Примерно за 50 миллионов лет до того, как это поняли люди, сельское хозяйство появилось в мире, казалось бы, в неожиданном месте: в муравейнике.
Избегая пшеницы или риса в пользу пернатого белого гриба, муравьи выращивали свой грибной урожай, заботясь о нем в обмен на питание. Но, как и их коллеги-люди, которые придут после них, муравьи столкнулись с извечной проблемой болезней сельскохозяйственных культур, в данном случае паразитического грибка, который угрожал уничтожить их урожай.
Итак, муравьиные фермеры создали еще одно партнерство. Они предоставили безопасную гавань и питание определенной группе бактерий - актинобактериям, которые, в свою очередь, производили антибиотики, способные держать паразита в страхе. Чтобы помочь бактериям выживать, в экзоскелетах муравьев появились специальные карманы, которые защищали и кормили их партнеров.
Эти структуры казались настолько сложными, что ученые полагали, что у них был шанс эволюционировать только один раз, когда первоначальные фермеры грибов в конечном итоге разделились на 250 с лишним видов, занимающихся выращиванием муравьев, которые мы встречаем сегодня. Но сегодня (1 октября) в Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи Университета Висконсин-Мэдисон сообщают, что эти структуры, содержащие бактерии, эволюционировали независимо три раза.
Результаты ясно показывают, что постоянная угроза паразитов сельскохозяйственных культур неоднократно толкала эволюцию в поразительно схожих направлениях, создавая структуры, которые помогали муравьям укреплять свои партнерские отношения с бактериями. И их успешное использование защитных антибиотиков на протяжении тысячелетий предполагает, что муравьи могут извлечь уроки для человеческой медицины, которая быстро столкнулась с устойчивостью патогенов к нашим самым важным антибиотикам.
Работу возглавили профессор бактериологии UW-Madison Кэмерон Карри и Хунцзе Ли, научный сотрудник лаборатории Карри. Они сотрудничали с коллегами из Университета штата Аризона, Университета Сан-Паулу, Гарвардской медицинской школы и Смитсоновского института.
«Эта работа дает захватывающее представление о том, как животное использует бактерии для получения антибиотиков в течение длительного периода времени», - говорит Карри, который исследовал динамику выращивания муравьев в течение 20 лет.
Исследователи провели исчерпывающее исследование 69 видов муравьев, взяв разнообразные образцы из коллекций Университета штата Аризона и Смитсоновского института. Исследовательская группа реконструировала эволюционное дерево муравьев, используя фрагменты их геномных последовательностей. Полученное дерево предполагает, что партнерство между муравьями и бактериями возникло вскоре после того, как муравьи начали заниматься сельским хозяйством.
Еще одно свидетельство древнего происхождения взаимоотношений между бактериями и муравьями было получено от горстки муравьёв, выращивающих грибы, случайно замороженных в янтаре на территории нынешней Доминиканской Республики. Сквозь затвердевший древесный сок исследователи смогли обнаружить контрольные признаки бактерий, цепляющихся за тела муравьев. Имея возраст янтаря от 15 до 20 миллионов лет, команда Карри смогла подтвердить свои геномные данные и показать, что симбиоз бактерий и бактерий был по крайней мере таким же старым, как и образцы янтаря.
Предыдущие работы намекали на раннюю эволюцию партнерства между муравьями и бактериями, говорит Ли, но «эта статья дает гораздо больше доказательств того, что это древняя система».
Используя электронную микроскопию со сверхвысоким увеличением, исследователи исследовали муравьев на наличие специализированных структур, в которых обитают бактерии, известных как крипты. Микроскопические изображения показали, что у большинства живых видов сельскохозяйственных муравьев есть склепы и связанные с ними структуры, которые могут поддерживать актинобактерии. Но у ряда видов муравьев эти структуры отсутствовали.
Когда они сопоставили данные склепов с реконструированным эволюционным деревом, команда Карри увидела, что склепы эволюционировали не один раз, а три раза в ходе эволюции фермерских муравьев.
Но склепы не были вездесущими. Некоторые виды утратили какие-либо очевидные структуры для поддержки бактерий. Исследователи показали, что муравьи, избавившиеся от крипт, также утратили все следы симбиотических актинобактерий.
Керри и Ли предполагают, что муравьи, которые теперь живут в более засушливых районах, больше не борются с постоянной угрозой паразитарных грибковых заболеваний. Поскольку укрытие и кормление бактерий может потреблять до четверти энергии муравья, муравьям стало выгоднее расстаться со своими бывшими партнерами.
По-видимому, не довольствуясь имитацией сельскохозяйственного образа жизни муравьев, люди позже обратятся к той же группе бактерий, актинобактериям, для получения большинства наших клинических антибиотиков. То, что муравьи на протяжении миллионов лет использовали аналогичные антибиотики для защиты своих грибных садов от вредителей, предполагает, что мы можем извлечь уроки из их успеха.
«Я твердо верю, что здесь есть механизмы, которые уменьшают возникновение устойчивости к антибиотикам», - говорит Карри.
Открытие этих механизмов может помочь нам продлить срок службы наших собственных антибиотиков.
Это исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения (гранты U19 TW009872-05, U19 AI109673 и DMR-1720415), Национальным научным фондом (гранты DEB 1456964 и 1654829) и Исследовательским фондом Сан-Паулу. FAPESP (грант 2013/50954-0).