Η γυναίκα που κοιτούσε επίμονα τις σφήκες

Ως προπτυχιακός στη δεκαετία του 1970, η Joan Strassmann μοίρασε το χρόνο της μεταξύ της συγγραφής διηγημάτων και της πολιορκίας του γραφείου του μέντορά της, του κοινωνιοβιολόγου Dick Alexander. Επί δύο χρόνια, επέμενε να συναντιέται μαζί του κάθε Παρασκευή για να συζητήσουν την έρευνα, ένα πρόγραμμα που τώρα πιστεύει ότι ήταν μάλλον επιβλητικό. «Θα μου έδινε τόσο πολύ διάβασμα», θυμάται, «θα με έπαιρνε για πάντα. Θα δούλευα νύχτα μέρα για να το τελειώσω και ίσως αυτή ήταν η στρατηγική του – ίσως ήλπιζε ότι θα το ακυρώσω ή κάτι τέτοιο». Αλλά αυτή η έντονη εστίαση έγινε ένα από τα χαρακτηριστικά της πρωτοποριακής έρευνάς της για τα κοινωνικά έντομα.

Στο μεταπτυχιακό σχολείο στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν, ο Strassmann άρχισε να μελετά σφήκες που ζουν σε ιεραρχικές αποικίες, ξεκινώντας με μια φωλιά που ευδοκιμούσε σε ένα υπόστεγο τρακτέρ κοντά στην κύρια πανεπιστημιούπολη. «Σχεδίαζα πραγματικά να δουλέψω σε κάτι άλλο, κάποιον άλλο κοινωνικό οργανισμό, όπως οι σκίουροι», είπε ο Στράσμαν, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις. «Όλοι ήξεραν ότι πραγματικά φοβόμουν τις σφήκες». Αλλά με τολμώντας, αυτή και μια φίλη της μπήκαν στο υπόστεγο και έβαψαν κάθε σφήκα με μια διαφορετική κουκκίδα χρώματος, την τυπική προετοιμασία για τη μελέτη της κοινωνικής δυναμικής μιας αποικίας εντόμων. Μετά άρχισε να τους παρακολουθεί. Και τους παρακολουθώ.

Είχε καλή παρέα. Τα έντομα που ζουν σε συνεταιριστικές αποικίες - μυρμήγκια, τερμίτες και μερικές σφήκες και μέλισσες - έχουν γοητεύσει τους επιστήμονες για περισσότερο από έναν αιώνα επειδή θέτουν ένα εξελικτικό αίνιγμα. Ο ίδιος ο Δαρβίνος είδε τον τρόπο ζωής τους ως πρόκληση για τις ιδέες του. Η θεωρία της εξέλιξης φαίνεται να προβλέπει ότι κάθε άτομο θα αγωνιστεί για να μεταδώσει τα χαρακτηριστικά του, αλλά σε μια αποικία, μόνο ένας πολύ μικρός αριθμός εντόμων μπορεί στην πραγματικότητα να αναπαραχθεί:οι βασίλισσες και οι σύντροφοί τους. Οι υπόλοιποι εγκαταλείπουν την ευκαιρία να συνεισφέρουν στη γονιδιακή δεξαμενή, φροντίζοντας τους απογόνους άλλων. Πώς θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί αυτός ο τρόπος ζωής, γνωστός ως ευκοινωνικότητα; Πώς θα ήταν λογικό οι πρόγονοι των σύγχρονων εργάτριων μελισσών ή σφηκών να εγκαταλείψουν την αυτονομία τους; Φαίνεται βιολογικά απίθανο.

Ακριβώς την εποχή που ο Strassmann ήταν στο κολέγιο, ωστόσο, οι βιολόγοι άρχισαν να καταλαβαίνουν πώς τα κοινωνικά έντομα μπορούσαν να ενταχθούν στο πλαίσιο της εξελικτικής θεωρίας. Σε μια θεμελιώδη εργασία, ο W.D. Hamilton πρότεινε ότι η συνεργασία μπορεί να έχει νόημα σε στενά συγγενικά άτομα που μοιράζονται αρκετά γονίδια. Εάν μια μέλισσα με μια βοηθό θεία παράγει διπλάσιους απογόνους απ' ό,τι θα είχε διαφορετικά, αυτή η διευθέτηση έχει εξελικτική λογική για τον μη αναπαραγωγικό βοηθό, ο οποίος μεταδίδει έμμεσα τα γονίδιά του. Αλλά αυτό το όφελος μειώνεται καθώς η συγγένεια μειώνεται, επομένως η κοινωνικότητα θα προέκυπτε μόνο μεταξύ στενών συγγενών.

