“Konwergentna” ewolucja mrówek grzybiarek Starego i Nowego świata
Jerry A. Coyne
2023-03-23
Atta columbica tnąca kawałki liści. Kolonia może obedrzeć z liści całe drzewo tropikalne w ciągu zaledwie jednego dnia.
„Ewolucja konwergentna” [zbieżna] to zjawisko, w którym dwa stosunkowo niespokrewnione gatunki lub grupy organizmów niezależnie rozwijają podobne cechy. Klasyczny przykład dotyczy różnych gatunków ssaków torbaczy i ssaków łożyskowych, które niezależnie wyewoluowały bardzo podobne kształty i zwyczaje. Na przykład mamy krety torbacze, które wyglądają i zachowują się jak krety łożyskowe, ale podziemne życie i budowa ewoluowały oddzielnie, ponieważ gatunki te nie są blisko spokrewnione. Istnieje wiele torbaczy o cechach i budowie podobnych do łożyskowców: w książce Ewolucja jest faktem podaję kilka uderzających przykładów. Innym przykładem są kaktusy z Nowego Świata i wilczomlecze z Nowego Świata, które często są praktycznie nie do odróżnienia.
W piśmie „Ecology and Evolution” pojawił się nowy artykuł opisujący „konwergentną” ewolucję między mrówkami grzybiarkami w Nowym i Starym Świecie. Użyłem cudzysłowu, ponieważ zbieżność zachodzi tylko do pewnego momentu: polega na zbieraniu kawałków liści i kwiatów i zanoszeniu ich do gniazda. Ale to, co mrówki robią z tymi zebranymi liśćmi – wykorzystując je do uprawy grzybów – ma zupełnie inny „cel” na tych dwóch obszarach. Nowością jest to, że zbieranie liści związane z grzybami nie było wcześniej znane u mrówek Starego Świata, więc „konwergencja” obejmuje po prostu zachowanie polegające na zbieraniu liści i materiału roślinnego w dwóch grupach, a także obecność grzybów, które rosną na zebranych liściach.
Dotychczas uważano, że ścinanie liści ogranicza się do mrówek z Nowego Świata i zostało dość dobrze zbadane. To niesamowite zjawisko. Mrówki z Nowego Świata z plemienia Attini spędzają czas wspinając się po drzewach i innych roślinach, odgryzając kawałki liści lub innej roślinności i przenosząc je z powrotem do gniazda. Tam przeżuwają materiał roślinny na coś w rodzaju zielonej próchnicy używanej do hodowania grzybów. To sam grzyb jest ważny dla tych mrówek, ponieważ jest ich głównym pożywieniem i pokarmem podawanym larwom.
Grzyby używane przez zbieraczy liści z Nowego Świata należą do grupy grzybów podstawczaków i są nieznane poza gniazdami mrówek. Są wzajemnie korzystnymi współpracownikami. Ten mutualizm musiał zacząć się od dzikiego grzyba, który w jakiś sposób znalazł się w pożywieniu zbieranym przez mrówki, a następnie, w czasie ewolucji, przekształcił się mutualizm z mrówkami, przy czym mrówki ewoluowały w kierunku hodowania tego bardzo pożywnego grzyba. Te grzyby są przystosowane do życia wyłącznie w gniazdach mrówek, a same mrówki są przystosowane do zjadania grzyba, więc jest to prawdziwy mutualizm. Oba gatunki czerpią korzyści: grzyb zyskuje ochronę i miejsce do wzrostu, podczas gdy mrówki otrzymują nieskończone zapasy pożywienia. Ewolucja tego mutualizmu obejmuje zachowanie, morfologię i fizjologię. Oto kilka zdjęć mrówek grzybiarek z Nowego Świata zaczerpniętych z Wikipedii:
Gif z mrówką niosącą kawałek liścia do mrowiska:
Szereg mrówek niosących kawałki liści z powrotem do gniazda. Potrafią nieść ogromne kawałki, często ważące więcej niż same mrówki. Wszystkie nosicielki to robotnice: bezpłodne samice produkowane przez królową.
Czasami mniejsze mrówki podróżują autostopem na przenoszonych liściach. Nie są to „jeźdźcy na gapę”, ale wykonują niezbędną pracę (patrz poniżej).
