Forskare vid Harvard University har skissat en ny karta över den "evolutionära labyrint" som arter måste korsa för att nå eusocialitet, den sällsynta men spektakulärt framgångsrika sociala strukturen där individer samarbetar för att fostra avkommor.
De matematiska biologerna Martin A. Nowak och Corina E. Tarnita och evolutionsbiologen Edward O. Wilson presenterar sitt arbete den här veckan i tidskriften Nature. Deras modellering visar att den enkla naturliga urvalsteorin ensam kan förklara utvecklingen av eusoci alt beteende, utan behov av anhörigselektionsteori.
"De empiriska bevis som samlats in i vår artikel visar att eusocialitet är ytterst sällsynt eftersom arter måste navigera i en lång evolutionär labyrint för att nå detta tillstånd", säger Wilson, professor vid Pellegrino University, emeritus, vid Harvard. "Vi hoppas att vår nya teori för evolutionen av eusocialitet kommer att öppna upp sociobiologin för nya forskningsvägar genom att befria studiet av social evolution från obligatorisk anslutning till teorin om anhörigselektion. Efter fyra decennier som har bestämt sig för släktet är det dags att erkänna denna teoris mycket begränsad skicklighet."
Eusociala organismer, såsom myror, getingar och bin, bildar hierarkiska sociala system med reproduktiva drottningar och sterila arbetare - vilket innebär att många individer tar det evolutionärt kontraintuitiva steget att offra sin egen reproduktion för att ta hand om andras avkommor. Under fyra decennier har anhörigselektionsteori, baserad på konceptet inkluderande fitness, varit det största teoretiska försöket att förklara utvecklingen av sådant beteende.
"I vissa situationer är inkluderande fitnessteori, som försöker beräkna konditionseffekter som ges till släktingar, ett lämpligt alternativ till standardpopulationsgenetik", säger Nowak, professor i matematik och biologi vid Harvard och chef för universitetets Program för evolutionär dynamik. "Men den är inte tillämplig i allmänhet. Vår analys visar att teorin om inkluderande fitness vilar på bräckliga antaganden, som sällan håller i naturen. I motsats till många tidigare påståenden, bevisar vi att teori om inkluderande fitness inte är en utvidgad evolutionsteori och inte behövs. för att förklara eusocialitet. Standardteori om naturligt urval representerar ett enklare och överlägset tillvägagångssätt och ger en exakt ram för tolkning av empiriska observationer."
Eusocialitet är sällsynt, men viktigt inom evolutionsbiologin eftersom de få arter som ansluter sig till den – inklusive sociala insekter och till viss del människor – rankas bland planetens mest dominerande. Enbart myrors biomassa utgör mer än hälften av den för alla insekter, vilket överstiger den för alla landlevande icke-mänskliga ryggradsdjur tillsammans. Människor, som är mer löst eusociala, dominerar landryggradsdjur.
"Eusocialitet har uppstått oberoende cirka 10 till 20 gånger under evolutionens gång", säger Tarnita, en juniorstipendiat i Harvard's Society of Fellows. "Vår modell visar att det är svårt att få eusocialitet i första hand, men att den är väldigt stabil när den väl är etablerad. En koloni beter sig som en 'superorganism' som reproducerar arvsmassan hos drottningen och den sperma hon har lagrat."
Nowak, Tarnita och Wilsons förslag om eusocial evolution skisserar tre distinkta steg som arter kan ta för att kringgå eusocialitetens evolutionära kostnad:
- För det första måste arter bilda grupper inom en population, till exempel när bon eller föda lockar individer till diskreta platser en bit ifrån varandra, när föräldrar och avkommor förblir tillsammans, eller när migrerande flockar följer ledare.
- För det andra måste arter ackumulera egenskaper som uppstår genom vanligt naturligt urval, som gynnar övergången till eusocialitet. Till exempel samarbetar bin Ceratina och Lasioglossum, som ser ut att sitta på gränsen till eusocialitet, i födosök, tunnling och bevakning av resurser. En annan sådan föranpassning är progressiv proviantering, där en hona bygger ett bo, lägger ett ägg i det och sedan matar eller vaktar larver tills de mognar. Viktigast av allt är att kandidatarten måste bygga ett försvarbart bo.
- Slutligen måste individer utveckla gener som stöder eusocialitet, antingen genom mutation eller rekombination. Att korsa tröskeln till eusocialitet kräver i huvudsak att en hona och hennes avkomma inte skingras för att starta nya, individuella bon, utan snarare stannar kvar i det gamla boet. Även om eusociala gener ännu inte har identifierats, är minst två eusociala myrarter kända för att ha gener som dämpar lusten att ströva omkring från boet.
Om dessa steg följs och en art blir eusocial, kompenseras de evolutionära kostnaderna för individer som avstår från reproduktion av den kraftigt minskade dödligheten hos drottningen och hennes larver, som skyddas av kolonin. Hos vissa myrarter kan en drottning som bara lever i några månader om den bara lever i 25 år eller mer som en del av en koloni och producerar miljontals avkommor i processen.
Nowak, Tarnita och Wilsons arbete finansierades av John Templeton Foundation, National Science Foundation, National Institutes of He alth, Bill and Melinda Gates Foundation och J. Epstein.
