一个物种内的个体可能与普通昆虫长得很像，但有一种纸黄蜂进化出了特殊的认知能力，能在同类中识别出个体的面孔。复杂的认知是如何在这个物种中进化的?
新的研究表明，在过去的几千年里，面部识别能力的进化相对较快，这表明黄蜂不断增长的智力提供了令人难以置信的进化优势。这项新的研究也揭示了智力是如何进化的，这对包括人类在内的许多其他物种都有意义。
在一项新的研究中，神经生物学和行为学助理教授迈克尔·希恩(Michael Sheehan)及其同事通过分析物种内部的遗传变异模式，探索了纸黄蜂的面部识别能力是如何以及何时进化而来的。
由康奈尔大学的研究人员领导的一个团队利用人口基因组学研究了北部纸蜂(圆头胡蜂)的认知进化。研究结果发表在1月24日的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上，题为《认知能力近期选择的进化动力学》(Evolutionary dynamics of recent selection on cognitive abilities)。
“我们想要探索的大问题是复杂的性状是如何进化的。认知进化的方式和节奏是什么?迈克尔·希恩(Michael Sheehan)说，他是生命科学领域南希和彼得·梅尼格(Nancy and Peter Meinig)的家庭研究员，也是神经生物学和行为学系的助理教授。“真正令人惊讶的结论是，在这些黄蜂的近代史上，最强烈的选择压力并不是应对气候、捕捉食物或寄生虫，而是更好地处理彼此之间的关系。”那是相当深刻的。”
至少在某些情况下，许多脊椎动物能够识别人脸，但在昆虫中，面部识别却相当罕见。在这项新的研究中，希恩和他的同事们通过分析物种内部的遗传变异模式来探索这种能力是如何以及何时进化的。“有点像《23andMe》，不过是纸黄蜂，”希恩说。
能识别面孔的昆虫种类不多，但它们有一个共同的特征:群居社会中有多个蚁后。在有一个蜂王的群体中，就像蜂群一样，角色是明确的，每个个体都知道自己的位置。但纸蜂的一个巢里可能有五个或更多的蜂王，而面部识别有助于这些蜂王与其他蜂王进行协商。
蜂王形成一个等级制度，占统治地位的蜂王生产大部分后代。从属的蚁后可以留下来产卵，也可以离开筑巢。但较小的巢穴更容易受到攻击、被偷或死亡。
“如果你是团队中的下属，你就放弃了很多下蛋的机会。在一个团队中工作是有好处的，但对个人来说也是有代价的。“在这些有多个蚁后相互交流的社会里，认知变得非常有用。”
在争夺统治地位的战斗中，女王们互相厮杀。通过识别对方的脸，蚁后可以追踪自己曾经打败过谁，或者被谁打败过，这就减少了它们在窝里的攻击性。
为了研究黄蜂的进化史，Sheehan和他的同事们组装了圆蚧及其两个近亲的基因组。当他们观察黄蜂基因组的遗传变异时，他们正在寻找显示最近正选择模式的DNA签名。当积极的选择是强大的和最近的，它留下了一个独特的标记，作为一个长链的DNA在群体中的个体之间几乎没有变化。
“我们在寻找缺乏多样性的DNA片段，”希恩说。“这表明，有时一种新的突变非常有益，它会席卷整个种群。缺乏多样性的DNA延伸时间越长，选择就必须越近、越激烈。”
分析显示，选择的最强烈特征是与昆虫视觉、学习和记忆有关的基因——所有这些特征都与面部识别有关。
为了将他们的发现置于背景中，研究人员对两种亲缘关系很近但不认识面孔的纸蜂进行了相同的分析。这些物种在学习或记忆方面没有表现出很强的选择模式，这支持了这样一个结论，即个体识别是褐家蚕特有的一种特征，是这种独特的选择模式的原因。
虽然这项研究的重点是纸黄蜂，希恩和他的同事们想要回答的主要问题是一般智力是如何进化的。
“我们的发现表明，认知进化不一定是渐进的，”希恩说。“有些突变可能会导致重大转变。这表明认知能力的快速适应可能对其他物种也很重要，比如人类的语言。”
该研究的主要作者萨拉·米勒(Sara Miller)是希恩实验室的博士后研究员。合著者包括希恩实验室的博士生安德鲁·莱根(Andrew Legan)和副研究员弗洛里亚·m·k·乌伊(Floria M.K. Uy)。
这项研究得到了美国国立卫生研究院新创新者奖、美国国家科学基金会终身成就奖和美国国家科学基金会博士后奖学金的资助。
Krisy Gashler是农业和生命科学学院的自由撰稿人。
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