Муравьи-грибоводы избирательно культивируют свои посевы
Муравьи занимаются сельским хозяйством уже 50 миллионов лет, задолго до появления человеческого земледелия около 10 000 лет назад. Южноамериканские муравьи-листорезы собирают листья и используют собственные фекалии в качестве удобрения для выращивания грибных садов, которые служат им пищей. Новое исследование показывает, что у этих муравьев есть эволюционная история улучшения своих грибных культур.
Совместная работа исследователей из университетов Копенгагена и Лунда позволила реконструировать, как муравьи-грибоводы постепенно улучшали свои клональные культуры, создав надежную и чрезвычайно эффективную систему земледелия. Результаты, опубликованные в престижном журнале Nature Communications, показывают, что надежная поставка некоторых ферментов и жизненно важных аминокислот с грибной пищей привела к тому, что муравьи-фермеры утратили способность производить эти соединения самостоятельно.
Листорезные муравьи и грибы в тесном сотрудничестве
Листорезные муравьи используют широкий спектр грибных ферментов для разложения собранных фрагментов листьев в рамках оптимального совместного предприятия с сложным разделением труда. Гриб производит скопления вздутых пищевых органов для муравьев. Эти симбиотические органы обеспечивают углеводы, липиды, грибные ферменты и жизненно важные аминокислоты, удовлетворяя все пищевые потребности муравьев-фермеров и их расплода. Эти пищевые органы эволюционировали около 20 миллионов лет назад и стали инновацией, позволившей современным муравьям-листорезам развить по-настоящему крупномасштабные фермы.
Муравьи-грибоводы стали фермерами около 50 миллионов лет назад, но первые 30 миллионов лет у них были лишь мелкие натуральные хозяйства, где они использовали растительные остатки для выращивания крошечных грибных садов. Однако ситуация внезапно изменилась, и с тех пор развитие ускорилось.
«Хотя это потребовало эпох медленного естественного отбора, современные муравьиные фермы примерно в 100 000 раз больше, чем у первых предков, изобретших земледелие», — говорит Хенрик Де Файн Лихт, первый и ответственный автор статьи.
Это сопоставимо с достижениями большинства современных человеческих сельскохозяйственных систем. При этом, в отличие от человеческого земледелия, использующего огромное количество воды, удобрений и пестицидов, для муравьев ключевым ресурсом является доступ к свежим листьям. Их самые развитые общества стали агрессивными травоядными, наносящими массовый ущерб от дефолиации в естественных экосистемах и на сельскохозяйственных землях в Латинской Америке.
Медленный естественный отбор против быстрой культурной эволюции
Человеческим сельскохозяйственным практикам потребовалось менее 10 000 лет культурной эволюции, чтобы достичь современной сложности, поэтому прогресс у муравьев-грибоводов был на порядки медленнее. Достижение этого «муравьиным путем» также обошлось ценой полной взаимной зависимости каждой семьи муравьев от единственной клональной культуры. Этот пожизненный симбиотический «брак» позволил муравьям утратить целый путь синтеза аминокислот, поскольку он мог быть передан на аутсорсинг грибным культурам.
«Это как если бы семьи муравьев-фермеров и их подземные сады стали едиными организмами, где матка, няньки, фуражиры, расплод и гриб связаны в огромную сеть взаимодействий. Все стороны вносят взаимодополняющий вклад, подобно разным тканям в едином теле. До сих пор исследования рассматривали только разделение труда среди муравьев, но теперь мы знаем, что грибные органы также имеют ключевое значение. Ни один другой гриб не развил такие органы, потому что они имеют смысл только тогда, когда вы полагаетесь на фермеров. Это похоже на культурные сорта пшеницы, которые больше не сбрасывают семена, потому что люди размножали только те линии, которые позволяли им собирать колосья, а не подбирать семена по одному», — говорит Хенрик Де Файн Лихт.
Исследование анализирует специфические признаки отбора в грибных генах и дает новое понимание генетических и белковых адаптаций, которые оптимизировали производительность грибных культур. Ожидается, что такие идеи могут вдохновить на поиск умных биотехнологических решений для использования зеленых природных ресурсов.