I wideo z National Geographic pokazujące, co dzieje się potem:
Mrówki grzybiarki są fascynujące i chcę zwrócić uwagę na dwa unikalne aspekty ich stylu życia, zanim przejdziemy do nowego artykułu. Pierwszy dotyczy mrówek „autostopowiczów” pokazanych powyżej. Te jeżdżące na liściach mrówki pełnią istotną funkcję: odpędzają pasożytnicze muchy, które mogą składać jaja na głowach mrówek-nosicieli, co prowadzi do ich śmierci. (Mrówki Eciton nie cierpią z powodu tego samego pasożytnictwa, ponieważ poruszają się głównie w nocy, kiedy muchy nie są aktywne).
Po drugie, ponieważ grzyb jest niezbędny dla dobrostanu kolonii Attine i nie występuje poza koloniami, w jaki sposób dostaje się do nowej kolonii, kiedy już zostanie założona? (Kolonie często dzielą się po „wyrojeniu” mrówek: królowej wyrastają skrzydła, łączy się w pary z samcami w powietrzu, a następnie spada na ziemię, zrzuca skrzydła i samodzielnie zakłada nową kolonię, składając pierwsze jaja, które stają się robotnicami.) Okazuje się, że zanim samica wyruszy, by założyć nową kolonię, wkłada kawałek grzyba do kieszonki policzkowej, specjalnego pojemnika w jamie gębowej.
Kiedy ląduje, kopie dziurę w ziemi, która stanie się przyszłą kolonią, wyjmuje grzyba, a następnie wydala pewną substancję (być może metabolity z już jej niepotrzebnych mięśni lotnych) na grudkę grzyba. Przez kolejne kilka miesięcy, jest jedyną robotnicą w gnieździe, uprawia grzyby (ale nie zbiera liści), karmi niektórymi własnymi jajami larwy, które wykluwają się z innych jaj, a tym samym produkuje robotnice nowej kolonii. Ostatecznie cały system zaczyna działać z robotnicami ścinającymi liście, grzybami, jajami, larwami i poczwarkami oraz oczywiście długowieczną królową.
Aha, i zauważ, że całe to złożone zachowanie – zarówno robotnic, jak i królowej – jest zakodowane w mózgu mniejszym niż ziarnko piasku. Ewolucja jest rzeczywiście cudem!
Dobrze, wróćmy do artykułu, opisującego obcinanie liści u mrówek Starego Świata (w Afryce) i to, co robią z liśćmi i kwiatami, które zbierają. Kliknij na link pod zrzutem z ekranu, aby przeczytać, lub zobacz PDF tutaj.
Autorzy pokazują, że zupełnie inna grupa afrykańskich mrówek z rodzaju Crematogaster wyewoluowała zachowanie ścinania roślin i, podobnie jak mrówki z Nowego Świata, przenosi kawałki roślin z powrotem do gniazda. Jednak w tym przypadku gniazda nie są pod ziemią, ale są „gniazdami kartonowymi”: gniazdami wykonanymi z wysuszonego, mocno przeżutego materiału roślinnego, które są zbudowane na drzewach i wyglądają jak karton. Oto kartonowe gniazdo Crematogaster peringueyi:
Autorzy obserwowali gatunek C. clariventris w Kamerunie ścinający liście i kwiaty i przenoszący materiał z powrotem do kartonowych gniazd, gdzie jest on przeżuwany wraz z innymi materiałami (nieopisanymi w artykule) i używany do budowy gniazd kartonowych. Kiedy autorzy usunęli fragmenty gniazd kartonowych, nastąpił zauważalny wzrost żerowania na liściach w celu uzyskania materiałów do naprawy uszkodzeń. Należy zauważyć, że grupy Attines i Crematogaster dzieli 70 milionów lat, a pokrewne grupy nie wykazują tego zachowania, więc w tym przypadku ścinanie liści i przenoszenie do gniazda ewoluowały niezależnie.
Oto rysunek z artykułu (i jego podpis) przedstawiający afrykańskie mrówki ścinające liście:
(z artykułu) Crematogaster clariventris ścinająca (a) lub odbierająca (b) kawałki nowych liści bogatych w azot. Charakterystyczny żółty odwłok robotnic nie zawsze jest tak rzucający się w oczy, jak na tym zdjęciu (fot. Piotr Naskręcki). Kiedy autor dokonał sekcji gniazd i przyjrzał im się pod mikroskopem zwykłym i elektronowym, odkrył, że ściany kartonowego gniazda były wypełnione strzępkami grzybów: rurkowatymi kawałkami grzybów, których używają do trawienia i wchłaniania pokarmu. Włókna strzępków, z których wiele było po prostu martwymi kawałkami grzybów, przeplatały się między gniazdami i zdaniem autorów wzmacniały ściany gniazda, czyniąc całe gniazdo trudniejszym do zniszczenia i bardziej odpornym na deszcz. (Chociaż tego nie pokazali.)
