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.

Биологи выяснили, почему муравьи стали одними из самых многочисленных существ на планете Согласно научным данным, на Земле живут 20 квадриллионов муравьев, что составляет примерно 2,5 миллиона муравьев на каждого человека. Ученые давно спорят, почему эти насекомые стали одними из самых… naked-science.ru

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.

Биологи рассказали, как паразитические муравьи устраивают «государственный переворот» в колониях,… В темных лабиринтах подземного муравейника разыгрывается коварный сценарий, достойный политического триллера. Вместо того чтобы силой захватить трон, королева одного вида муравьев применяет хитрую … naked-science.ru

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.

Энтомологи описали колонию муравьев, где все особи — королевы В мире насекомых существует сообщество муравьев, где нет места рабочим и самцам. Только королевы. Каждая из них с рождения «запрограммирована» на одну поведенческую стратегию — захват чужого гнезда… naked-science.ru

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.