论文标题：Brain investment under colony-level selection: soldier specialization in Eciton army ants (Formicidae: Dorylinae)

期刊：BMC Zoology

作者：Sean O’Donnell et al

发表时间： 2018/7/13

数字识别码：10.1186/s40850-018-0028-3

原文链接：https://bmczool.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40850-018-0028-3?utm_source=BMC_blog&utm_medium=Blog&utm_content=DavFal-BMC-BMC_Zoology-Veterinary_Sciences-Global&utm_campaign=BMCS_USG_JULY2018_Brains_vs_brawns_ants?utm_source=WeChat&utm_medium=Social_media_organic&utm_content=DaiDen-BMC-BMC_Zoology-Zoology-China&utm_campaign=BMCS_USG_BSCN_DD_BMCZ_BLOG#Abstract

社会性昆虫群体有着不同角色的等级分工，它们有独特的身体特征和行为。发表于BMC zoology上的一项新研究发现，在军蚁中，兵蚁不仅行为受限，其大脑所占的体积也比工蚁中的小，这一发现印证了演化过程会使行为需求有限群体中的大脑尺寸缩小的观点。这项研究的作者Sean O’Donnell分享了他的发现：

对大脑进化感兴趣的科学家经常利用物种之间的比较来探索神经系统是如何形成并适应环境的。形成脑组织成本很高，因此，对大脑（或特定的大脑区域）的分配与物种要处理的脑力或精神问题密切相关：应该有恰好足够的大脑能量和脑组织来维持相关功能，而不会有冗余。

我们想知道这一理论是否适用于相同物种中的成员，即大脑结构和分配会不会根据不同的行为需求产生可预测的差异。

超个体

括人类社会在内，动物社会的运行十分复杂。在与一系列社会伙伴和敌人交往的过程中，社会智慧的意义重大。

然而演化过程使得某些动物社会中的内部冲突被最小化；这通常发生在各群体成员关系密切、群体之间的激烈竞争有利于协作和正常运作时。这些社会的某些特征可以在群体层面而不是个体层面上对自然选择做出反应并演化。

当个体利益与群体整体保持一致时，我们可以把社会看作一个超个体。然后我们可以探究群体上的自然选择如何推动群体成员间的特殊演化。我们期望这些特殊演化能够提高群体的效率和性能。那群体选择是否倾向于减少某些成员的大脑体积？

等级间的比较

我们使用超个体框架来研究昆虫社会成员的大脑体积模式，特别是军蚁的大脑体积。众所周知，社会性昆虫群落被划分为不同的等级，即在社会群体中扮演不同角色的个体（例如蜜蜂群体中负责繁衍后代的蜂王和不育的工蜂）。

军蚁有着有趣且复杂的等级制度：不仅它们的蚁后有明显的不同，工蚁也被分为三种甚至四种不同的身体类型，每一种都负责群落中的不同工作。

军蚁（Eciton burchellii cupiens），正在觅食的中型工蚁(灰色箭头)和一只兵蚁(白色箭头)。

在军蚁的各等级中，Eciton属兵蚁行为的受限十分显著。兵蚁专门负责防卫工作，它们有巨大的、肌肉发达的头部，以及像冰钳一样长而有力的口器。

它们能有效地追捕、叮咬并刺伤敌人，主要是鸟类和包括野外生物学家在内的哺乳动物，此外几乎没有其他工作。在群落迁移过程中，士兵无法携带幼蚁或猎杀猎物，它们甚至不能养活自己。

那么兵蚁是否像所预测的一样，根据其简单的行为减少了大脑的体积？我们的数据表明答案是肯定的。

军蚁(Eciton burchellii parvispinum)中工蚁(A)和兵蚁(B)头壳和大脑的同尺度三维重建，标尺为0.5 mm。大脑结构是位于头壳中心的彩色部分。深蓝色:学习/记忆区域;浅蓝色:化学处理区域。

我们测量了几种不同种类Eciton军蚁的头部大小和脑区体积，对每种中不同尺寸的工蚁和兵蚁进行了比较。尽管工蚁的脑容量随着身体尺寸的增大而增加，但兵蚁脑容量不会随身体尺寸增长或增长较缓慢；虽然兵蚁比工蚁大，但它们有大小相近的大脑。

此外，基于兵蚁大脑总体积，两个关键的大脑区域比预期的要小：处理化学信息的区域以及另一个对学习和记忆至关重要的区域。

这些发现令人兴奋，它们支持这样一种观点，即当某一群体仅有有限行为需求时，群落效率的自然选择可以促进群体成员向大脑体积减小的方向演化。看来，Eciton兵蚁给“meat head（笨蛋）”这个俚语赋予了新的含义。

摘要：

Background

In eusocial animal colonies, individuals from different castes often play divergent behavioral roles and confront distinct cognitive demands. Neuroecology theory predicts variation in cognitive demands will correspond to differences in brain investment because brain tissue is energetically expensive. We hypothesized colony-level selection for efficient energy allocation will favor reduced brain investment for castes with reduced cognitive demands. Neotropical army ants (genus Eciton) have morphologically-based worker castes; the specialized soldiers have reduced behavioral repertoires. We asked whether Eciton worker brain size and brain architecture varied with body size, and predicted the specialized soldier caste would have reduced investment in brain tissue.

Results

Eciton brain size generally increased with body size, but relative brain size (brain size/body size ratio) decreased sharply with body size. Soldiers were the largest-bodied workers, but their total brain volume overlapped extensively with other workers and was small relative to body size. Furthermore, soldier chemosensory antennal lobes and central-processing mushroom bodies were smaller relative to their brain size.

Conclusions

These patterns suggest colony-level selection on brain investment efficiency has led to adaptive adjustments in brain tissue allocation among Eciton worker castes, with reduced brain investment in the behaviorally specialized soldiers.

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期刊介绍：BMC Zoology is an open access, peer-reviewed journal that considers articles on all aspects of zoology, including comparative physiology, mechanistic and functional studies, morphology, life history, animal behavior, signaling and communication, cognition, parasitism, systematics, biogeography and conservation.

来源：科学网