На Фиджи нашли муравьев-фермеров

Германские биологи обнаружили новый вид симбиоза между растениями и муравьями. Муравьи Philidris nagasau, эндемики островов Фиджи, выращивают растения из рода сквамеллярий (Squamellaria) — они сажают семена и удобряют появившиеся ростки. Растения, в свою очередь, служат муравьям жилищем, и зачастую снабжают их сладким соком. Исследование опубликовано в Nature Plants.

Взаимовыгодные (мутуалистические) отношения между растениями и животными встречаются в разных классах организмов. Так, в шерсти трехпалого ленивца часто заводятся зеленые водоросли, которые обеспечивают животному защитную окраску и разнообразят его рацион. Кроме водорослей в шерсти ленивцев живут бабочки-огневки, которые снабжают водоросли азотом и откладывают яйца в помет ленивцев. Другими примерами могут служить краб «йети», выращивающий на своих конечностях съедобных бактерий или рыбы-ласточки, культивирующие водоросли.

Но самые разнообразные формы сельскохозяйственных отношений с растениями возникли у некоторых групп насекомых, в том числе у муравьев. Известно около 40 видов муравьев-листорезов, которые выращивают в муравейниках на субстрате из пережеванных листьев грибы-базидиомицеты. Грибами питаются и личинки и взрослые особи. Муравьи рода Pseudomyrmex ferrugineus находятся в отношениях симбиоза с деревьями акации, Acacia hindsii, обеспечивающими насекомых пищей и жильем. В ответ муравьи защищают деревья от травоядных животных и растений-конкурентов. Однако мутуалистических отношений, в которых муравьи сажают и выращивают растения ученые до сих пор не наблюдали.

У некоторых тропических видов муравьев существуют взаимовыгодные отношения с эпифитами (растениями, произрастающими или постоянно прикрепленными к другим растениям). Эпифиты обеспечивают муравьев соком и плодами, а взамен насекомые снабжают их дефицитным азотом. Некоторые виды этих растений произрастают на муравьиных гнездах, сделанных из пережеванной древесины (картона) и представляющих собой отличную питательную среду. Многие виды эпифитов формируют полости, в которых муравьиная колония устраивает гнездо и делится с растением продуктами жизнедеятельности.

Эпифиты из рода сквамеллярий также образуют полости, пригодные для обитания муравьев. Авторы новой работы обратили внимание, что шесть видов этих растений (S. grayi, S. huxleyana, S. imberbis, S. major, S. thekii and S. Wilsonii) населяют муравьи только одного вида — Philidris nagasau — которые обитают в полостях растений и не строят картонных гнезд. Исследователи находили на сквамелляриях как муравьиные колонии, так и одиночных рабочих муравьев. Эпифиты при этом растут группами до 25 и больше растений, которые объединяются муравьиными тропами, что свидетельствовало о том, что насекомые из одной колонии могут обитать в нескольких растениях. Кроме того, пять из шести видов сквамеллярий снабжают муравьев сладким соком. По-видимому, растения и муравьи находятся в облигатных (обязательных) отношениях и друг без друга существовать не могут. Для сравнения исследователи рассказали о других видах сквамеллярий, (S. jebbiana, S. Tenuiflora, S. Wilkinsoni), которые образуют необязательные (факультативные) отношения с муравьями. На них обитают 14 видов муравьев, которые образуют колонию только на одном дереве. При этом муравьи могут гнездиться и вне эпифитов, а 20-30 процентов сквамеллярий этих видов вообще обходятся без насекомых.

Исследователи решили выяснить, как устроены облигатные отношения между шестью видами сквамеллярий и муравьями. Сначала они проверили, принимают ли участие P.nagasau в распространении семян растений. Эпифиты, на которых обитают муравьи, растут гораздо кучнее, чем другие виды сквамеллярий. Это косвенно свидетельствует о том, что муравьи сажают семена необходимых им видов эпифитов. Ученые наблюдали за несколькими колониями насекомых и обнаружили, что рабочие муравьи засовывают семена в трещины в коре деревьев, а затем регулярно посещают места посадок. Когда исследователи предложили им выбрать между семенами облигатных и факультативных видов сквамеллярий, насекомые выбирали семена только облигатных видов, причем как созревшие, так и нет.

Авторы работы заметили, что на облигатных для P.nagasau видах сквамеллярий не сохраняются созревшие плоды. По-видимому, то ли птицы, то ли насекомые срывают их незрелыми. Ученые проверили, кто их срывает — муравьи или птицы. Сначала они ограничивали доступ к растениям только птицам, затем — и птицам, и муравьям. Оказалось, что птицы питаются плодами неспецифичных видов сквамеллярий, а муравьи интересуются фруктами только облигатных видов.

На следующей стадии наблюдений ученые проверяли, ухаживают ли муравьи за сквамелляриями и делают ли что-то, чтобы те быстрее росли. Оказалось, что как только семена давали побег и образовывали полость, рабочие муравьи начинали сновать между основным гнездом и проростком. Они забирались во вновь образованную полость, и, по-видимому, испражнялись в ней, тем самым обеспечивая росток необходимым ему азотом. Эксперимент с радиоактивным изотопом азота N¹⁵ подтвердил эту догадку. Муравьев кормили сахарным сиропом с добавлением аминокислоты глицина, меченой радиоизотопом, а потом измеряли содержание N¹⁵ во вновь выросших растениях. Содержание изотопа в растениях выросло в 300 раз по сравнению с контролем. То есть муравьи целенаправленно не только сажают семена облигатных для них видов, но и культивируют их. По словам авторов, система P. nagasau/Squamellaria — это первый известный случай обязательного культивирования муравьями растений. По уровню сложности она сравнима с выращиванием грибов муравьями-листорезами.

Чтобы выяснить, когда между муравьями и сквамелляриями возникли облигатные отношения, биологи провели их филогенетический анализ. Оказалось, что предок вида P. Nagasau утратил способность строить картонные гнезда примерно три миллиона лет назад, и, таким образом стал зависим от сквамеллярий, образующих полости. Остальные муравьи из рода Philidris умеют делать гнезда из картона до сих пор.

У ростков сквамеллярий, облигатных для P. Nagasau, сначала образуется корневая ножка, которая, по всей видимости, позволяет растению прорастать через кору хозяйского дерева, и только потом формируется полость. У неспецифичных видов сквамеллярий, населяемых другими видами муравьев, корневой ножки нет. Судя по результатам филогенетического анализа, сквамеллярии «научились» выращивать ножку около трех миллионов лет назад, то есть примерно в то же время, когда P. Nagasau перестали строить гнезда. То есть эволюция муравьев и растений, по-видимому, происходила согласованно.

Ранее ученые выяснили, что муравьи, пасущие тлю, могут предпочитать колонии, в которых особи окрашены в разные цвета. У многих видов тлей особи в одной колонии могут быть окрашены в разные цвета — красный, зеленый или черный. Оказалось, что муравьи предпочитают колонии, в которых большинство особей окрашено в зеленый цвет, а остальные — в темный. Чем вызвано это предпочтение, пока непонятно, но выбор муравьев может сильно влиять на генетическое разнообразие тли, так как без муравьиного ухода колонии тли обычно не выживают. Возможно, такое поведение является муравьиным аналогом искусственного отбора.