Муравьи используют азотные удобрения для своих угодий

Муравейник муравьев-листорезов рода Atta — это внушительное подземное сооружение с системой из сотен камер, связанных тоннелями, которое обслуживается миллионном муравьев. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Группа американских ученых продолжила изучение интереснейшего природного явления — сельского хозяйства у муравьев-листорезов. Листорезы выращивают на переработанных зеленых листьях грибную культуру, которая служит им пищей. В качестве «пестицидов» они используют антибиотики особых бактерий. Теперь ученые доказали, что муравьи вносят в субстрат азотфиксирующие бактерии, которые позволяют обойти проблему азотистого истощения, столь острую для любых сельскохозяйственных монокультурных посевов.

Группа ученых под руководством Камерона Карри (Cameron Currie) из Висконсинского университета (Мэдисон, США) продолжает публикацию своих работ об устройстве сельского хозяйства у муравьев-листорезов. Листорезы — это особая группа муравьев, знаменитая своими сельскохозяйственными организаторскими талантами. В принципе, многие муравьи и другие насекомые культивируют различных животных (например, тлей) и грибы в качестве стабильного источника питания (см. статьи на «Элементах»: Симбиотические бактерии помогают жукам выращивать съедобные грибы, Для повышения эффективности труда муравьи формируют узких специалистов). Но в отличие от других насекомых листорезы добились исключительного мастерства в этой области, так как их сельское хозяйство практически автономно.

Листорезы строят подземные камеры, куда складывают переработанные кусочки зеленых листьев. На эти листья они высаживают штаммы грибов. Грибы разрастаются, предоставляя муравьям обильный источник легко усваиваемого углеродного питания. Свои грибные «посевы» муравьи тщательно оберегают с помощью специальных бактерий (Pseudonocardia), которые, выделяя антибиотик, убивают нежелательных паразитов посевов. (Об этой стороне устройства муравьиного хозяйства см.: Муравьи-листорезы приручили бактерий для борьбы с вредителем, «Элементы», 25.01.2006.). При организации нового гнезда матка уже снабжена всеми необходимыми элементами для сельского хозяйства — спорами кормовых грибов, которые она переносит во рту, и штаммом Pseudonocardia, растущим прямо на ее теле.

Теперь ученые показали, что сельскохозяйственная активность листорезов не ограничивается защитой урожая от паразитов. Оказалось, что муравьи научились решать столь знакомую любому агроному задачу, как дефицит доступного азота в субстрате. Доступного азота в почве не так уж много, так что растения в монокультурных посевах довольно быстро истощают его запасы. Чтобы восполнить недостаток азота, в почву добавляют азотные удобрения или высевают культуры клубеньковых растений с симбиотическими азотфиксаторами на корнях.

Ученые обнаружили свидетельства того, что и в муравьином хозяйстве азот искусственно добавляется в урожаи. Они измеряли количество азота (точнее, отношение азота к углероду) в лабораторном муравейнике. В изолированном лабораторном муравейнике исключалось поступление азота из почвы. Сами грибы, как известно, не умеют использовать атмосферный азот. Оказалось, что количество азота в свежих листьях, которые приносят муравьи, существенно меньше, чем в переработанном зеленом субстрате для грибного поселения, еще больше азота обнаружено в использованных и выброшенных из муравейника листьях. Это означает, что на каком-то этапе выращивания урожая азот добавляется в культуру. И при этом источником дополнительного азота может быть только бактериальная азотфиксация.

Имеется специальный комплекс ферментов нитрогеназ, участвующих в азотфиксации, и этот комплекс легко обнаружить и оценить в нём количество активных белков. Судя по количеству нитрогеназ, в лабораторном муравейнике азотфиксация шла интенсивнее всего в грибных культурах. В зеленом листовом субстрате активность ферментного комплекса была невысокой. Также невысокой она оказалась и в пищеварительном тракте муравьев. Это значит, что флора азотфиксирующих бактерий поселяется вне тела насекомого, прямо на посевах грибов. И этим муравьи отличаются, например, от термитов, у которых азотфиксирующие бактерии поселяются в пищеварительном тракте.

Темпы азотфиксации были измерены по изотопном составу азота в муравейнике, в который искусственно подавали воздух, обогащенный N¹⁵. Как и следовало ожидать, самыми высокими были темпы азотфиксации в грибных культурах. Ученые доказали, что основными азотфиксаторами у муравьев-листорезов являются бактерии клебсиелла (Klebsiella) и Pantoea. Причем необходимые высокие темпы азотфиксации обеспечивает только первая группа (Klebsiella). Представители клебсиелл чаще других встречаются в диких муравейниках. Если построить филогенетическое древо азотфиксаторов по генам нитрогеназ, то муравьиные Klebsiella и Pantoea сформируют отдельную ветвь. Болезнетворные клебсиеллы оказались в сестринской ветви. Это говорит о том, что муравьиные азотфиксаторы могли эволюционировать обособленно от других групп азотфиксирующих бактерий — вероятно, подстраиваясь под эволюцию муравьев. Точно такую же совместную эволюцию прошли и бактерии Pseudonocardia, защищающие грибные культуры от паразитов.

Таким образом, в муравейниках листорезов обнаруживаются все черты развитой агрикультуры. Имеются и подготовленный субстрат (переработанные листья), и селекционные высокоурожайные культуры (грибы), и подобранные эффективные пестициды (Pseudonocardia), и необходимые удобрения (Klebsiella). Система работает слаженно и автономно; она дает пример изумительной аналогии развития человеческой культуры и природных объектов. Ученым еще предстоит содержательное толкование подобных аналогий. Здесь, возможно, будут найдены и новые решения в агрономии, и переосмысление развития человеческой культуры с эволюционных позиций.

Источник: Adrián A. Pinto-Tomás, Mark A. Anderson, Garret Suen, David M. Stevenson, Fiona S. T. Chu, W. Wallace Cleland, Paul J. Weimer, Cameron R. Currie. Symbiotic Nitrogen Fixation in the Fungus Gardens of Leaf-Cutter Ants // Science. 2009. V. 326. P. 1120–1123.

Елена Наймарк

Последние новости: Биология, Елена Наймарк