Муравьи захватили мир, обесценив жизнь отдельной особи : удешевление скелета ускорило эволюцию насекомых

В биологии существует базовый принцип распределения ресурсов: организм не может максимизировать все параметры одновременно. Энергия и нутриенты, поступающие из внешней среды, всегда ограничены. Это создает неизбежный компромисс между качеством и количеством потомства.

Фото: Own work by Thomas Bresson, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Тля и муравьи

Цена эусоциальности муравьёв

Одиночные организмы, как правило, вынуждены инвестировать максимум ресурсов в собственную выживаемость и защиту, так как гибель одной особи означает прекращение генетической линии. Однако появление эусоциальности (истинной социальности) у насекомых в корне изменило правила этого биологического отбора.

Новое масштабное исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предоставляет доказательства того, что эволюционный успех муравьев и способность формировать колонии численностью в миллионы особей стали возможны благодаря физиологической перестройке. Чтобы построить многочисленное общество, муравьям пришлось отказаться от индивидуальной защищенности и сделать своих рабочих физиологически "дешевле".

Технологический подход к изучению морфологии

Долгое время изучение физических параметров насекомых ограничивалось линейными измерениями или взвешиванием сухой массы. Эти методы не давали полной картины, так как не позволяли точно отделить массу защитных покровов от массы внутренних органов без разрушения образца. Международная группа исследователей под руководством специалистов из Окинавского института науки и технологий (OIST) применила метод синхротронной рентгеновской микротомографии.

Ученые создали высокоточные трехмерные модели 880 особей, представляющих 507 различных видов муравьев. Для обработки такого массива данных был разработан специализированный алгоритм компьютерного зрения. Программа в автоматическом режиме сегментировала полученные томограммы, отделяя объем кутикулы (внешнего скелета) от объема мягких тканей тела. Это позволило исследователям впервые получить точные количественные данные об инвестициях организма в защиту на уровне целых таксономических групп и сопоставить их с экологическими данными.

Гипотеза "дешевого рабочего" против миниатюризации

В мирмекологии (науке о муравьях) долгое время существовала гипотеза, согласно которой увеличение численности колонии достигалось за счет уменьшения размеров отдельных особей. Логика этого предположения проста: если ресурсы ограничены, то выгоднее разделить их на множество мелких частей, чем создавать несколько крупных.

Однако анализ полученных 3D-моделей показал, что размер тела рабочих особей не является главным фактором. Корреляция между размером тела и численностью колонии оказалась слабой. Вместо этого исследователи обнаружили жесткую отрицательную зависимость между размером колонии и объемом кутикулы.

Чем больше численность сообщества определенного вида, тем меньшую долю от общего объема тела составляет экзоскелет рабочего муравья. В малых, примитивных колониях рабочие сохраняют мощную броню, характерную для их одиночных предков. В гигантских колониях рабочие обладают значительно более тонким и легким экзоскелетом. Эволюция пошла не по пути миниатюризации, а по пути снижения материалоемкости производства одной единицы.

Биохимия дефицита и азотный барьер

Экзоскелет насекомых — это сложная биокомпозитная структура. Он состоит не только из хитина, но и из белков, сшитых между собой для придания жесткости, а также может быть укреплен металлами, такими как цинк и марганец. Формирование кутикулы требует значительных затрат азота — элемента, который часто является дефицитным в природе.

Снижение толщины кутикулы запускает механизм перераспределения ресурсов:

• Экономия нутриентов. Уменьшение объема защитных покровов высвобождает азот и энергию, которые ранее тратились на синтез хитина и белков кутикулы.
• Смена приоритетов. Высвобожденные ресурсы могут быть направлены на развитие других тканей (например, мускулатуры или нервной системы) или, что важнее для колонии, на производство большего количества личинок.
• Демографический взрыв. Снижение "себестоимости" одной особи позволяет колонии экспоненциально наращивать численность при той же кормовой базе.

Таким образом, муравьи преодолели ресурсные ограничения среды, пожертвовав индивидуальной защитой ради демографического превосходства.

Роль диеты и экологических ниш

Исследование выявило, что данная стратегия не является единственно возможной. Степень редукции кутикулы напрямую зависит от трофической стратегии вида (типа питания).

Хищники. Виды, специализирующиеся на охоте, получают большое количество азота из тканей своих жертв. Анализ показал, что хищные муравьи сохраняют более массивный экзоскелет даже при увеличении численности колоний. Это логично: для активной охоты требуется не только защита, но и жесткий каркас для крепления мощной мускулатуры.

Всеядные и растительноядные виды. Муравьи, перешедшие на питание растительными соками, нектаром или выделениями тлей (падью), сталкиваются с острым дефицитом азота. Именно в этой группе наблюдается наиболее сильное снижение прочности кутикулы. Для них производство "дешевых" рабочих стало единственным способом создания крупных сообществ.

Грибоводы. Интересное исключение составляют муравьи-листорезы, выращивающие грибы. Несмотря на огромные размеры колоний, они сохраняют относительно прочный экзоскелет. Это объясняется тем, что грибные сады обеспечивают их стабильным источником белка, снимая ограничения по азоту.

Также было обнаружено влияние климатических факторов. Вопреки ожиданиям, в жарком климате муравьи имеют тенденцию к утолщению кутикулы. Исследователи связывают это с высоким давлением патогенной микрофлоры в тропиках: более толстый покров служит физическим барьером, препятствующим проникновению спор паразитических грибов внутрь организма.

Коллективная защита как замена индивидуальной

Отказ от мощного экзоскелета сделал отдельных рабочих уязвимыми для физического урона и хищников. Однако в масштабах колонии эта уязвимость компенсируется изменением стратегии обороны.

Вместо пассивной защиты, которую обеспечивает броня, крупные колонии переходят к активной коллективной обороне. Огромная численность позволяет атаковать врага массово, не считаясь с потерями отдельных особей. Кроме того, многие виды с ослабленной кутикулой развили сложные системы химической защиты (кислоты, токсины, феромоны тревоги) и архитектурные решения для защиты гнезда. Жизнь отдельного муравья обесценилась, но выживаемость колонии как суперорганизма возросла.

Влияние на темпы эволюции

Одним из наиболее значимых выводов работы является соответствие между снижением инвестиций в кутикулу и скоростью диверсификации (видообразования).

Филогенетический анализ показал, что линии муравьев, которые в процессе эволюции перешли к производству "дешевых" рабочих, демонстрируют значительно более высокие темпы возникновения новых видов. Это свидетельствует о том, что стратегия снижения индивидуальных затрат оказалась хорошим эволюционным драйвером. Она позволила муравьям колонизировать экологические ниши с бедными пищевыми ресурсами и стать одной из доминирующих групп животных в большинстве наземных экосистем.

Результаты этого исследования заставляют пересмотреть взгляды на эволюцию социальности. Успех сложных сообществ обусловлен не только поведенческими усложнениями, но и глубокой физиологической оптимизацией, при которой эффективность системы достигается за счет упрощения и удешевления ее отдельных элементов.