Η Strassmann βρήκε σαφείς αποδείξεις της ιδέας του Hamilton στις σφήκες της που άφησε το τρακτέρ. Όταν μια φωλιά καταστρέφεται, τα μέλη της θα διασκορπίζονται σε αδελφικές φωλιές με ένα μοτίβο που αντανακλά το επίπεδο της σχέσης τους με τις βασίλισσες. Κάθε σφήκα εξυπηρετεί μόνο τους ηγέτες με τους οποίους σχετίζεται περισσότερο. Η Strassmann συνέχισε να μελετά σφήκες τα επόμενα 20 χρόνια με τον σύζυγό της και συνεργάτη της, David Queller, και οι δυο τους έχουν αποκαλύψει πολλές άλλες λεπτομέρειες για το πώς η συγγένεια διαμορφώνει τη συμπεριφορά των κοινωνικών εντόμων, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο οι αποικίες διατηρούν τη συγγένεια σε υψηλά επίπεδα όταν βασιλεύουν πολλές βασίλισσες και τι χρειάζεται για να μετατραπεί μια εργάτρια σε βασίλισσα.

Πριν από περίπου 17 χρόνια, ωστόσο, το ζευγάρι άρχισε να μετατοπίζεται σε ένα νέο πρότυπο οργανισμό, την αμοιβάδα Dictyostelium discoideum . Υποψιάζονταν ότι αυτό το ασυνήθιστο πλάσμα θα μπορούσε να προσφέρει νέες ιδέες για τη δυναμική της συνεργασίας. Σε στιγμές πείνας, αυτές οι αμοιβάδες που κατοικούν στο χώμα συνωστίζονται και χτίζουν έναν πύργο που υψώνεται πάνω από το έδαφος από τον οποίο διασκορπίζουν τα σπόρια τους σε άλλα, πιο φιλόξενα μέρη. Περίπου το 20 τοις εκατό της ομάδας θα θυσιαστούν για να χτίσουν τον πύργο με το σώμα τους, ενώ οι υπόλοιποι θα το εκμεταλλευτούν για να διαδώσουν τα γονίδιά τους.

Περιοδικό Quanta μίλησε με την Strassmann για την εξέλιξη των κοινωνικών εντόμων, τις μυστικές ζωές των βασίλισσων σφηκών και τι έμαθε για τη συνεργασία από ένα μονοκύτταρο πλάσμα. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική εκδοχή της συνέντευξης.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA:Αρχίσατε να μελετάτε τις κοινωνικές σφήκες ακριβώς τη στιγμή που οι επιστήμονες συζητούσαν την προέλευση της ευκοινωνικότητας. Πώς ήταν αυτό;

JOAN STRASSMANN:Ήταν μια πραγματικά συναρπαστική στιγμή. Η εργασία του W.D. Hamilton κυκλοφόρησε το 1964, αλλά δεν εκτιμήθηκε πραγματικά μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του '70, όταν ήμουν στο κολέγιο. Περιέγραψε το πλαίσιο κάτι που ονομάζεται συμπεριληπτική φυσική κατάσταση, το οποίο είναι το άθροισμα των επιπτώσεων των ενεργειών ενός ατόμου στη δική του αναπαραγωγή και στην αναπαραγωγή των άλλων. Σε τελική ανάλυση, είναι το μέτρο των ενεργειών ενός ατόμου σχετικά με την αναπαράσταση των γονιδίων του στην επόμενη γενιά.

Θα βοηθούσες συγγενείς, γιατί μοιράζονται γονίδια μαζί σου. Αλλά δεν είναι τόσο απλό. Οι άνθρωποι συχνά συμπεριφέρονται σαν να βοηθάτε πάντα έναν αδερφό περισσότερο από έναν ξάδερφο και ούτω καθεξής, αλλά το κόστος και τα οφέλη είναι πραγματικά ζωτικής σημασίας. Για παράδειγμα, δεν θα βοηθούσατε τις αδερφές που μοιράζονται τα μισά γονίδιά σας, εκτός και αν είχαν τουλάχιστον διπλάσιο αριθμό απογόνων ως αποτέλεσμα της βοήθειάς σας.

