Муравьи научились превращать парниковый газ в «каменную броню»

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.

Игорь Байдов

632 статей

Автор публикует материалы по астрономии, археологии и палеонтологии. В текстах освещает современные открытия, теории и ключевые находки, представляя актуальные данные в научно-популярном формате.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram