Муравьи-листорезы приручили бактерий для борьбы с вредителем

Муравьи-листорезы ухитрились вовлечь в тесное сожительство две группы грибов и актинобактерии. Этот пример удивительного симбиоза сразу четырех видов организмов уже давно будоражит умы ученых. Объединенной группе биологов из университетов разных стран удалось ответить на вопрос, как такое сожительство могло возникнуть в ходе эволюции.

Муравьи-листорезы строят огромные гнезда под землей, в каждом гнезде имеется специально устроенная плантация грибов. Грибы служат муравьям практически единственной пищей. Когда матка основывает новый муравейник, она переносит во рту культуру пищевого гриба, и таким образом обеспечивает пропитанием свою новую семью. Эти пищевые грибы произрастают только на субстрате измельченных живых листьев или опада, который пополняется рабочими муравьями. Так что сельское хозяйство — не человеческое изобретение. Муравьи придумали его по крайней мере на 50 млн лет раньше.

Муравьи-листорезы выращивают грибы на компосте из листьев. Для защиты своих плантаций от паразитов муравьи применяют антибиотики, вырабатываемые бактериями-актиномицетами
(фото с сайта www.richard-seaman.com)

Однако любая монокультура, будь то человеческие посевы или муравьиные, крайне неустойчива: ни один уважающий себя паразит не упустит возможности обильно покушать и оставить многочисленное, обеспеченное сытным будущим потомство. На муравьиных фермах таким паразитом стал специализированный аскомицетовый грибок Escovopsis. Он в считанные дни может превратить грибной огород в зеленовато-бурую мертвую массу, если огородники не будут тщательно следить за своими посевами.

Несколько лет назад Камерону Карри (Cameron Currie) из Висконсинского университета (Мэдисон, США) с соавторами удалось показать, что в борьбе со специфическим грибком-паразитом листорезам помогает актинобактерия Pseudonocardia (актинобактерий раньше называли актиномицетами и относили к грибам), которая вырабатывает антибиотик, убийственный для Escovopsis, но безвредный для всех других грибов. Эта бактерия живет на поверхности тела муравьев-листорезов и также переносится муравьиной маткой при основании новой семьи. Безответственные муравьиные самцы этих бактерий не переносят, также как и культуры пищевых грибов.

Итак, муравьи выращивают грибы для своего пропитания, грибам то и дело угрожает нацеленный только на них грибок-паразит, со специализированным паразитом воюет актиномицет, специально для этого бережно передаваемый муравьями по наследству. Любой, кто хоть мельком ознакомился с этим примером замечательно пригнанного симбиоза, первым делом задаст вопрос: как такое могло возникнуть в ходе эволюции?

Методом анализа ДНК ученым удалось показать разнообразие штаммов, или видов, Pseudonocardia, используемых для врачевания посевов даже одним видом листорезов. Это означает, что как бы быстро паразит ни приспосабливался к ядовитому антибиотику, актиномицет имеет уже наготове новый штамм. Даже если погибнут муравейники с изжившим себя штаммом, имеется достаточно других муравейников с набором эффективных штаммов. Но в таком случае, что же заставляет бактерий эволюционировать внутри муравьиных семей?

A — симбиотические бактерии на нижней стороне переднего сегмента груди муравья-листореза; B — колония бактерий в углублении на теле муравья; C — углубление, очищенное от бактерий; E — другой вид муравья-листореза, сплошь покрытый углублениями с симбиотическими бактериями
(рис. из статьи в Science)

Ученым удалось выяснить, почему муравьи настолько привлекательны для актиномицетов, что те согласны даже подгонять свою биохимию в угоду муравьиной семье. Оказалось, что на теле муравьев имеются специальные образования, где концентрируются актиномицеты. Это крошечные полости, в которые открываются канальцы железистых клеток. Железистые клетки, по-видимому, выделяют вещество, способствующее росту лекарственной бактерии. У ближайших родственников листорезов таких полостей нет, зато они имеются у всех видов листорезов — а их около 300. Изучив расположение и строение этих образований у низших и высших групп видов, ученые предположили, как муравьи совершенствовали свою привлекательность.

Муравьи постепенно наращивали число железистых образований, концентрируя их в специальных углублениях — криптах. Крипт становилось всё больше, в конце концов они покрыли всё тело. Свою эволюционную задачу муравьи видели просто: чем больше будет места для благополучного поселения нужной бактерии, тем лучше. У высших листорезов дело дошло до того, что бактерия может поселиться практически на любом участке тела муравья — так густо и равномерно расположены выходы железистых клеток.

Эволюция этого удивительного симбиоза, по-видимому, шла параллельно у двух видов. Сам симбиоз начался с того момента, как муравьям удалось привлечь на свою сторону бактерию со специфическим антибиотиком. С тех пор бактерии старалась изо всех сил обеспечить качественное и разнообразное лечение пищевых посевов муравьев, а муравьи, в свою очередь, изо всех сил старались обеспечить своих докторов наилучшими жилищными условиями.

Для объяснения этого замечательного примера оказалось достаточно здравого смысла и множества тонких экспериментов. И нет никакой необходимости привлекать теорию разумного плана (intelligent design), модную среди околонаучных философов, даже в этом сложном случае удивительной сообразности существования четырех живых существ.

Муравьи-листорезы выращивают грибы на компосте из листьев. Для защиты своих плантаций от паразитов муравьи применяют антибиотики, вырабатываемые бактериями-актиномицетами
(фото с сайта www.richard-seaman.com)

A — симбиотические бактерии на нижней стороне переднего сегмента груди муравья-листореза; B — колония бактерий в углублении на теле муравья; C — углубление, очищенное от бактерий; E — другой вид муравья-листореза, сплошь покрытый углублениями с симбиотическими бактериями
(рис. из статьи в Science)