Муравьи-листорезы (Atta cephalotes) собирают и переносят листья в колонию. (ФОТО: CC BY-SA 3.0)
Около 66 миллионов лет назад катастрофическое событие, уничтожившее динозавров, положило начало уникальным взаимоотношениям между грибами и муравьями. Последствия падения метеорита привели к потемнению неба и сокращению жизни растений, что привело к обилию разлагающейся органики.
Эта среда предоставила прекрасную возможность для размножения грибов. Эти условия также способствовали интересному развитию событий: группа муравьев начала выращивать грибы в качестве источника пищи, заложив основу для замечательной формы симбиоза, которая продолжает развиваться и по сей день.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Science, позволило по-новому взглянуть на эту взаимосвязь, предложив более четкую хронологию появления муравьев-грибников. Работа, проведенная учеными из Государственного университета Сан-Паулу (UNESP) в Бразилии, была сосредоточена на генетической истории грибов, выращиваемых муравьями по всей Америке.
Исследователи проанализировали ультраконсервативные элементы (UCE) в геномах 475 видов грибов. UCE — это специфические участки ДНК, которые остаются относительно неизменными в течение длительного периода эволюции, что делает их полезными для отслеживания происхождения видов.
Королева муравьев-листорезов руководит рабочими муравьями, скармливающими кусочки листьев белому грибку, выращенному на ферме. (АВТОР: Кэролин Дэрроу)
Изучая вариации в регионах, прилегающих к этим элементам, команда смогла проследить эволюционные линии этих грибов с беспрецедентной точностью.
По словам Андре Родригеса, профессора UNESP и одного из авторов исследования, это исследование сузило пределы погрешности при определении того, когда впервые появились эти штаммы грибов. «Происхождение муравьев-грибников было относительно хорошо изучено, но более точная хронология появления этих микроорганизмов отсутствовала», — объясняет Родригес.
Анализ показывает, что около 66 миллионов лет назад от общего предка произошли две различные грибковые линии. Этот период времени совпадает с вымиранием, положившим конец эпохе динозавров, что указывает на то, что изменения окружающей среды, возможно, привели к ранним стадиям этого симбиоза муравьев и грибов.
Считается, что взаимовлияние муравьев и грибов положило начало сельскому хозяйству — за десятки миллионов лет до того, как люди начали выращивать растения, около 12 000 лет назад. Одна из линий, развившаяся после падения метеорита, включает грибы, которые муравьи-листорезы выращивают и по сей день.
Другая группа грибов, получившая название коралловых из-за их сходства с морскими кораллами, начала культивироваться муравьями около 21 миллиона лет назад. С тех пор появились взаимовыгодные отношения: муравьи питаются грибами, а грибы — муравьями для размножения и поддержания жизнедеятельности.
Эти отношения, вероятно, возникли как обычное взаимодействие. Муравьи, живущие рядом с грибами, возможно, питались грибами или их побочными продуктами, но грибы изначально не были основным источником пищи. Однако давление окружающей среды после падения метеорита, вероятно, привело к тому, что муравьи и грибы стали более зависимыми. Когда органического вещества стало больше, муравьи начали активно выращивать грибы в пищу, а грибы приспособились к процветанию под присмотром муравьев.
Колония вида Atta colombica, обнаруженная в Гамбоа, Панама. В центре фотографии, намного крупнее, чем рабочие, изображена королева. (ФОТО: Пепейн У. Койдж/IB-UNESP)
«Изначально эти грибы не были существенными составляющими рациона муравьев, — объясняет Родригес, — но воздействие метеорита и вызванные им изменения, возможно, превратили эти отношения в обязательный мутуализм». В результате муравьи стали зависеть от грибов в качестве источника пищи, в то время как грибы нуждались в муравьях для продолжения размножения и кормления.
Сегодня четыре различные группы муравьев выращивают четыре вида грибов. В некоторых случаях муравьи даже влияют на то, как растут грибы, чтобы максимально увеличить содержание питательных веществ. Пепин Вильгельмус Койж, другой исследователь, участвовавший в исследовании, отмечает, как один из видов грибов, выращиваемых муравьями, меняет форму в пределах их колоний.
«Когда мы выращиваем их в лаборатории, грибы приобретают ожидаемую форму гиф», — говорит Койж. «Но внутри колонии один из видов гиф разбухает, образуя структуры, похожие на виноградные гроздья, которые богаты сахарами. Мы до сих пор не знаем, как муравьям удается это превращение».
Муравейник, найденный на ферме в Ботукату (штат Сан-Паулу, Бразилия), является домом для грибного сада, который включает в себя листья травы в дополнение к культивируемым видам. (ФОТО: Андре Родригес/IB-UNESP)
Возникновение таких симбиотических отношений между муравьями и грибами указывает на значительную эволюционную адаптацию. Маурисио Баччи-младший, другой соавтор статьи, предполагает, что выращивание грибов, вероятно, помогло муравьям пережить нехватку питательных веществ в критический период их эволюционной истории.
Поскольку растения и животные вымерли после падения метеорита, муравьи, у которых уже были начальные связи с грибами, обнаружили, что выращивание этих организмов является надежным источником пищи. Грибы, в свою очередь, разлагали органические вещества, переносимые муравьями, и снабжали их питательными веществами, которые они не могли получить где-либо еще. «Это похоже на то, как если бы гриб был внешним желудком насекомого», — объясняет Баччи-младший.
После этой первоначальной адаптации муравьи-грибники, которые первоначально процветали во влажных лесах, столкнулись с еще одним селективным давлением около 27 миллионов лет назад, когда в Южной Америке распространился Серрадо, биом, похожий на саванну. Более открытая и засушливая окружающая среда способствовала диверсификации среди этих сельскохозяйственных муравьев, что привело к эволюции муравьев-листорезов, которых мы видим сегодня.
Изображение, увеличенное в тысячу раз, показывает питательные пузырьки (гонгилиды), продуцируемые грибом Leucoagaricus gongylophorus, выращиваемым лимонным листорезом (Atta sexdens). (АВТОР: Андре Родригес/IB-UNESP)
Это изменение также привело к тому, что выращиваемые ими грибы стали более эффективными как в разложении органических веществ, так и в производстве пищи для муравьев.
Примечательно, что ферменты, вырабатываемые этими грибами, в настоящее время изучаются на предмет их биотехнологического потенциала. Они не только эффективно расщепляют органические материалы, но и способны разрушать синтетические, в том числе пластмассовые. Этот аспект взаимодействия муравьев и грибов может дать ценную информацию для современных усилий в области устойчивого развития, особенно для решения растущей проблемы пластиковых отходов.
Исследование подчеркивает сложность и долговечность мутуализма в природе, обеспечивая более глубокое понимание того, как виды могут удивительным образом адаптироваться к изменениям окружающей среды. В нем также подчеркивается, что древние эволюционные процессы могут иметь далеко идущие последствия даже для современных технологических достижений.