Η συσχέτιση είναι εύκολο να εκτιμηθεί με μοριακές τεχνικές. Η αξιολόγηση του κόστους και των οφελών, ωστόσο, απαιτεί να κατανοήσετε πραγματικά τη βιολογία των ατόμων στο φυσικό τους περιβάλλον. Ο Ντέιβ και εγώ έχουμε ένα έγγραφο που περιγράφει δύο σημαντικά οφέλη που αποκομίζουν τα κοινωνικά έντομα από την ένωση δυνάμεων:άμυνα φρουρίου, όπου δύο από εσάς μπορούν να φυλάξουν καλύτερα από έναν, ειδικά αν ζείτε σε μια φωλιά με ένα μικροσκοπικό άνοιγμα. και ασφάλεια ζωής, όπου αν πεθάνει ο ένας, ο άλλος εξασφαλίζει την επιβίωση των μωρών σας. Η άμυνα φρουρίου και η ασφάλιση ζωής είναι οι δύο κύριοι λόγοι για τους οποίους η συνεργασία θα μπορούσε να είναι επωφελής για τα κοινωνικά έντομα.

Υπάρχουν συμπεριφορές ή χαρακτηριστικά που καθιστούν ευκολότερο να γίνεις ευκοινωνικός;

Ναι - είναι πραγματικά πολύ γνωστοί. Οι πρόγονοι των κοινωνικών εντόμων είναι παρασιτικές σφήκες. Ως παράσιτο, δεν θέλετε να αρρωστήσετε τον οικοδεσπότη σας μέχρι να τον σκοτώσετε, έτσι αυτές οι σφήκες δεν κάνουν πραγματικά κακά ως προνύμφες. Απλώς το κρατούν. Το πώς ελέγχετε τα κόπρανα στους κοινωνικούς οργανισμούς είναι μια πραγματικά σημαντική ερώτηση.

Μετά υπάρχει η μητρική φροντίδα. Μια μοναχική σφήκα παραλύει τη λεία της και γεννά πάνω της ένα αυγό για να φροντίσει τους απογόνους της. Το επόμενο βήμα στην εξέλιξη της ευκοινωνικότητας είναι ότι οι κόρες μένουν με τη μαμά και τη βοηθούν να μεγαλώσει περισσότερα μωρά. Αυτό μπορεί να είναι για λόγους ασφάλισης ζωής ή οχυρού-άμυνας. Απλώς έχει νόημα.

Για ένα διάστημα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι η ευκοινωνικότητα θα μπορούσε να έχει προκύψει καθαρά από συναθροίσεις άσχετων ατόμων. Πολλά είδη σφηκών φωλιάζουν μαζί σε συσσωματώματα. Μπορείτε να τα δείτε σε όχθες σε ρυάκια και αμμόλοφους και σε πολλά διαφορετικά μέρη.

Αλλά αυτές οι συναθροίσεις είναι βασικά εγωιστικές. Μια σφήκα στη μέση ενός σμήνους είναι λιγότερο πιθανό να πληγωθεί από ό,τι μια από μόνη της - αυτή είναι η ανταμοιβή εκεί. Αυτές οι συναθροίσεις ποτέ οδηγούν στην κοινωνικότητα. Αποκτάς κοινωνικότητα μόνο μέσω αυτού που αποκαλούν υποκοινωνικό μονοπάτι όπου οι κόρες μένουν με τη μαμά, επομένως είναι ήδη πολύ συγγενείς.

Παρατήσατε τις σφήκες για ένα μονοκύτταρο πλάσμα. Αυτό είναι ένα τεράστιο άλμα. Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν αλλάζουν πρότυπο οργανισμούς στη μέση της καριέρας τους.

Ήταν κάπως τρελό να κάνεις. Ειδικά από τότε που μελετούσαμε σφήκες στην Τοσκάνη. Γνωρίζουμε ιταλικά, έχουμε κάνει διαλέξεις στα ιταλικά, έχουμε πολλούς πολύ καλούς φίλους εκεί… ναι. Είναι τρελό!

