Organ "Tidak Berguna" Ini Menentukan Semut Yang Tumbuh Menjadi Tentara Besar

Koloni semut telah mengembangkan beberapa sifat kolektif yang mengejutkan selama 150 juta tahun atau lebih sehingga mereka telah menjelajah Bumi. Semut api terhubung bersama untuk membuat rakit yang sangat efektif, misalnya, dan beberapa semut tentara tampaknya secara naluriah membangun jembatan semut yang sangat efisien untuk mengumpulkan makanan.

Serangga ini juga tampaknya memiliki kemampuan untuk mengendalikan populasi mereka, mempertahankan rasio tentara dan pekerja yang ditetapkan. Bagaimana sistem kasta semut itu muncul menjadi sesuatu yang misterius bagi para ahli entomologi, tetapi sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature hari ini mengungkapkan bahwa apakah seekor semut tumbuh menjadi seorang prajurit atau seorang pekerja ada hubungannya dengan organ yang lama dianggap tidak berguna — cakram sayap.

“Sistem kasta ini adalah salah satu fenomena utama evolusi fenotipik yang tidak dapat dijelaskan, ” kata Scott Powell, ahli biologi semut di The George Washington University di Washington DC “Studi ini benar-benar mengidentifikasi pusat kendali utama yang mendasari yang memproduksi kasta-kasta ini.”

Cakram sayap, kantong kecil sel, ditakdirkan untuk menjadi sayap pada seorang ratu, tetapi mereka tumbuh dalam larva dan kemudian mati selama metamorfosis untuk menghasilkan tentara tanpa sayap. Studi ini menunjukkan bahwa cakram sayap rudimenter ini tidak terlalu rudimenter, tetapi lebih memengaruhi perkembangan larva semut.

"Poin yang sangat penting tentang pekerjaan ini adalah bahwa organ-organ yang belum sempurna dan struktur peninggalan, yang lama diyakini tidak memiliki fungsi, mungkin sebenarnya memiliki peran pensinyalan utama selama pengembangan, " kata ahli biologi perkembangan evolusi Ehab Abouheif dari McGill University, penulis senior dari studi baru. (Penafian: Saya berbicara dengan Abouheif tentang penelitiannya sebelum dipublikasikan dan dia telah memasukkan saya ke dalam makalah ini.)

Larva prajurit yang berkembang menghasilkan cakram sayap yang besar dan belum sempurna, sedangkan larva pekerja tidak. Sebelumnya dianggap mati begitu saja selama metamorfosis, cakram sayap tampaknya memiliki beberapa pengaruh pada pertumbuhan bagian tubuh lainnya.

“[Cakram sayap] menjadi sangat besar – ini agak mengejutkan, ” kata Diana Wheeler, ahli biologi semut di Universitas Arizona yang telah mempelajari tekad kasta semut sejak 1980-an. “Ini jelas bukan sesuatu yang evolusi singkirkan begitu saja. Sepertinya itu digunakan untuk sesuatu. ”

Fungsi nyata dari cakram sayap larva semut memiliki implikasi yang signifikan untuk sejarah evolusi serangga. Semut awal menghasilkan koloni dengan ratu bersayap dan kasta pekerja tak bersayap, dan kemudian, dalam beberapa garis keturunan independen, kasta pekerja menjadi lebih dibedakan menjadi sub-saluran. Di Pheidole, gen hyperdiverse yang mencakup lebih dari 1.000 spesies semut, kasta pekerja dibagi menjadi pekerja kecil dan tentara. Tentara memiliki kepala besar yang tidak proporsional yang mereka gunakan untuk pertahanan dan pemrosesan benih, sementara pekerja kecil menghasilkan 90 hingga 95 persen koloni dan melakukan tugas-tugas seperti membesarkan induk dan mencari makan.

Penelitian Wheeler dari tahun 1980 menunjukkan bahwa semut Pheidole dapat mengatur proporsi pekerja kecil dan tentara di koloni itu. Salah satu cara peraturan ini bekerja adalah melalui feromon penghambat — hidrokarbon kutikula — yang dibuat oleh tentara yang menekan perkembangan prajurit dalam larva jika tentara melebihi kira-kira lima persen dari populasi koloni.

