Сложный генетический анализ заставил биологов пересмотреть некоторые давние представления о том, как развивались общества после изобретения сельского хозяйства шестиногими фермерами.
Как и люди, муравьи-листорезы выращивают урожай, и, как и люди, сельское хозяйство позволяет муравьям производить достаточно еды, чтобы прокормить миллионы людей, работающих на специализированных работах. Но в то время как люди изобрели сельское хозяйство на заре цивилизации около 10 000 лет назад, листорезы начали выращивать массивные подземные грибные сады более 10 миллионов лет назад.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Molecular Ecology, биологи из Университета Райса, Техасского университета в Остине (UT Austin) и государственного университета Сан-Паулу в Бразилии проанализировали генетические данные образцов, собранных в гнездах листорезов на юге, в центре и Северной Америке и пришли к выводу, что муравьи произошли из Южной Америки и обязаны своим успехом чему-то большему, чем их выбор сельскохозяйственных культур.
«Способность выращивать одомашненные культуры стала важным поворотным моментом в истории и эволюции человечества, и до недавнего времени мы думали, что то же самое верно и для листорезов», - сказал соавтор исследования Скотт Соломон, эволюционист. биолог из Райса, который собрал многие образцы для исследования в качестве аспиранта и исследователя с докторской степенью в UT Austin и Смитсоновском институте в Вашингтоне, округ Колумбия. «Наши результаты показывают, что некоторые из вещей, которые, как мы думали, мы« знали »о листьях.
Исследование, проведенное под руководством соавтора Ульриха Мюллера, давнего сотрудника и наставника Соломона в UT, доступно как в недавно опубликованной статье, так и в сопутствующем исследовании 2017 года, также опубликованном в Molecular Ecology.
«Это исследование началось 20 лет назад в результате сотрудничества между бразильскими и техасскими лабораториями и превратилось в масштабное сотрудничество с участием 22 лабораторий, изучающих муравьев-листорезов в 17 странах», - сказал Мюллер, профессор Уильяма Мортона Уиллер-Уилер-Лост-Пайнс в Юта. Департамент интегративной биологии Остина. «Благодаря этим международным усилиям у нас теперь есть всестороннее понимание экологии и эволюции листорезов».
Муравьи-листорезы обитают только в Америке. Более 40 видов обитают от Аргентины до юга Соединенных Штатов, и они являются доминирующим экологическим игроком в любом лесу или лугу, где они обитают.
«Они не единственные муравьи, которые выращивают грибы, но если вы сравните муравьев-листорезов с другими муравьями, которые выращивают грибы, вы увидите много различий», - сказал Мюллер. «Начнем с того, что никакие другие муравьи не используют свежесрезанные листья для выращивания грибов».
Муравьи, которые выращивают грибы на мертвых и гниющих листьях, существуют даже дольше, чем листорезы, вероятно, около 50 миллионов лет, сказал Соломон. Но способность листорезов использовать живые листья была квантовым скачком с точки зрения эволюции, потому что она открыла всю экосистему. Например, сказал Соломон, способность потреблять растительную пищу, которую они не могут переварить напрямую, позволяет гнезду листорезов ежегодно потреблять примерно столько же растительности, сколько взрослая корова.
«Как только вы сможете использовать свежие листья, это даст вам доступ к гораздо большему количеству еды», - сказал Соломон. «Если вы можете выращивать и выращивать свой урожай на любом листе, который растет там, то нет предела только небу».
По сравнению с другими муравьями, выращивающими грибы, колонии листорезов огромны, сказал Соломон. «Они составляют порядка миллионов особей. Некоторые колонии листорезов настолько велики, что их можно увидеть на фотографиях, сделанных спутниками в космосе».
У листорезов также есть специальные задачи. Отдельные рабочие муравьи бывают разных размеров и выполняют разные функции.
"Некоторые специализируются на воспитании молодежи", сказал Соломон. «Другие специализируются на удалении сорняков и болезней внутри гнезда. Другие специализируются на выходе и поиске пищи, а третьи специализируются на защите колонии.
"Все специализации уникальны для листорезов", сказал он. «С другими муравьями, выращивающими грибы, рабочие в основном взаимозаменяемы. У них нет этих специализированных задач.
«Одной из давних истин в нашей области было то, что листорезы выращивают особый и уникальный вид гриба, который не мог вырастить ни один другой муравей», - сказал Соломон. «Считалось, что что-то в этом уникальном урожае позволяло им делать то, чего не могли делать другие выращивающие грибы муравьи».
Новые исследования, которые первыми проанализировали гены грибов из сотен колоний листорезов по всей Америке, обнаружили случаи, когда другие муравьи выращивали специализированный гриб, предназначенный только для листорезов, а также случаи, когда листорезы выращивали более общие грибковые культуры.
«Не урожай делает их особенными, - сказал Мюллер. «Мы обнаружили, что муравьи-листорезы и их грибы эволюционировали совместно, и хотя это неудивительно, данные свидетельствуют о том, что эта совместная эволюция происходила более сложным образом, чем считалось ранее..
«Например, мы обнаружили, что тип грибов, который долгое время считался уникальным для листорезов, может выращиваться другими муравьями на мертвом растительном материале», - сказал он. «В одном случае он будет расти на свежей растительности, а в другом - нет».
Соломон сказал: «Вопрос в том, что дает этому грибку способность переваривать свежесрезанные листья? Это не то, что присуще грибу. дает ему такую возможность."
Соломон начал собирать муравьев-листорезов и их грибы в Центральной Америке в 2002 году, будучи аспирантом в лаборатории Мюллера. В 2007 году Соломон расширил свою работу благодаря международной стипендии Национального научного фонда (NSF), которая позволила ему провести год, работая с соавтором исследования Маурисио Баччи-младшим в Государственном университете Сан-Паулу в Рио-Кларо, Бразилия. Соломон сказал, что образцы Соломона и десятки других, собранные за эти годы группами Мюллера и Баччи, позволили исследователям точно определить происхождение листорезов в Южной Америке, вероятно, на пастбищных равнинах того, что сейчас является южной Бразилией и Аргентиной.
«Мы взяли пробы из множества гнезд различных видов муравьев-листорезов по всему ареалу всех листорезов, который простирается от Техаса на крайнем севере до Аргентины», - сказал Соломон. «Что нового в нашем подходе, так это то, как много выборки было проведено, особенно в Южной Америке. В прошлом было много выборок, но они были сосредоточены всего на нескольких разных регионах, особенно в Коста-Рике и Панаме.
«Оказывается, листорезы в этих местах не представляют виды, обитающие в других местах», - сказал он. «Отправляясь и собирая образцы в других местах, особенно на открытых пастбищах южной Бразилии, Парагвая и северной Аргентины, мы смогли показать, что наибольшее генетическое разнообразие грибов-листорезов находится в Южной Америке. где группа возникла. Это верно для людей, и это в целом верно для других видов, и это приводит нас к мысли, что листорезы возникли на пастбищах Южной Америки."
Мюллер сказал: «Исследование иллюстрирует важность в науке переоценки укоренившихся предположений, сбора больших наборов данных и международного сотрудничества, прежде чем делать выводы».