Что может быть общего у муравьев ацтеков на кофейных фермах в Мексике с пятнами леопарда и полосатыми зебрами?
После двух десятилетий анализа роста, распространения и разрушения колоний муравьев ацтеков на кофейной ферме в Мексике исследователи из Мичиганского университета доказали, что распределение муравьев происходит по схеме, названной в честь химика Алана Тьюринга, который впервые описал ее. в 1952 году, это, как говорят, объясняет пятна леопарда и другие узоры в природе.
«Те же уравнения, которые Тьюринг использовал для химии, мы можем использовать в экологии», - сказал Джон Вандермеер, профессор кафедры экологии и эволюционной биологии Университета штата Массачусетс и первый автор исследования в декабрьском номере журнала BioScience.«Эти уравнения говорят, что в системе должны быть пятна хищников и места добычи, и мы доказали, что это так».
Это открытие, по его словам, помогает пролить свет на сложную агроэкологическую систему кофейных ферм и на то, насколько модель «контроля сверху» (сфокусированная на вредителях) также сложнее, чем отношения хищник-жертва. Система включает в себя сложное сообщество хищников, паразитов и болезней, которые сложным образом взаимодействуют друг с другом, что в конечном итоге создает самоорганизующуюся систему, осуществляющую эффективный контроль над травоядными животными.
"Это важное открытие, потому что оно показывает, как организмы в природе встроены в сложную сеть взаимодействий, и, следовательно, упрощенный подход к борьбе с вредителями "один вредитель, один естественный враг" может быть не самым подходящим. один для борьбы с вредителями», - сказала соавтор Иветт Перфекто, профессор экологии, природных ресурсов и окружающей среды Джорджа У. Пака в Школе окружающей среды и устойчивого развития Университета штата Массачусетс.
"Скорее, необходим комплексный системный подход, учитывающий нелинейность и сети взаимодействий."
Шаблон Тьюринга
Тьюринг объяснил создание неслучайных закономерностей в химии, наблюдая за химическими реакциями и тем, как они дестабилизируются. Химическая реакция стабилизируется балансом процессов активации и репрессии. Затем идет диффузия: капля чернил в воде в конечном итоге диффундирует и не может быть отделена от воды. Но, как заметил Тьюринг, если бы сила подавления распространялась с большей скоростью, чем сила активации, развивался бы неслучайный паттерн.
«Тьюринг понял, что если вы возьмете этот процесс реакции, вы можете соединить две силы, которые стабилизируют сами себя, и вы соедините их вместе, и это дестабилизирует всю систему, формируя закономерности», - сказал Вандермеер. «Что-то очень похожее происходит в экологических системах: хищник поедает добычу, и популяция жертвы сокращается, а затем сокращается популяция хищников, это регулирующая вещь. Когда у вас есть диффузия - в биологии мы называем это миграцией - хищник перемещается в пространстве, и жертва тоже перемещается».
Вандермеер и Перфекто изучили данные, собранные ими на ферме органического кофе в Чьяпасе, Мексика, и составили карту распределения тенистых деревьев с гнездами муравьев Azteca sericeasur. Хотя на участке растет от 7 000 до 11 000 тенистых деревьев в зависимости от года, только около 700 имеют ацтеков. В каждом гнезде содержится от 10 до 20 маток.
Форидные мухи находят эти скопления, паразитируя на муравьях, подсаживая яйцо на голову муравья. Личинки будут развиваться до тех пор, пока голова муравья не отвалится и не появится новая муха, повторяя цикл. По мере роста локальной популяции муравьиных гнезд формируются и увеличиваются пространственные кластеры, а также популяция форидных мух, которые, в свою очередь, будут действовать как репрессоры в системе, что приводит к неравномерному распределению муравьев, как у леопарда. патчи.
«Тьюринг говорил о своих химических веществах, а мы говорим о муравьях и мухах», - сказал Вандермеер. «Мы предсказали, что наши муравьи и наши мухи должны сформировать эти маленькие скопления, и мы обнаружили, что они так и делают».
Сложность выращивания кофе
В своем исследовании исследователи изучили сложные отношения между хищниками, добычей и окружающей их средой, включая зеленую кофейную чешуйку, относительно безвредного кофейного вредителя, который редко достигает статуса вредителя; Azya orbigera, хищный жук, питающийся чешуей; и муравей ацтека, защищающий чешую от жука.
Под защитой от муравьев чешуйки эффективно укрываются от жуков-хищников, и их численность резко увеличивается. При такой высокой местной плотности населения грибковое заболевание берет верх, и щитовки быстро сокращаются. Таким образом, сочетание хищника, убежища в скоплениях муравейников и грибкового заболевания держит щитовок под контролем.
И еще есть кофейная ржавчина, которая уничтожила кофейные фермы по всей Латинской Америке, но остается под контролем в Пуэрто-Рико. Ржавчина распространяется спорами на ветру, но тот же гриб, который вызывает заболевание у щитовок, также является антагонистом ржавчины, что значительно усложняет ситуацию.
Исследователи предупреждают об искушении дать простые ответы фермерам, ищущим решения предполагаемых проблем на своих фермах, например, избавиться от тенистых деревьев, на которых живут муравьи.
Если мы избавимся от тенистых деревьев, то муравьи уйдут. Если муравьи уйдут, щитовкам негде будет укрыться от хищника. Так что жук съест все щитовок, а затем сам умирает от голода», - сказал Вандермеер. «И когда наступит следующий сезон, щитовки вернутся без каких-либо хищников, которые могли бы их остановить. Так что, если вы избавитесь от тенистых деревьев, вы избавитесь от контроля».
То же самое можно сказать и о ржавчине, говорит он. Кофейная ржавчина распространяется спорами, переносимыми ветром, а навес из тенистых деревьев над кофе действует как ветрозащитная полоса.
«Таким образом, если вы удалите теневые деревья из системы, вы получите ветер в систему, а вместе с ветром принесет споры», - сказал Вандермеер.«Поскольку это сложная система, она требует более целостного подхода к пониманию и управлению, и есть больше возможностей для неожиданностей».