Οι αμοιβάδες πρέπει να έκαναν κάτι πραγματικά εκπληκτικό για να αλλάξεις.

Όλοι οι άνθρωποι με κοινωνικά έντομα γνωρίζουν για το Dictyostelium γιατί έχει ένα μοναχικό στάδιο και ένα κοινωνικό στάδιο. Τα μεμονωμένα κύτταρα τρώνε τα βακτήρια με καταπίεση, ζουν στο έδαφος κ.λπ. Αλλά όταν λιμοκτονούν, συσσωματώνονται και σχηματίζουν ένα πολυκύτταρο σώμα που σέρνεται προς το φως και τελικά συνενώνεται σε μια δομή που ονομάζεται καρποφόρο σώμα. Περίπου το 20 τοις εκατό των κυττάρων σχηματίζουν ένα μίσχο. Τα άλλα ρέουν μέχρι την κορυφή και σχηματίζουν σπόρια, τα οποία στη συνέχεια διασπείρονται. Εννοιολογικά, αυτό μπορεί να θεωρηθεί παρόμοιο με μια αποικία κοινωνικών εντόμων. Το κοτσάνι είναι οι εργάτες — δεν μπορούν να αναπαραχθούν, αλλά πιστεύουμε ότι ενισχύουν τη διασπορά των σπορίων.

Αν όμως το Dictyostelium Τα κύτταρα σε αυτό το πολυκύτταρο σώμα δεν είναι όλα γενετικά πανομοιότυπα, μήπως κάποια θυσιάζονται για άλλους με τους οποίους δεν έχουν τίποτα κοινό; Ξέρετε πώς σας είπα ότι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι ομάδες εξελίσσουν την κοινωνικότητα είναι να μένουν οι κόρες με τις μητέρες τους; Η ιδέα ότι θα αποκτούσατε ευκοινωνικότητα από τη συγκέντρωση φαίνεται πραγματικά λανθασμένη. Θα πρέπει να υπάρχουν πάρα πολλές συγκρούσεις εκεί. Ποιος θα πεθάνει, ποιος θα γίνει τα σπόρια και ούτω καθεξής. Υπήρχαν ορισμένες προφανείς ερωτήσεις.

Το 1998, οι επιστήμονες είχαν καθορίσει την αλληλουχία του Dictyostelium γονιδίωμα αλλά δεν το είχε δημοσιεύσει ακόμα. Ξέραμε ότι θα μπορούσαμε να το λεηλατήσουμε για ανάλυση συνάφειας. Ο Ντέιβ και εγώ μόλις φτάσαμε στο σημείο όπου νιώσαμε:"Ουάου, το έχουμε σκεφτεί αυτό - θα νιώσουμε σαν ανόητοι αν κάποιος το κάνει αυτό αντί για εμάς."

Τι έκανες λοιπόν;

Μπήκα στο Διαδίκτυο και ανακάλυψα ότι υπήρχε ένα Dictyostelium λίστα email. Μόλις άρχισα να δημοσιεύω ερωτήσεις. Ήθελα να μάθω αν δύο διαφορετικά στελέχη θα εξακολουθούσαν να σχηματίζουν ένα καρποφόρο σώμα μαζί.

Whitney Curtis για το περιοδικό Quanta

Βίντεο: Ο Strassmann εξηγεί τα οφέλη της μελέτης των κοινωνικών αμοιβάδων.

Στην πρώτη μελέτη που κάναμε, διαπιστώσαμε ότι διαφορετικά στελέχη αναμειγνύονται και εξαπατούν. Δύο διαφορετικά στελέχη δεν θα συνεισφέρουν εξίσου στα σπόρια και τους μίσχους. Ο ένας εκμεταλλεύεται τον άλλον. Αυτός είναι λοιπόν ένας καλός τρόπος για να δούμε τους κοινωνικούς οργανισμούς.

Γιατί αυτό τους κάνει καλό μοντέλο;

Επειδή υπάρχει σύγκρουση — κοινωνικός ανταγωνισμός.

