Взаимная выгода: деревья в стрессе увеличивают сахарные "вознаграждения" муравьям-защитникам

Когда воды не хватает, деревья эквадорского лавра (Cordia alliodora) увеличивают инвестиции в сладкое угощение, которое заставляет муравьёв-защитников (Azteca pittieri) работать активнее, охраняя деревья от объедания листогрызущими вредителями.

Деревья тропических лесов, испытывающие водный стресс, поддерживают производство большего количества медвяной росы — сахаристых выделений, которые поглощают муравьи Azteca, живущие в полостях стеблей лавров. В ответ колонии муравьев увеличивают свою численность и активнее защищают жизненно важную листву.

Это взаимовыгодное взаимодействие между лаврами и муравьями, в котором также участвуют крошечные сосущие сок насекомые — червецы (щитовки), производящие медвяную росу, — хорошо известный пример мутуализма. Теоретические исследования предсказывают, что мутуализм должен усиливаться в условиях дефицита ресурсов, но до сих пор этому было мало доказательств.

В исследовании, опубликованном 5 ноября в журнале PLOS Biology, экологи под руководством Элизабет Прингл из Мичиганского университета выявили яркий пример мутуализма "дерево-муравей", усиленного стрессом, и предложили возможный механизм, лежащий в его основе, — межвидовой обмен углеродом. Результаты показывают, что деревья на более сухих участках покупают страховку для своих листьев в виде усиленной защиты муравьями и платят за неё углеродом — "валютой" растительного мира.

Все мутуалистические отношения "растение-животное" могут работать по аналогичной "страховой модели". А тип стрессовой реакции, опосредованной водой, наблюдаемый в исследовании, может стать более распространённым в будущем, если засухи усилятся из-за изменения климата.

Результаты исследования

Учёные изучили взаимодействие на 26 участках сезонно сухих тропических лесов вдоль тихоокеанского побережья южной Мексики и Центральной Америки. Участки охватывали 1426 миль, с четырёхкратным увеличением годового количества осадков с севера на юг.

Эквадорские лавры листопадны. Исследователи обнаружили, что сила мутуализма — измеряемая по инвестициям деревьев в сахар для муравьёв и защите листьев муравьями — была выше на участках с более длительным сухим сезоном.

• На более сухих участках лавровые деревья поддерживали больше червецов, которые, в свою очередь, производили больше медвяной росы.
• Колонии муравьёв, питающиеся этим ресурсом, были крупнее и защищали деревья эффективнее, быстрее реагируя на нарушения.
• Более крупные колонии на сухих участках с большей вероятностью обнаруживали листогрызущих насекомых и отправляли больше муравьёв для их атаки.

Механизм и "страховая модель"

Через фотосинтез листья производят углеродные углеводы. Обезлиствление представляет большую потенциальную угрозу на более сухих участках, потому что у лавров там меньше углеродных резервов, а более короткий сезон дождей означает меньше времени на восстановление потерянных листьев.

Тот факт, что деревья на сухих участках платят своим защитникам более высокую "зарплату", говорит о том, что потенциальные затраты на потерю листьев перевешивают относительно умеренную цену содержания большего количества муравьёв.

Математическая модель, в которой муравьи защищают деревья от редких, но угрожающих жизни случаев объедания листвы, лучше всего соответствовала наблюдениям с 26 участков. Как фермеры, покупающие страховку урожая, деревья на сухих участках, по-видимому, страхуют свои риски: они платят умеренную плату заранее, чтобы избежать потери всей листвы от вредителей в будущем.

Ограничение воды вместе с риском травоядности усиливает углеродный мутуализм.

Эволюционные и климатические последствия

"Страховая модель" предполагает, что нечастые, но потенциально смертельные атаки насекомых могут определять эволюцию мутуалистических стратегий "дерево-муравей" в разных режимах осадков. Наблюдаемые различия между сухими и влажными участками могут отражать генетические адаптации к местным условиям.

Ключевым фактором в этой системе являются осадки, которые, вероятно, будут резко меняться в ближайшие годы с изменением климата. Учащение экстремальных погодных явлений, таких как засуха, может взаимодействовать с редкими биологическими событиями, такими как вспышки численности насекомых-вредителей, что profoundly изменит экологию и эволюцию взаимодействий "растение-животное".