La complessità del cervello delle formiche è stata rivelata per la prima volta a livello cellulare utilizzando la tecnologia a cellula singola
Gli studiosi internazionali, guidati dalla ricerca cinese BGI, hanno utilizzato la tecnologia a cellula singola per studiare il cervello delle formiche, spiegando per la prima volta come la divisione sociale del lavoro all'interno delle colonie di formiche si riflette nella specializzazione funzionale dei loro cervelli a livello cellulare.
In uno studio, pubblicato da Nature Ecology and Evolution, (1) scienziati del BGI-Research del BGI Group, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Università di Copenaghen e altri, hanno applicato la piattaforma della libreria unicellulare BGI’s DNBeLab per ottenere più di 200.000 trascrittomi a nucleo singolo dal cervello delle 'formiche faraone' (2) e hanno costruito una mappa del trascrittoma unicellulare che copre tutti i fenotipi adulti di questa specie di formiche: lavoratori, maschi, ginecomastia (regine vergini) e regine.
Le formiche sono uno degli organismi di maggior successo sulla terra, esistendo da oltre 140 milioni di anni. Si stima che la biomassa (determinata moltiplicando una popolazione stimata per il peso medio dei suoi membri) delle formiche sia simile alla biomassa umana. Il successo delle formiche è generalmente attribuito al loro notevole comportamento sociale con una chiara divisione riproduttiva del lavoro. Le colonie di formiche sono state concettualizzate come superorganismi per più di un secolo. Ora sfruttando la tecnologia a cellula singola, gli scienziati sono stati in grado di determinare sistematicamente la complessità cellulare nel cervello di una formica e valutare la differenza di composizione delle cellule cerebrali tra individui all'interno della stessa colonia.
«Le nostre scoperte suggeriscono che la specializzazione funzionale del loro cervello sembra essere un meccanismo alla base della divisione dei compiti sociali tra le singole formiche», afferma il dottor Qiye Li, (3) primo autore dell'articolo e ricercatore presso BGI-Research. «Noi umani impariamo e ci alleniamo a svolgere lavori diversi, mentre le formiche nascono con un ruolo specifico nella loro colonia».
Il team di ricerca ha scoperto che i cervelli delle formiche operaie e maschi sono estremamente specializzati e altamente complementari. I neuroni responsabili dell'apprendimento, della memoria e dell'elaborazione delle informazioni olfattive sono particolarmente abbondanti nei lavoratori, mentre l'abbondanza di cellule del lobo ottico responsabili dell'elaborazione delle informazioni visive è molto bassa. Questa tendenza è invertita nei cervelli delle formiche maschili dove c'è un'abbondanza di cellule del lobo ottico, ma meno neuroni per l'elaborazione olfattiva, l'apprendimento e la memoria.
La dottoressa Weiwei Liu, (4) ricercatrice presso il Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences e co-autrice corrispondente dell'articolo, dice: «Questi risultati supportano bene le nostre osservazioni in laboratorio secondo cui le 'formiche faraone' operaie sono responsabili di tutte le attività di manutenzione della colonia che richiedono cervelli multiuso, mentre i maschi non prendono parte a nessuna attività di manutenzione della colonia, poiché la loro unica funzione è trovare e inseminare una vergine regina».
L'analisi ha anche identificato cambiamenti significativi nei cervelli della principale casta femminile riproduttiva delle 'formiche faraone' (ginecomastia) quando si sono trasformate in regine dopo l'accoppiamento (Le formiche 'gin' sono quelle destinate a diventare regine). Ad esempio, l'abbondanza di cellule del lobo ottico è diminuita quando le regine si sono adattate all'oscurità del nido, mentre i neuroni dopaminergici e la glia avvolgente sono aumentati, il che potrebbe spiegare la fecondità e la longevità delle regine.
Il dottor Chuanyu Liu, (5) co-autore e ricercatore presso BGI-Research, dice: «Questo è il primo atlante unicellulare che copre tutti i ruoli sociali in una colonia di formiche. Il suo risultato beneficia dello sviluppo di una tecnologia di profilatura unicellulare massicciamente parallela con elevata sensibilità e precisione a basso costo».
Confrontando le cellule cerebrali della formica faraone e della mosca della frutta (Drosophila), i ricercatori hanno anche trovato molti tipi cellulari conservati nel cervello degli insetti. Ad esempio, una popolazione di cellule del lobo ottico nella Drosophila responsabile del rilevamento del movimento degli oggetti durante il corteggiamento esiste anche nelle formiche ed è particolarmente abbondante nei maschi. La firma molecolare e la posizione spaziale di queste cellule sono molto simili nei due insetti lontanamente imparentati, suggerendo che queste cellule probabilmente svolgono un ruolo conservato nella regolazione del comportamento di accoppiamento maschile negli insetti indipendentemente dalla socialità.
«Questo studio ci aiuta a capire la complessità dei cervelli delle formiche e come la specializzazione complementare nei cervelli consente alle formiche all'interno di una colonia di funzionare come un superorganismo», ha affermato la professoressa Guojie Zhang, (6) co-autrice corrispondente dell'Evolutionary & Organismal Biology Research Center, School of Medicina, Università di Zhejiang. «I cervelli di diverse caste e sessi sono specializzati in varie direzioni e complementari l'uno all'altro, consentendo all'intera colonia di formiche di svolgere l'intera gamma di funzioni tra cui riproduzione, allevamento della covata, foraggiamento, ecc. Questa strategia di vita superorganismo ha consentito alle formiche di prosperare in oltre 140 milioni di anni di competizione e infine diventare un gruppo altamente dominante sulla Terra».
L'approvazione etica è stata ricevuta per questa ricerca.
BGI Group, pioniere nelle scienze della vita, è una delle organizzazioni biotecnologiche leader a livello mondiale con attività che coprono ricerca, produzione e applicazioni in oltre 100 paesi e regioni. Il lavoro di BGI Group include scoperte scientifiche rivoluzionarie, ricerca innovativa in microbiologia e biodiversità, servizi di test diagnostici per tracciare virus e malattie, lo sviluppo di tecnologie di prossima generazione per il sequenziamento genico su larga scala e la nuova tecnologia di omeo-spaziale Stereo-seq. BGI si è classificata al 1° posto in Asia Pacifico e al 10 ° a livello globale tra le aziende per documenti di ricerca scientifica di alta qualità nelle scienze della vita nel 2021 Nature Index.
Riferimenti:
(2) Pharaoh ant
(3) Qiye Li
(4) Weiwei Liu
(5) Chuanyu Liu
(6) Guojie Zhang
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A single-cell transcriptomic atlas tracking the neural basis of division of labour in an ant superorganism Foto: Redazione.