Το πώς ελέγχονται οι συγκρούσεις στους κοινωνικούς οργανισμούς είναι ένα σημαντικό θέμα της εξελικτικής έρευνας. Στους ευκοινωνικούς οργανισμούς, ο έλεγχος της σύγκρουσης — μέσω κάστες, για παράδειγμα, που καθιστούν πολύ σαφές ποιος δίνει τη θέση του σε ποιον — τους επιτρέπει να ζουν μαζί.

Στο Dicty, όπου κάποιοι εκμεταλλεύονται άλλους, μπορούμε να κάνουμε ερωτήσεις σχετικά με το πώς διαχειρίζονται τη σύγκρουση, ώστε να επιτραπεί αυτή η μορφή κοινωνικότητας να παραμείνει.

Τι έκανε το Dicty Ήταν πραγματικά ελκυστικό που μπορούσαμε να ρωτήσουμε "γιατί;" σε μηχανιστικό επίπεδο, γιατί θα μπορούσαμε να αποκλείσουμε τα γονίδια και να κάνουμε όλα εκείνα τα πράγματα που κάνουν οι κυτταρικοί βιολόγοι. Αυτό ήταν πολύ συναρπαστικό για εμάς. Ήταν απλά υπέροχο. Βρήκαμε ότι υπάρχουν πάνω από 100 γονίδια που, εάν απενεργοποιηθούν, θα προκαλέσουν Δίκτυο στέλεχος για να αρχίσει να εξαπατά, για παράδειγμα. Αυτό υποδηλώνει ότι η γενετική της κοινωνικότητας στο Dicty είναι πολύπλοκο.

Και προχωράμε στα βακτήρια τώρα. Βρήκαμε μερικές παράλογες σχέσεις μεταξύ βακτηρίων και Dicty :Για παράδειγμα, Dictyostelium στην πραγματικότητα φαίνεται να εκτρέφει βακτήρια για δική τους κατανάλωση! Επομένως, δεν δουλεύουμε καθόλου με σφήκες. Είναι λυπηρό αλλά αληθινό.

Τώρα προσπαθείς να ορίσεις τι σημαίνει να είσαι οργανισμός;

Πιστεύουμε ότι ο καθορισμός των πραγματικών βασικών χαρακτηριστικών που συνθέτουν έναν οργανισμό δεν έχει γίνει ποτέ σωστά. Οι άνθρωποι έχουν προτείνει απαιτήσεις «γενετική ομοιομορφία», «όλα συνδεδεμένα μαζί» και «μονοκύτταρα συμφόρηση» — αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μια φάση όπου ο οργανισμός είναι απλώς ένα κύτταρο.

Κανένα από αυτά δεν αντέχει πραγματικά - τα φυτά δεν έχουν μονοκύτταρα σημεία συμφόρησης, για παράδειγμα. Εργασία στο Dicty , αντιλαμβάνεστε πόσο στενόμυαλοι είναι οι περισσότεροι βιολόγοι. Είναι τόσο τυφλωμένοι από πολύ λίγους οργανισμούς. Αν θέλετε να σκεφτείτε τι είναι ένας οργανισμός, δεν μπορείτε να ξεκινήσετε με ένα ποντίκι. Δεν μπορείς! Πρέπει να ξεκινήσετε με το, λοιπόν, είναι ένα βιοφίλμ οργανισμός; Αν είναι, γιατί; Αν όχι, γιατί όχι;

Αυτό που καταλήξαμε στον Ντέιβ και εγώ —και αυτός είναι κυρίως ο Ντέιβ— είναι ότι αυτό που κάνει έναν οργανισμό είναι το επίπεδο στο οποίο υπάρχει το υψηλότερο επίπεδο συνεργασίας και το χαμηλότερο επίπεδο σύγκρουσης. Εάν τα μέρη, όποια κι αν είναι, είναι σε μεγάλο βαθμό συνεργάσιμα και όποια σύγκρουση υπήρξε έχει ελεγχθεί, αυτό είναι οργανισμός. Το σχέδιό μας είναι να γράψουμε ένα βιβλίο για αυτό.

Το αγαπημένο μου παράδειγμα είναι ο Πορτογάλος man-of-war. Λένε ότι δεν είναι οργανισμός, ότι είναι μια αποικία πολλών μικρών οργανισμών. Όχι — είναι οργανισμός! Λυπάμαι!