За миллионы лет до того, как люди открыли для себя сельское хозяйство, обширные сельскохозяйственные системы процветали под поверхностью Земли. Подземные фермы, производившие различные виды грибов, выращивались и содержались колониями муравьев, потомки которых продолжают заниматься сельским хозяйством и сегодня.
Прослеживая эволюционную историю этих выращивающих грибы муравьев, ученые из Смитсоновского национального музея естественной истории узнали о ключевом переходе в сельскохозяйственной эволюции насекомых. Этот переход позволил муравьям достичь более высокого уровня сложности в сельском хозяйстве, соперничая с сельскохозяйственными методами людей: одомашнивание сельскохозяйственных культур, которые стали навсегда изолированными от их дикой среды обитания и, таким образом, стали зависеть от своих фермеров в своем развитии и выживании.
В выпуске Proceedings of Royal Society B от 12 апреля ученые во главе с энтомологом Тедом Шульцем, куратором музея муравьев, сообщают, что переход, вероятно, произошел, когда муравьи-фермеры начали жить в сухом климате, где влаголюбивые грибы не могли выжить самостоятельно. Открытие получено в результате генетического анализа, который отображает эволюционные отношения сельскохозяйственных и несельскохозяйственных муравьев из влажных и сухих местообитаний по всей территории Неотропиков.
Около 250 видов муравьёв, выращивающих грибы, были обнаружены в тропических лесах, пустынях и лугах Америки и Карибского бассейна, и эти виды делятся на две разные группы в зависимости от уровня сложности их сельскохозяйственных обществ: более низкие и высшее земледелие. Все муравьи-фермеры начинают новые грибные сады, когда дочь королевы покидает гнездо своей матери, чтобы уйти и найти свое собственное гнездо, взяв с собой часть гриба исходной колонии, чтобы начать ферму следующей колонии.
В низших, примитивных формах муравьиного земледелия, которые в основном встречаются во влажных тропических лесах, грибные культуры время от времени покидают свои муравьиные колонии и возвращаются в дикую природу. Низшие муравьи также иногда собирают выращенные ими грибы из дикой природы и приносят их обратно в свои гнезда, чтобы заменить неурожай. Эти процессы позволяют диким и культивируемым грибам скрещиваться и ограничивают степень влияния низших муравьев на эволюцию их культур.
vНо, как и в случае с некоторыми сельскохозяйственными культурами, которые были настолько сильно изменены селекционерами-людьми, что они больше не могут воспроизводиться и жить самостоятельно в дикой природе, некоторые виды грибов стали настолько полностью зависеть от своих отношений с фермерскими муравьями, что они никогда не живут независимо от своих фермеров. Эти высшие земледельческие муравьи выращивают высоко «одомашненные» культуры, что позволяет им жить в обширных сообществах и работать вместе посредством разделения труда, чтобы удобрять свои грибные культуры, вывозить отходы, сдерживать патогены и поддерживать идеальные условия для выращивания.
«Эти высшие общества земледельческих муравьев миллионы лет практиковали устойчивое промышленное сельское хозяйство», - сказал Шульц. «Изучение их динамики и того, как развивались их отношения с грибами-партнерами, может дать важные уроки для решения наших собственных проблем с нашими методами ведения сельского хозяйства. устойчивы к болезням, вредителям и засухе в масштабах и на уровне эффективности, которые соперничают с человеческим сельским хозяйством».
Сегодня многим видам сельскохозяйственных муравьев угрожает разрушение среды обитания, и в рамках своих исследований Шульц собирал полевые образцы и сохранял их в криогенном биохранилище музея для будущих геномных исследований. В текущем исследовании он и его коллеги сравнили геномы 119 современных видов муравьев, большинство из которых были собраны в течение десятилетий его полевых экспедиций.
Используя новые мощные геномные инструменты, ученые сравнили последовательности ДНК в каждом из более чем 1500 участков генома для 78 видов, выращивающих грибы, и 41 вида, не выращивающих грибы. Их Шульц сказал.
Так же, как люди, живущие в сухом или умеренном климате, могут выращивать тропические растения в теплице, сельскохозяйственные муравьи тщательно поддерживают влажность в своих грибных садах. «Если вещи становятся слишком сухими, муравьи выходят за водой и добавляют ее», - сказал Шульц. «Если они слишком мокрые, они делают наоборот». Таким образом, даже когда условия над поверхностью становятся негостеприимными, грибы могут процветать в подземных камерах с контролируемым климатом колонии сельскохозяйственных муравьев.
В этой ситуации грибы могут стать зависимыми от своих муравьиных фермеров, не имея возможности покинуть гнездо и вернуться в дикую природу.«Если вас перенесли в сухую среду обитания, ваша судьба совпадет с судьбой колонии, в которой вы находитесь», - сказал Шульц. «В этот момент вы связаны отношениями с теми муравьями, с которыми вы не были связаны, когда были во влажном лесу».
Шульц сказал, что условия, присутствующие во время этого эволюционного перехода, иллюстрируют, как организм может стать одомашненным, даже если его фермеры не отбирают сознательно желательные черты, как это могли бы делать люди-селекционеры. Муравьи, которые перенесли свои грибы в новые места обитания, изолировали организм от его диких сородичей, как это делают люди, когда одомашнивают урожай. Эта изоляция дает возможность выращиваемым видам развиваться независимо от видов в дикой природе, приобретая новые черты.
Финансирование этого исследования было предоставлено Смитсоновским институтом и Национальным научным фондом.