Между мравката съществува симбиоза. Изследвани са причините и последствията от загубата на симбиоза между мравки и растения

Ботаници от Мюнхенския университет изследваха еволюцията на симбиозата между мравките и мирмекофилните растения от групата Hydnophytae, образуващи специални израстъци от тъкани - доматии, в които тези насекоми се заселват, предоставяйки в замяна на своите гостоприемници хранителни вещества. Това взаимноизгодно сътрудничество, както се оказа, е оригиналът за тази група растения, но е бил загубен няколко пъти по време на еволюцията. Резултатите от проучването потвърдиха няколко съществуващи теоретични прогнози. Първо, връщането към несимбиотичен живот се случва само при неспециализирани растения, които не са развили строга връзка с определен вид мравка. На второ място, загубата на симбиоза се случва при условия на ниско изобилие от мравки партньори, а не поради загуба на нужда от нея. Трето, след загубата на връзка с мравките, морфологичната еволюция на доматиите се ускорява, освободена от действието на стабилизиращата селекция, която ги запазва в симбиотични видове.

Взаимноизгодното сътрудничество - мутуализъм - сега често се разглежда от специалистите по коеволюция като един от основните механизми за увеличаване на сложността и поддържане на стабилността на екосистемите. Тук е уместно да припомним симбиозата висши растенияс гъбички (микориза) и азотфиксиращи бактерии, които до голяма степен определят самата възможност за успешно заселване на земята, и огромен брой животни, които усвояват храната с участието на протозои и бактерии. Въпреки че не е толкова близък (сега наричан симбиотичен), както в примерите по-горе, взаимността между растенията и опрашителите, както и между растенията и животните, разпространяващи семена, също е доста важна за функционирането на екосистемите. В крайна сметка митохондриите и хлоропластите, необходими за развитието на сложни многоклетъчни организми, са потомци на бактерии, които окончателно са загубили способността си да живеят свободно и са се превърнали в органели.

Guillaume Chomicki и Susanne S. Renner от университета в Мюнхен решиха да проучат причините за загубата на мутуализма, използвайки примера на симбиоза мравка-растение (вижте Myrmecophytes). Авторите се фокусираха върху растения от подтриба Hydnophytinae, някои от които се използват като декоративни растения от семейство Rubiaceae. Тези епифитни растения, произхождащи от Австралия, осигуряват на мравките място за изграждане на гнезда, като образуват специални кухи структури върху стъблото - доматии, а насекомите снабдяват растенията с хранителни вещества от екскрементите си и "боклука", който носят. Този мутуализъм може да бъде или специализиран, при който един растителен вид се обитава от един определен вид мравки (входът на доматия е точно съобразен с размера на индивида от този вид), или неспециализиран (генерализиран), когато един растителен вид могат да бъдат обитавани от различни видове мравки. В горепосочената група растения има и двата варианта и освен това някои видове изобщо не взаимодействат с мравките (фиг. 1). А общият брой видове (105) осигурява достатъчно материал за проверка на теоретичните прогнози.

1) Загубата на мутуализма свързана ли е с едно или друго състояние на предците (специализирано или обобщено)?

2) Загубата на мутуализъм свързана ли е със специфични условия на околната среда (например рядкост на мравките или наличие на хранителни вещества)?

3) Загубата на мутуализъм влияе ли на скоростта на еволюция на входа на доматия (докато растението взаимодейства с мравките, стабилизиращата селекция трябва да действа върху тази черта, намалявайки променливостта, но след загубата тя трябва да изчезне).

Авторите са съставили филогенетично дърво, базирано на шест пластидни и ядрени гени (Фиг. 2), секвенирани в 75% от 105-те вида на подплемето, и използвайки два статистически метода (оценка на максимална вероятност, вижте Максимална вероятност и байесов анализ, вижте Байесов анализ заключение) установяват, че противно на техните очаквания, първоначалното състояние за тази група растения е неспециализирана симбиоза, която впоследствие е загубена около 12 пъти (това дърво е само приблизителна реконструкция на действителната еволюционна история, така че получената стойност може да не бъдете точни). За да потвърдят допълнително първоначалното наличие на симбиоза, авторите проведоха филогенетичен анализ, в който изкуствено установиха липсата на симбиоза в общия прародител на всички хиднофити - и този модел изгради дървото значително по-лошо.

Единадесет от дванадесетте случая на изчезване на симбиозата са настъпили в неспециализирани линии. Единственото изключение е родът Anthorrhiza, за който не може да се определи със сигурност прародителското състояние.

