В замкнутых подземных пространствах, где накапливается углекислый газ, отдельные виды муравьев разработали уникальный механизм, позволяющий им не только существовать в этих условиях, но и извлекать из них выгоду. Вместо того чтобы удалять весь углекислый газ, муравьи преобразуют его в прочный минерал, который служит для защиты их экзоскелета.
Муравьи-листорезы, выращивающие грибы, — настоящие фермеры существуют и в мире насекомых. Некоторые виды добывают свежие листья и переносят их в гнезда, используя в качестве основы для выращивания грибов, тогда как другие используют детрит и падаль вместо листьев. Полученный урожай служит основным источником питания для всей большой колонии.
Серьезной проблемой подобного подземного «фермерства» является вентиляция. В колонии, населенной миллионами муравьев, одновременно происходит рост грибов и разложение растительных остатков, что приводит к высокой концентрации углекислого газа ( CO₂) в закрытых камерах концентрация газов может значительно возрастать. Естественная вентиляция с поверхности ограничена, и при отсутствии обновления воздуха атмосфера внутри гнезда становится непригодной для дыхания.
Несмотря на наличие механизмов для удаления углекислого газа из гнезда, их эффективность у листорезов различается. Не все виды обладают оптимальной вентиляцией.
Ученые на протяжении долгого времени исследуют структуру муравьиных гнезд и механизмы, с помощью которых колонии контролируют газообмен. Подробно изучены архитектура помещений, методы вентиляции и стратегии поведения муравьев. Однако до сих пор не было понятно, какую роль в регулировании газообмена играют поверхность тела муравьев и симбиотические микроорганизмы.
В 2020 году американские энтомологи во главе с Кэмероном Карри ( Cameron Currie) из Висконсинского университета в Мадисоне обнаружили первую зацепку. Они исследовали муравьев определенного вида Acromyrmex echinatior и обнаружили у рабочих особей уникальную биоминеральную броню (процесс биоминерализации), образованную кристаллами кальцита, расположенными специфическим образом на поверхности хитинового покрова. Ранее у насекомых ничего подобного не встречалось. Исследователи полагают, что данный слой значительно увеличивает устойчивость муравьиного панциря и служит для защиты.
Механизмы биоминерализации у листорезов изучены недостаточно, однако исследователи полагают, что ключевую роль в этом процессе играют бактерии определенного рода Pseudonocardia, которые состоят в симбиотических отношениях с Acromyrmex echinatior. Существует предположение, что эти бактерии непосредственно запускают процесс осаждения карбоната или принимают участие в его трансформации CO₂ в твердые карбонатные минералы.
Другая группа исследователей, включая Карри, пришла к выводу, что муравьи Sericomyrmex amabilis — ближайшие родственники листорезов, которые встречаются в Центральной и Южной Америке, также обладают способностью к биоминерализации. В отличие от гипотетического механизма, в котором задействованы бактерии у Acromyrmex echinatior, у этого вида пока не удалось выявить подобных симбионтов. В случае подтверждения этого факта, 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.
Забавно узнать, из чего состоит этот слой доломит — карбонатный минерал с формулой CaMg(CO₃)₂, получение этого вещества представляет сложность для химиков в лабораторных условиях. В его составе присутствуют кальций, магний и карбонатные группы (CO₃²⁻).
Синтез доломита в лабораторных условиях затруднен из-за сильной гидратации магния. Это означает, что молекулы воды плотно окружают его, образуя прочные электростатические связи, препятствующие внедрению магния в кристаллическую структуру карбоната кальция и, как следствие, существенно замедляющие рост кристаллов.
Для создания структурно упорядоченного доломита, имитирующего природные условия, исследователям зачастую необходимо использовать значительное давление и высокую температуру, достигающие сотен градусов Цельсия).
Образование доломита в естественных условиях может занимать от нескольких тысяч до миллионов лет, особенно когда речь идет о формировании минерала с упорядоченной структурой. Для того чтобы ионы кальция и магния выстроились в идеальную кристаллическую решетку, требуются низкие температуры и давление, а также значительное время.
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 решает для насекомых сразу две задачи. В первую очередь, биоминеральный слой повышает прочность их экзоскелета, обеспечивая надёжную защиту от хищников и внешних угроз. Кроме того, и это наиболее значимо, они удаляют избыточный углекислый газ внутри гнезда.
Научная работа опубликована на сайте препринтов по биологии bioRxiv.