Эволюция муравьёв: тоньше панцирь — больше колония и выше разнообразие видов

Фундаментальный биологический компромисс между качеством и количеством определяет стратегии выживания бесчисленных видов. При переходе к социальному образу жизни этот выбор переносится на уровень всей колонии: производить меньше хорошо защищённых особей или множество более «дешёвых». Масштабное исследование, проведённое международной группой учёных, показывает, что эволюционный успех и невероятное разнообразие муравьёв связаны именно со второй стратегией — сокращением инвестиций в прочный экзоскелет отдельных рабочих.

Используя методы компьютерного зрения для анализа трёхмерных микротомографических снимков 880 экземпляров, представляющих 507 видов, исследователи впервые количественно оценили, как менялись инвестиции в кутикулу — хитиновый покров, выполняющий роль экзоскелета. Этот элемент составляет значительную долю затрат на азот и другие дефицитные элементы в организме насекомого.

Размер колонии против прочности особи

Анализ выявил сильную отрицательную связь между размером колонии и толщиной экзоскелета рабочих. Чем больше семья, тем тоньше, в среднем, покровы её членов. По мнению учёных, это объясняется перераспределением ресурсов и изменением приоритетов. В крупном сообществе индивидуальная защита каждой особи становится менее критичной, поскольку действуют такие факторы, как размывание индивидуального риска хищничества, эффективная коллективная защита от патогенов и сложная социальная организация.

Высвобожденный азот, который не тратится на построение плотной кутикулы, может быть направлен на производство большего числа особей или развитие других тканей, например, мышечной или нервной. Исследователи предполагают существование положительной обратной связи: более тонкий экзоскелет позволяет выращивать больше рабочих, а жизнь в большой колонии, в свою очередь, снижает необходимость в индивидуальной броне.

Попытка выявить причинно-следственную связь с помощью филогенетического path-анализа показала, что влияние инвестиций в кутикулу на размер колонии сильнее, чем обратное влияние. Однако разница в поддержке моделей была небольшой, что указывает на глубокую взаимосвязь этих признаков в эволюции.

Диета, климат и альтернативная защита

Хотя размер колонии оказался главным фактором, были выявлены и второстепенные корреляции. Хищники и грибководы, как правило, имели более толстую кутикулу по сравнению с всеядными видами, что, вероятно, связано с доступностью азота в их диете. Также обнаружена слабая, но значимая положительная связь с температурой среды обитания, что может объясняться необходимостью защиты от патогенов, активность которых выше в тёплом климате.

Интересно, что наличие кутикулярных шипов на груди, которые считаются морфологической защитой от хищников, показало лишь слабую положительную корреляцию с толщиной экзоскелета. Это позволяет предположить, что эти признаки не являются взаимоисключающими альтернативами, а могут развиваться параллельно. Учёные проводят аналогию с историей человеческой войны: «Тяжело бронированные "рыцари" (рабочие с мощным экзоскелетом и жалом) уступили место "лучникам" (рабочим с тонким панцирем, но использующим химическую защиту)».

Ключ к разнообразию

Наиболее интригующим открытием стала связь между толщиной кутикулы и эволюционным успехом целых линий. Анализ показал, что уменьшение инвестиций в экзоскелет рабочих коррелирует с ускоренными темпами видообразования. Этот эффект был статистически значимым и устойчивым при использовании различных методов оценки темпов диверсификации.

При этом ни размер колонии сам по себе, ни размер тела рабочего не показали самостоятельной связи с ускоренным видообразованием. Это указывает на то, что именно комплекс социальных и экологических инноваций, связанных с экономией на экзоскелете, а не просто крупные колонии или мелкие рабочие, стал двигателем эволюционного успеха. Способность обходиться менее затратным покровом, возможно, позволяла муравьям осваивать бедные ресурсами среды и эффективнее основывать новые колонии.

Методология и перспективы

Исследование стало возможным благодаря разработке автоматизированного метода сегментации 3D-сканов, что позволило быстро и точно анализировать сотни образцов. Работа открывает новые возможности для макроэволюционных исследований морфологических признаков с использованием высокопроизводительной микротомографии.

Учёные отмечают, что многие вопросы остаются открытыми. Например, как инвестиции в кутикулу соотносятся с развитием других дорогостоящих тканей, таких как мозг или репродуктивные органы. Исследование вариаций толщины покрова на разных частях тела могло бы пролить свет на специфические эволюционные давления. Понимание того, как стратегическое сокращение индивидуальных инвестиций привело к крупномасштабному успеху, важно не только для мирмекологии, но и для изучения эволюции сложных систем в целом.