Открытие мальчика раскрывает сложное взаимодействие растений и насекомых
Восьмилетний Хьюго Динс обнаружил в своем дворе под бревном рядом с муравейником несколько объектов размером с шарик BB. Он подумал, что это семена. Его отец, Эндрю Динс, профессор энтомологии в Penn State, сразу понял, что это галлы дуба — наросты на растениях, вызванные насекомыми. Но он не сразу осознал, что эти галлы — часть сложных взаимоотношений между муравьями, наездниками и дубами. Это открытие перевернуло вековые представления о взаимодействиях растений и насекомых.
Хьюго (сейчас ему 10 лет) вспоминает: «Я подумал, что это семена, и обрадовался, потому что не знал, что муравьи собирают семена... Потом я обрадовался еще больше, когда [папа] сказал, что это галлы, потому что [папа] так радовался. Я удивился, что муравьи собирают галлы, потому что зачем им это?»
Многие взаимодействия растений и насекомых хорошо задокументированы. Например, известно, что многие виды цинипидных наездников индуцируют у дубов образование защитных галлов вокруг своих личинок. Также некоторые растения (например, дикорастущий цветок кровяной корень, Sanguinaria canadensis) производят на семенах съедобные придатки — элайосомы, — чтобы привлечь муравьев, которые разносят семена. Это явление называется мирмекохорией — распространением семян муравьями.
«При мирмекохории муравьи получают немного питательных веществ, поедая элайосомы, а растения получают распространение семян в безопасное место», — объясняет Эндрю Динс. — Это явление было впервые описано более 100 лет назад».
Новое исследование, начатое с открытия Хьюго, выявило гораздо более сложный тип мирмекохории, объединяющий взаимодействие «наездник–дубовый галл» с взаимодействием «съедобный придаток–муравей».
«Сначала мы заметили, что у этих галлов обычно есть мясистая бледно-розовая "шапочка", но у галлов возле муравейника этих шапочек не было. Это навело на мысль, что, возможно, их съели муравьи», — говорит Динс. — В итоге мы обнаружили, что галлицы не только заставляют дубы производить галлы, но и делают следующий шаг: заставляют муравьев приносить эти галлы в свои гнезда. Там личинки ос могут быть защищены от хищников или получать другие преимущества. Это многослойное взаимодействие ошеломляет».
Результаты исследования опубликованы в журнале American Naturalist.
Исследование взаимодействия
Чтобы лучше понять взаимодействие, исследователи провели серию полевых и лабораторных экспериментов.
- Полевые наблюдения. Наблюдая за колониями муравьев в Западном Нью-Йорке и центральной Пенсильвании, ученые увидели, как муравьи переносят галлы в свои гнезда. Внутри гнезд все съедобные «шапочки» (исследователи назвали их kapéllos, от греческого «шапка») были удалены, а сами галлы остались нетронутыми.
- Предпочтения муравьев. В эксперименте с приманками муравьи унесли одинаковое количество семян кровяного корня и дубовых галлов, что говорит об отсутствии предпочтения.
- Привлекательность kapéllos. В лабораторном эксперименте в чашках Петри разместили: целые галлы, тела галлов без kapéllos, отдельные kapéllos и контрольные галлы другого типа без съедобного придатка. Интерес муравьев не отличался к контрольным галлам и галлам без kapéllos. При этом галлы с целыми kapéllos и отдельные kapéllos привлекали муравьев значительно сильнее.
- Химический состав. Исследователи сравнили химический состав kapéllos и элайосом. Оказалось, что kapéllos, как и элайосомы, содержат полезные жирные кислоты. «Жирные кислоты, которых много в шапочках галлов и элайосомах, похоже, имитируют мертвых насекомых», — говорит профессор энтомологии Джон Тукер.
Что было первым?
Самый интригующий вопрос, которым задалась команда: «Что появилось раньше в эволюционном времени: взаимодействие с элайосомами или взаимодействие с галлами?»
«Учитывая, что мирмекохория была описана более века назад и хорошо изучена, можно предположить, что взаимодействие с элайосомами было первым. Но это предположение может быть ошибочным», — говорит профессор биологии Роберт Дж. Уоррен II.
Одна из причин в том, что растения с мирмекохорией (как кровяной корень) составляют очень малый процент всех видов растений и могут не давать достаточно пищевых ресурсов для движущего отбора у муравьев. Дубовые галлы, однако, широко распространены и были когда-то так обильны, что их использовали для откорма скота.
«Если эти галлы были так обильны и развили тактику выращивания этой шапочки тысячи лет назад, это могло быть сильным драйвером естественного отбора у муравьев», — говорит Уоррен. — Возможно, муравьи давно привыкли собирать галлы с шапочками, и когда весенние полевые цветы начали производить семена со съедобными придатками, муравьи уже были предрасположены собирать предметы с придатком из жирных кислот».
Команда получила грант на филогенетическую работу, чтобы выяснить, какое из этих взаимодействий появилось первым в эволюционном времени.
Хьюго, говоря о своем вкладе в открытие, отмечает: «Думаю, другие дети делали похожие открытия, но никогда не знали, насколько они важны. Я очень счастлив и горжусь, что был частью важного научного открытия. Странно думать, что просто какие-то муравьи, собирающие то, что я считал семенами, оказались важным научным прорывом».