Муравьи-листорезы, выращивающие грибы, — настоящие фермеры в мире насекомых. Некоторые виды собирают свежие листья и приносят их в гнезда, чтобы использовать как субстрат для грибов, другие вместо листьев задействуют детрит и падаль. Выращенный урожай становится основной пищей для всей огромной колонии.
Но у такого подземного «фермерства» есть серьезная проблема — вентиляция. В колонии, где живут миллионы муравьев, одновременно растут грибы и гниют растительные остатки, концентрация углекислого газа (CO₂) в камерах может достигать высоких значений. Естественный газообмен с поверхностью затруднен, и если воздух не обновляется, атмосфера внутри гнезда становится сложной для дыхания.
Хотя у листорезов существуют механизмы для вывода углекислого газа из гнезда, работают они с разной эффективностью. Далеко не все виды могут похвастаться идеальной вентиляцией.
Исследователи давно изучают, как устроены муравьиные гнезда и как колонии регулируют газообмен — архитектура камер, способы вентиляции и поведенческие стратегии детально описаны. Но оставалось неясным, какую роль в регулировании газообмена играют поверхность тела муравьев и их микробы.
В 2020 году американские энтомологи под руководством Кэмерона Карри (Cameron Currie) из Висконсинского университета в Мадисоне наткнулись на первую подсказку. Они изучили муравьев вида Acromyrmex echinatior и обнаружили у рабочих особей уникальную биоминеральную броню (процесс биоминерализации), состоящую из кристаллов кальцита, которые особым образом распределены по поверхности хитиновой оболочки. Ничего похожего у насекомых раньше не находили. По мнению авторов исследования, этот слой существенно повышает прочность муравьиного панциря и выполняет защитную функцию.
Причины биоминерализации у листорезов до конца не выяснены, но ученые предположили, что главную роль в этом играют бактерии рода Pseudonocardia, которые состоят в симбиотических отношениях с Acromyrmex echinatior. Вероятно, эти бактерии непосредственно инициируют осаждение карбоната или участвуют в превращении CO₂ в твердые карбонатные минералы.
Теперь другая группа ученых, в которую вошел и Карри, обнаружила, что муравьи Sericomyrmex amabilis — близкие родственники листорезов, обитающие в Центральной и Южной Америке — также способны к биоминерализации. Однако, в отличие от предполагаемого механизма с участием бактерий у Acromyrmex echinatior, у этого вида пока не удалось обнаружить подобных симбионтов. Если это подтвердится, Sericomyrmex amabilis станут первыми известными науке животными, которые приобрели способность превращать газ в минерал в процессе собственной эволюции, а не за счет бактерий-помощников.
Чтобы выяснить, действительно ли Sericomyrmex amabilis способны к биоминерализации, Карри и его коллеги применили целый ряд методов, включая отслеживание стабильных изотопов углерода, наноразмерную вторичную ионную масс-спектроскопию и твердофазный ядерный магнитный резонанс с изотопом углерода-13. Эти методы показали, что часть CO₂ муравьи выводят наружу с помощью систем вентиляции, а часть превращают в прочный биоминеральный слой, который покрывает их экзоскелет.
Интересно, что в состав этого слоя входит доломит — карбонатный минерал с формулой CaMg(CO₃)₂, который химики с трудом получают в лаборатории. Его структура включает кальций, магний и карбонатные группы (CO₃²⁻).
В лабораторных условиях синтез доломита осложняет магний, который сильно гидратирован. Проще говоря, он окружен большим количеством молекул воды: они прочно притягиваются к нему за счет электростатического взаимодействия, что затрудняет внедрение магния в кристаллическую решетку карбоната кальция, из-за чего рост кристаллов замедляется до невозможности.
Чтобы обмануть природу и получить структурно упорядоченный доломит «в пробирке», ученым в большинстве случаев требуются повышенное давление и температура (порядка сотен градусов Цельсия).
В природе образование доломита обычно занимает от нескольких тысяч до миллионов лет, особенно если речь идет о формировании структурно упорядоченного минерала. В условиях низких температур и давлений ионам кальция и магния нужно время, чтобы выстроиться в идеальную кристаллическую решетку.
Карри и его коллеги установили, что Sericomyrmex amabilis создают частично упорядоченный доломит достаточно быстро и при относительно низких температурах. Как им это удается — главная загадка. Сейчас команда готовится к следующему этапу исследования: они хотят изучить «химическую кухню» муравьев и понять молекулярный механизм этого процесса.
Биоминерализация помогает насекомым решить сразу две задачи. Во-первых, биоминеральный слой укрепляет их экзоскелет — это отличная защита от врагов и опасностей внешнего мира. Во-вторых, и это главное, они избавляются от лишнего углекислого газа внутри гнезда.
Научная работа опубликована на сайте препринтов по биологии bioRxiv.