Oto zdjęcie całości: mrówki ścinające kwiaty, kartonowe gniazdo i wnętrze kartonowego gniazda, pokazujące jego porowatą strukturę.
(z artykułu: Crematogaster clariventris w procesie wycinania kawałków bogatego w azot kwiatu Hibiscus rosa-sinensis (Malvaceae) (a). Ogałacają z liści również Albizia spp. (Fabaceae), Alchornea cordifolia (Euphorbiaceae), Cassia spp. (Fabaceae), Mangifera indica (Anacardiaceae) i Theobroma cacao (Malvaceae). Kartonowe gniazdo Crematogaster clariventris (b) i szczegóły kartonu wewnątrz gniazda (c) (zdjęcia Alain Dejean).
Oto strzępki tworzące coś, co wygląda jak rusztowanie dla gniazda:
(z artykułu): Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego kartonu ścian gniazd Crematogaster clariventris pokazujące strzępki/grzybnię grzyba, które przenikają przez pory do kartonu gniazda (strzałki).
Używając analizy DNA, autorzy zidentyfikowali również grupę, do której należy ten grzyb: jest to grzyb Capnodiales, bardzo daleko spokrewniony z grzybem Agaracaceae basidiomycete używanym przez mrówki z Nowego Świata: dzieli je około 640 milionów lat! Tym, czego autorzy NIE mogli ustalić, było to, czy grzyb z kartonowego gniazda przenosi się do następnego wraz z królową (jak w przypadku grzybiarek z Nowego Świata), czy też został znaleziony w świecie zewnętrznym, a nie przymusowo zamknięty w gniazdach mrówek. Być może po prostu wylądował na materiale roślinnym, zanim został przeniesiony do gniazda.
Tak więc, jak powiedziałem, mamy konwergentne (zbieżne) zachowanie: zbieranie liście i przynoszenie ich do gniazda, aby służyły jako podłoże dla wzrostu grzybów. Ale jest wiele, wiele nierozwiązanych kwestii w tym systemie, poza pochodzeniem i naturą grzyba opisanego powyżej.
1.) Czy mrówki Starego Świata jedzą grzyby?
2.) Czy grzyb rzeczywiście wzmacnia gniazdo? Wydaje się, ale nie przeprowadzono żadnych eksperymentów, aby to ustalić. (Oczywiście, byłoby to trudne.)
3.) Czy gniazda nie wzmocnione przez grzyby są bardziej podatne na zniszczenie? (To też byłoby trudne do ustalenia.)
4.) Czy mrówki mają jakieś zachowania zaprojektowane specjalnie po to, by umieścić grzyby w gnieździe, czy też grzyby po prostu przyjeżdżają autostopem z przeżuwanym „miękkim materiałem” użytym do budowy gniazda? Proszę pamiętać, że kartonowe gniazda nie ograniczają się do Starego Świata; można je znaleźć, zwłaszcza w cieplejszych regionach, także w Nowym Świecie, a grzyby znajdują się również w ścianach kartonowych gniazd Nowego Świata. Dejean i in. twierdzą, że mrówki Starego Świata w jakiś sposób zachęcają jeden konkretny grzyb do wzrostu w ścianach gniazda, ale tego nie wykazali. Być może jeden grzyb po prostu lepiej rośnie w materiale gniazda.
Zachowanie zbierania liści jest tutaj z pewnością zbieżne, ale byłoby o wiele bardziej interesujące, gdyby zbieżność obejmowała również celowe zbieranie określonego gatunku grzyba, aby pomóc kolonii. (Nie możemy powiedzieć, że mrówki Crematogaster ze Starego Świata „uprawiają” grzyby, ponieważ wydaje się, że nie robią nic, aby ułatwić wzrost grzyba.)
Jak zawsze można zakończyć ten artykuł stwierdzeniem „Jest jeszcze wiele do zrobienia”. Ale natura tej pracy jest bardzo jasna!
Emerytowany profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji. Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest również jednym ze znanych "nowych ateistów" i autorem (wydanej również po polsku przez wydawnictwo "Stapis") książki "Faith vs Fakt". Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.