Untuk menyelidiki hubungan antara cakram sayap dan subkasta prajurit, Abouheif dan timnya merobohkan gen yang disebut vestigial, yang menyebabkan sel-sel cakram sayap mati sangat awal dalam perkembangan. Menjatuhkan vestigial pada larva yang ditakdirkan oleh tentara mengurangi ukuran kepala dan ukuran tubuh hewan, menghasilkan pekerja kecil, sementara merobohkan vestigial pada pekerja kecil tidak menghasilkan efek.

Tim kemudian mengangkat larva yang ditakdirkan oleh tentara dengan populasi dewasa 100 persen pekerja kecil atau dengan 100 persen tentara. Dengan 100 persen pekerja kecil di koloni itu, larva menghasilkan tentara. Tetapi dengan 100 persen tentara, yang mengeluarkan feromon hidrokarbon kutikula, ukuran cakram sayap rudimenter yang berkurang secara signifikan dan menghasilkan semut dewasa dengan kepala dan tubuh yang lebih kecil.

Tentu saja, fakta bahwa organ mempengaruhi perkembangan organ lain di dalam tubuh bukanlah hal baru. Percobaan sebelumnya pada serangga telah menunjukkan bahwa sayap berkembang bersaing untuk nutrisi dan faktor pertumbuhan, misalnya. Kerusakan pada sayap yang berkembang dapat menghasilkan sinyal yang menunda perkembangan di seluruh tubuh, memungkinkan waktu disk untuk pulih sehingga pertumbuhan dapat dilanjutkan dengan cara yang terkoordinasi dengan baik.

Apa yang mencolok di sini, menurut penulis pertama Rajendhran Rajakumar, adalah bahwa alih-alih bersaing, sayap rudimenter justru mendorong pertumbuhan kepala dalam subkasta prajurit. "Ini bahkan lebih mengejutkan berdasarkan fakta bahwa jaringan ini tidak benar-benar terbentuk pada orang dewasa. Ini belum sempurna, jadi kami benar-benar tidak berharap untuk menemukan jenis hasil yang kami lakukan ketika kami mengganggunya, ”kata Rajakumar, yang bekerja di lab Abouheif di McGill dan sekarang menjadi peneliti di Harvard.

Semut kontras dengan serangga sosial lain seperti lebah dan tawon, yang belum berevolusi polimorfisme pekerja. Lebah ratu dan lebah pekerja semuanya memiliki sayap, dan “jika Anda membuat sayap yang harus terbang, Anda tidak dapat benar-benar bermain-main dengan pertumbuhannya sangat banyak, sehingga pertumbuhan cakram itu sangat terbatas, ” jelas Abouheif. Itu mungkin menjelaskan mengapa lebah pekerja, tidak seperti semut, tidak pernah secara evolusioner dibedakan lebih jauh menjadi sub-induk.

Tidak banyak contoh yang diketahui dari organ-organ rudimenter atau vestigial yang mendorong inovasi evolusi. Selain cakram sayap, kemungkinan lain yang menarik adalah ovarium pekerja lebah madu larva, yang sama besarnya dengan ratu pada tahap awal pengembangan. Tidak jelas mengapa pekerja lebah madu larva membutuhkan ovarium, karena mereka tidak akan pernah bereproduksi, kata Mary Jane West-Eberhard, seorang ahli biologi perkembangan evolusi di Smithsonian Tropical Research Institute.

“Jadi pertanyaannya adalah: apakah penting bagi perkembangan pekerja normal untuk memiliki ovarium pada larva awal?” Dia bertanya. Hanya investigasi masa depan yang akan memberi tahu.

"Saya berharap pekerjaan ini akan mengarahkan orang untuk melihat apa yang mereka pikirkan tentang organ-organ peninggalan dengan cara yang berbeda, dan bahwa mereka mencoba untuk menyelidiki apa yang sebenarnya dilakukan oleh hal-hal itu, alih-alih mengabaikannya hanya sebagai benda sisa, " kata Abouheif. "Saya pikir sebenarnya mereka memainkan peran yang jauh lebih besar daripada yang kita pikirkan sebelumnya."