Ученые, исследующие одну из тайн мира насекомых, определили мощное химическое оружие, используемое в гонке вооружений между муравьями-листорезами, выращивающими грибы, и паразитами, которые их досаждают.
Существование химического оружия, изменяющего поведение, обнаружилось, когда исследователи из Университета Восточной Англии и Центра Джона Иннеса исследовали феномен разрушения колонии, когда обычно внимательные и высокоэффективные фермеры-муравьи внезапно бросают свои ухоженные сады.
Муравьи-листорезы являются наиболее высокоразвитыми муравьями, выращивающими аттиновые грибы, и они чрезвычайно распространены в Латинской Америке. Они известны своими навыками садоводства, которые развились около 60 миллионов лет назад. Их личинки потребляют только специализированный гриб, который муравьи выращивают, используя мульчу из пережеванных листьев.
Фермы муравьев-листорезов заражены специализированным грибковым паразитом под названием Escovopsis, который эволюционировал, чтобы жить за счет грибной пищи. Муравьи выращивают на своем теле биопленки из специализированных бактерий, которые производят противогрибковые препараты для борьбы с инфекциями Escovopsis. Если колонии подвергаются стрессу, паразит может подавить всю грибковую ферму, что приведет к коллапсу колонии.
Профессор Мэтт Хатчингс из Школы биологических наук UEA сказал: «Муравьи-листорезы - превосходные фермеры. Они патрулируют свои сады, удаляют чужеродные грибы и используют бактерии, вырабатывающие антибиотики, на своем теле, чтобы убивать паразитов - эффективно используя их как гербициды.
"Но способы, с помощью которых Escovopsis преуспевает в преодолении их защиты, не совсем понятны."
Работая с партнерами из Центра социальной эволюции в Дании и Института исследований натуральных продуктов и биологии инфекций Лейбница в Йене, Германия, команда взяла образцы пищевого грибка из колоний муравьев-листорезов, собранных в Панаме и инфицированных их с паразитом.
Они смогли идентифицировать два семейства молекул, которые в больших количествах продуцируются патогеном Escovopsis, и протестировали их против биоконтролирующих бактерий, растущих на телах муравьев.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что первая молекула была способна убивать бактерии, производящие антибиотики, на телах муравьев, а вторая также работала над изменением поведения муравьев. Под его влиянием муравьи перестали ухаживать за грибным садом, убежали и в конце концов погибли, если продолжали подвергаться воздействию.
Считается, что этот механизм аналогичен механизму, используемому совершенно другим грибком, поражающим так называемых «муравьев-зомби», которых можно наблюдать в бразильских и тайских тропических лесах. Муравьи, зараженные этим патогеном, покидают свои колонии, чтобы умереть в местах, где грибковые споры могут распространяться наиболее эффективно.
Профессор Барри Уилкинсон, руководитель проекта в Центре Джона Иннеса, сказал: «Мы думаем, что патоген Escovopsis всегда присутствует в гнездах или вокруг них и удерживается в страхе постоянным садоводством муравьев и химической защитой».
Но когда случается что-то необычное - например, засуха или другое изменение окружающей среды - паразит может закрепиться и начать повышать уровень соединений химического оружия, которые вызывают изменения в поведении и снижают эффективность прополки муравьев в их сады.
"С этого момента у вас обостряется ситуация, которая приводит к появлению мертвых муравьев и захвату патогена, поэтому оставшиеся муравьи в конечном итоге покидают гнездо."
Профессор Уилкинсон сказал, что полученные результаты могут помочь в понимании других вредных инвазивных муравьев и потенциально предоставить методы борьбы с муравьями-вредителями, такими как муравьи-листорезы, без использования инсектицидов.
Есть доказательства того, что муравьи сопротивляются. Предыдущая работа группы профессора Хатчингса показала, что насекомые могут получать из почвы другие бактерии, продуцирующие антибиотики, чтобы атаковать паразита.
"Наши результаты согласуются с гонкой вооружений, стимулирующей эволюцию оружия разрушения и защиты, когда каждая сторона стремится к инновациям, чтобы сохранить преимущество", - сказал профессор Хатчингс.
"Удивительно наблюдать за проявлением вирулентности Escovopsis, когда что-то идет не так, и осознавать, что муравьи обычно способны предотвратить такие ситуации, потому что их средства защиты от Escovopsis также очень сложны."
Профессор Коос Бумсма из Копенгагенского университета сказал: «Были дискуссии о том, реальна ли эволюционная совместная адаптация между муравьями и Escovopsis, поэтому приятно видеть, что эта динамика химической гонки вооружений задокументирована».
Профессор Уилкинсон добавил: «Эта работа подчеркивает ключевую роль, которую натуральные продукты играют в динамике борьбы с вредителями в колониях сельскохозяйственных муравьев, и неоценима для нашего поиска новых антибиотиков на этом уникальном поле битвы, где в долгосрочной перспективе, ни одна из сторон не может победить навсегда. Это может помочь нам в будущих исследованиях по преодолению кризиса устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) в медицине человека».
«Это исследование показывает, насколько важно получить представление о разнообразных функциях натуральных продуктов в природе, - сказал Кристиан Хертвек из Йены, - не только с экологической точки зрения, но и с точки зрения фармацевтического применения».