Scienty

По имеющимся научным сведениям, на планете обитает около 20 квадриллионов муравьев, что соответствует примерно 2,5 миллионам насекомых на одного человека. Долгое время ученые обсуждали причины, по которым эти существа стали одними из самых распространенных видов на Земле по численности. Похоже, авторы недавнего исследования обнаружили ответ на этот вопрос.

Муравьи (Formicidae) играют значимую роль в наземных экосистемах. Они содействуют аэрации почвы, они обогащают почву кислородом, улучшая ее структуру. Также они способствуют переработке органических соединений, ускоряют процесс разложения и помогают в распространении семян растений.

По состоянию на 2025 год описано по предварительным оценкам, на Земле насчитывается около 15,7 тысячи видов муравьев, что делает их одними из наиболее распространенных животных на планете. Однако, реальное их количество, вероятно, значительно больше, поскольку многие виды еще не описаны наукой.

Долгое время исследователи пытаются выяснить, что позволило муравьям достичь такого господства. Их тело относительно невелико, физическая сила ограничена, а продолжительность жизни невелика. Однако муравьиные колонии нередко включают в себя тысячи, а порой и миллионы особей, функционирующих как единое целое. Возможно, именно такой способ организации общества стал одним из ключевых факторов, обеспечивших широкое распространение муравьев?

Каждый муравей в колонии представляет собой самостоятельный «продукт», и колония расходует ресурсы на его развитие. Аналогично производственному процессу, возникает типичный экономический вопрос: целесообразнее ли вкладывать средства в небольшое число сильных и выносливых особей или же ориентироваться на массовое создание менее качественных и более доступных?

Внешний скелет муравья, выполняющий роль защиты и основы, — это его кутикула. Она представляет собой многослойную структуру, состоящую из хитина и белков, и служит для защиты от физических повреждений, обезвоживания и проникновения инфекций. Однако создание такой защиты требует значительных затрат. Хитин – это полисахарид, содержащий азот, поэтому этот элемент необходим для формирования кутикулы. Зачастую азот в доступных живым организмам формах является дефицитным, что делает его ценным ресурсом для муравьев.

Когда у муравьев генетически предопределена толстая и крепкая кутикула, на создание каждого рабочего или солдата требуется больше ресурсов. Личинки в таких колониях изначально развиваются таким образом, что формирование их внешнего скелета связано с повышенным потреблением азота. Вследствие этого колония физически ограничена в количестве рабочих, которых она может вырастить, поскольку ресурсов недостаточно. У видов с более тонкой кутикулой ситуация иная. Их личинки формируют менее массивную защиту, каждая особь обходится дешевле, и колония может обеспечить питание и рост большего числа особей.

В 2017 году группа ученых-мирмекологов во главе с Кристианом Питтерсом ( Christian Peeters) ученые из Парижского университета исследовали толщину кутикулы у 42 видами муравьев обнаружили, у некоторых видов «броня» имела толщину менее микрона, что сопоставимо с размером бактерий, тогда как у других она была почти в сто раз толще и достигала толщины человеческого волоса.

Питтерс и его соавторы предложили рискованную гипотезу: эволюция могла пожертвовать индивидуальной защитой некоторых видов, чтобы увеличить их воспроизводственную способность. Такой подход мог привести к формированию огромных суперколоний. Однако в то время не удалось подтвердить эту идею, используя обширные данные, поскольку руководитель исследования скончался, и проект был приостановлен.

Международная группа исследователей под руководством Артура Матте ( Arthur Matte) из Кембриджского университета в Великобритании продолжила исследования, начатые коллегами, и подтвердила их выводы. Научная группа не только подтвердила предположение Питтерса, но и прояснила, каким образом экономическая стратегия муравьев оказала влияние на всю их эволюционную историю.

Матте и его коллеги создали уникальные компьютерные алгоритмы, основанные на технологиях компьютерного зрения. Эти программы позволяют автоматически анализировать трехмерные микротомографические изображения муравьев и с высокой степенью точности определять толщину их кутикулы. Для проведения исследования использовалась оцифрованная коллекция Antscan — обширную базу данных, ранее подготовленную другой командой.

В результате исследований ученые получили достоверные сведения по 880 образцам, относящимся к 507 видам муравьев. Такой объем информации является уникальным.

Результаты анализа данных выявили явную и недвусмысленную взаимосвязь. Виды муравьев, формирующие самые большие колонии, в среднем обладают значительно более тонкой кутикулой. Важно отметить, что это не связано со снижением размеров самих муравьев. Рабочие особи могут сохранять крупные габариты, однако их защитный слой оказывается тоньше и легче.

По мнению Матте, в ходе эволюционного развития эти виды выбрали между качеством и количеством. Ресурсы, затрачиваемые на защиту каждой отдельной особи, сокращаются, взамен формируется многочисленная группа исполнителей. Благодаря большому числу рабочих задач распределяются между ними, и колония начинает функционировать как более сложный и эффективный организм.

Учёные дополнительно изучили воздействие других факторов на толщину кутикулы. Было установлено, что климатические условия и питание также оказывают влияние на этот показатель, однако их роль менее значительна и скорее является дополнительной.

В условиях высокой температуры толщина кутикулы, как правило, выше – это, скорее всего, связано с необходимостью более эффективной защиты от потери влаги. Например, у хищных видов или у тех, кто культивирует грибы в муравейниках, таких как муравьи-листорезы ( Atta, Acromyrmex), у муравьев панцирь также прочнее. У особей, потребляющих в основном сладкие выделения тлей, кутикула более тонкая. Однако главное открытие заключается в том, что взаимосвязь «большая колония — тонкая кутикула» существует вне зависимости от рациона.

Наиболее захватывающее открытие было еще впереди. Сравнив информацию о кутикуле с эволюционным древом муравьев и скоростью видообразования, ученые выяснили, что группы с более тонкой кутикулой не только формируют крупные колонии, но и эволюционируют, порождая новые виды, значительно быстрее.

Наличие или отсутствие определенных размеров колонии и тела муравьев не выявило столь выраженной зависимости от ускоренного видообразования. Таким образом, стратегия, основанная на высокой воспроизводимости и минимальных затратах, стала не только важным социальным фактором, но и мощным эволюционным механизмом. Она обеспечила муравьям возможность оперативно осваивать новые экологические ниши и приспосабливаться к разнообразным условиям, что в конечном итоге обусловило их нынешнее численное преобладание на планете.

Секрет триумфа муравьев заключается в изящной простоте их эволюционного подхода. Для покорения мира им не потребовались когти или ядовитые выделения. Вместо этого они, если использовать метафору, «похудели» — уменьшили затраты на индивидуальную защиту каждой особи. Освободившийся азот позволил перенаправить средства на приоритетное направление — увеличение численности. Множество особей, производимых с меньшими издержками, способны были возводить сложные колонии, эффективно использовать ресурсы и, что является ключевым фактором, ускорять эволюционные процессы.

Результаты исследования представлены в журнале Science Advances.