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普林斯顿大学新闻

Ant-y social: Successful ant colonies hint at how societies evolve

蚂蚁和人类生活在一个大的社会里,这个社会里有着复杂的结构——巢穴、城市——以及丰富的资源。在遥远的过去的某个时候,个人必须把自己组织成第一批简单的群体,这些复杂社会的前身。但如何?

普林斯顿大学(Princeton University)和洛克菲勒大学(Rockefeller University)的一组研究人员将复杂的数学模型与对克隆掠袭蚁(Ooceraea biroi)的详细经验观察相结合,解决了这个问题。

科瑞娜塔尼塔生态与进化生物学实验室(EEB)的研究生克里斯托弗托基塔(Christopher Tokita)说:“我们的研究结果表明,即使是在很小的群体中,也会出现一些非常显著和意想不到的好处,这可能为更大、更复杂的社会提供关键的踏脚石。”

科学家们发现,只有6个个体的蚂蚁群体从群体生活中获得了显著的好处,这可以通过更好地生存和生长更快的婴儿来衡量。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

洛克菲勒基金会的丹尼尔•克罗纳尔说:“在女王和工人等更为复杂的社会中,人们很容易发现个人是如何合作的,因为他们扮演着不同的角色。”“但昆虫社会并不是这样开始的。”

塔尼塔补充说:“事实上,这是整个生物系统面临的一个普遍难题。“从多细胞生物到昆虫群体,再到人类社会,大自然具有构建复杂群体的非凡能力,但我们尚未完全理解是什么促使了它们的出现。”

此外,她说,“我们习惯于把某些特征,比如分工或细胞分化,看作是大型复杂群体的特征,但我们这样想对吗?”

科学家们用蚂蚁来试图了解这些复杂群体最早的祖先可能是什么样子的。《自然》杂志上这篇论文的合著者托基塔说,小昆虫群体比独居个体更成功,主要有两个原因。“首先,可以说有更多的人手在工作,”他说。“重要的任务不会从缝隙中溜走,因为很有可能总有一个人来完成这项任务。”

其次,出乎意料的是,“在这些几乎相同的个体组成的小群体中,已经出现了初期的劳动分工,”塔尼塔补充道。

研究人员研究了从1到16个个体大小不等的蚂蚁群体。他们选择这个物种是因为它不同寻常的简单的社会组织:殖民地没有蚁后,只有同时繁殖的基因相同的工蜂。

Four ants with colored circles on them gather together

一小群无性系掠袭蚁携带幼虫。这些蚂蚁用单独的油漆标签标记,用于自动行为跟踪。

“这是一个理想的配对的实验和理论,”Tokita说。洛克菲勒克罗纳尔实验室的研究人员在长期的实验中观察了蚂蚁,这些实验为普林斯顿团队创建的数学模型提供了信息和指导。

Tokita说:“有了这个模型,我们可以提出一些问题,而这些问题是不可能通过其他方式提出的。”“例如,我们的模型预测,随着群体规模的扩大和劳动分工的出现,群体需求,比如饥饿,会变得更加稳定。这是一些任务的结果,比如觅食和护理,被更一致地执行,更少被忽视。虽然克罗诺埃尔实验室无法测量它们群体的饥饿水平,但他们能够回到相机跟踪数据,并证实,随着群体规模的扩大,这些任务确实得到了更一致的执行。这是惊人的!我们从我们的模型中得到了一个预测,当与经验数据相比较时,这个预测实际上是站得住脚的。”

从一开始,研究人员就假设,早期的劳动分工是他们在更大群体中取得成功的关键,这也是现代经济学家的一个常见假设。他们惊奇地发现这并非完全正确。Tokita说,劳动分工有助于但不是必要的,以产生观察到的健身与群体规模的增加。“相反,我们从理论上证明,单是群体规模的增长,即使没有分工,也可以为这些小殖民地带来好处。”

此外,他们的发现还挑战了一个关于群体动态的流行观点,即强大的团队需要强大的领导者。“复杂的行为,比如劳动分工,可以自我组织,”Tokita说。“我们使用的蚂蚁物种根本没有领袖。相反,所有的小组成员都是工人,他们每个人都生自己的蛋。”

诺瓦克说,这一“实证研究和理论研究之间令人印象深刻的合作”证实了塔尼塔与合著者马丁•诺瓦克和爱德华•威尔逊在2010年做出的预测。诺瓦克没有参与目前的研究。诺瓦克说,早前发表在《自然》杂志上的那篇论文认为,像蚂蚁或蜜蜂这样的复杂社会,只有“在小团体规模的群体中已经产生了呆在一起的好处”,才有可能进化,而这正是这项新的合作所决定的。

塔尼塔说:“在2010年,要想从实验上证实蚂蚁满足这一非常强的要求是不可能的。”正是塔尼塔所描述的“克罗诺埃尔实验室为把蚂蚁变成实验室模型生物体所做的巨大努力”,才使这一切在最近成为可能。她说:“从经验上重新审视这些想法是非常令人兴奋的,不仅能找到支持,还能在如此小的群体中揭示出如此出乎意料的丰富行为。”

这些发现对于理解社会行为的进化有着重要的意义。塔尼塔说:“它们表明,很多事情可以在很早就发生,我们认为复杂社会的特征实际上可能起源于最简单的群体。”

2016年,Tokita来到普林斯顿后不久便投身于这项工作。”如果你有告诉我几年前在我第一年作为一个研究生,我将有机会在一个很酷的工作项目,涉及蚂蚁——顺便说一句我一直着迷,因为我还是个孩子的时候,项目的结果将不仅有趣,而且也会找到进入大自然,我会告诉你停止和我开玩笑。”

“健身福利和紧急分工在集体生活的开始,“裕子乌尔里希,乔纳森•Saragosti克里斯托弗Tokita,科瑞娜Tarnita和丹尼尔Kronauer,发表在8月30日的《自然》杂志(网上发布8月22日),支持由美国国立卫生研究院拨款1 dp2gm105454-01,塞尔学者奖,Klingenstein-Simons奖学金奖在神经科学,皮尤研究中心生物医学学者奖,瑞士国家科学基金会(PBEZP3-140156和P300P3-147900)、洛克菲勒大学妇女与科学奖学金、克拉维斯奖学金和国家科学基金会研究生研究奖学金(DGE1656466)。