15. ^ Росс, Л. (2013). «Экология, а не генетика определения пола, определяет, кто помогает в эусоциальных популяциях». Текущая биология. 23 (23): 2383–2387. Дои:10.1016 / j.cub.2013.10.013. PMID  24268409.
  16. ^ а б Даффи, Дж (1996). «Эусоциальность в креветке кораллового рифа». Природа. 381 (6582): 512–514. Bibcode:1996Натура.381..512D. Дои:10.1038 / 381512a0. S2CID  33166806.
  17. ^ а б c Кент; и другие. (2012). «Рекомбинация связана с эволюцией структуры генома и рабочего поведения медоносных пчел». Труды Национальной академии наук. 109 (44): 18012–18017. Bibcode:2012PNAS..10918012K. Дои:10.1073 / pnas.1208094109. ЧВК  3497793. PMID  23071321.
  18. ^ а б c Уилферт; и другие. (2007). «Различия в скорости геномной рекомбинации среди таксонов животных и в случае социальных насекомых». Наследственность. 98 (4): 189–197. Дои:10.1038 / sj.hdy.6800950. PMID  17389895.
  19. ^ Капхейм; и другие. (2015). «Геномные признаки эволюционных переходов от одиночной к групповой жизни». Наука. 348 (6239): 1139–43. Bibcode:2015Научный ... 348.1139K. Дои:10.1126 / science.aaa4788. ЧВК  5471836. PMID  25977371.
  20. ^ Вудард; и другие. (2011). "Гены, участвующие в конвергентной эволюции эусоциальности пчел". Труды Национальной академии наук. 108 (18): 7472–7477. Bibcode:2011PNAS..108.7472W. Дои:10.1073 / pnas.1103457108. ЧВК  3088614. PMID  21482769.
  21. ^ Abbot, P. et al. (2011). «Теория инклюзивного фитнеса и эусоциальность». Природа. 471 (7339): E1 – E4. Bibcode:2011Натура.471Э ... 1А. Дои:10.1038 / природа09831. ЧВК  3836173. PMID  21430721.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)