17 от 23 вида, които не влизат в симбиоза с мравки, живеят в планините на Нова Гвинея на надморска височина над 1,5 км. Известно е, че разнообразието и изобилието на мравките намалява с изкачването на планините - тази тенденция се наблюдава и на този остров. Нещо повече, при три от тези видове дъждовната вода се натрупва в доматия и живеят жаби (фиг. 1, D), шест вида могат да получат хранителни вещества от почвата, но това важи и за два вида, които поддържат специализирана връзка с мравките. Всички тези факти говорят в полза на хипотезата, че причината за загубата на мутуализма не е загубата на нуждата от него, а липсата на потенциални партньори. Това обяснява и липсата на случаи на загуба на връзка с мравки при специализирани видове: след като са загубили партньор, те просто умират.

Тъй като специализираните мирмекофили сред Hydnophytinae взаимодействат с мравки от два рода от подсемейство Dolichoderinae, открити на различна надморска височина, докато генералистите взаимодействат с повече от 25 несвързани вида, чието разнообразие намалява с надморската височина, авторите предполагат, че ако хипотезата за недостиг на партньори е правилно, и двете са основната причина за загубата на мутуализъм, тогава генералистите трябва да се намират главно на ниски височини, разпределението на специалистите не трябва да зависи от надморската височина, а растенията, които са загубили мутуализъм, трябва да се намират главно в планините. Няколко независими статистически анализа потвърдиха тези очаквания (фиг. 3).

Какво се случва с domatia след загубата на взаимност? Теоретичните прогнози казват, че докато съществува симбиозата, размерът на входа към тях, който позволява на растението да „филтрира“ желаните мравки, е обект на стабилизираща селекция, поддържайки оптималния размер. Освен това сред специалистите тази селекция трябва да е по-силна, тоест скоростта на еволюция трябва да е минимална. И след като растението престане да взаимодейства с мравките, селекцията трябва да отслабне, което ще доведе до увеличаване на скоростта на промяна на тази характеристика.

Размерът на входния отвор в доматия варира значително сред хиднофитите: от милиметър до повече от 5 сантиметра. Анализът на разпределението на тези размери между видовете показа, че много немутуалистични видове имат големи отвори - през тях могат да проникнат големи безгръбначни (хлебарки, стоножки, перипати, паяци, охлюви и пиявици) и дори малки гръбначни (жаби, гекони и сцинкове). в доматията. Получената оценка на скоростта на еволюция на диаметъра на отвора също е в съответствие с хипотезата: за специалисти - 0,01 ± 0,04, за специалисти - 0,04 ± 0,02, за не-мутуалисти - 0,1 ± 0,02 (стойности в произволни единици, cm Д. Л. Рабоски, 2014 г. Автоматично откриване на ключови иновации, промени в скоростта и зависимост от разнообразие от филогенетични дървета).

Въпреки това, високата скорост на еволюция на размера на входния отвор на доматиума може да се обясни и с факта, че при липса на комуникация с мравките възниква селекция, която благоприятства проникването на по-големи животни вътре. Понастоящем обаче няма доказателства, че тези жители имат полза от растението, въпреки че тази възможност изисква допълнително проучване.

И накрая, авторите показаха, че когато човек се движи в планината, Средната скоростморфологична еволюция на отворите на Domatacian - за да направят това, те разработиха метод, който комбинира данни за филогенеза и разпространение на видовете, което им позволи да получат „карта на морфологичната еволюция“ (фиг. 4).

Това изследване не разкри нищо напълно неочаквано, но това не го прави по-малко ценно. В края на краищата, теоретичните прогнози трябва да бъдат тествани върху „жив“ материал. Авторите имаха късмета да намерят добър обект за изследване. Да се надяваме, че ще последват други подобни произведения, които ще позволят да се разбере колко често се реализират определени сценарии за еволюцията на мутуализма.

Източник: G. Chomicki, S. S. Renner. Партньорът контролира стабилността на взаимността на изобилието и скоростта на морфологичната промяна през геоложкото време // PNAS. 2017. Т. 114. бр. 15. С. 3951–3956. DOI: 10.1073/pnas.1616837114.

Сергей Лисенков

Всеки, който се интересува от градинарство, отглеждане на зеленчуци, различни плодове, горски плодове, билки и цветя, като цяло - всичко, което може да се отглежда в градински парцел, знае, че ако на растението се появят мравки, скоро ще се появят листни въшки. И това не е изненадващо. Тези насекоми се „грижат“ един за друг и им помагат да оцелеят в такъв труден и несигурен свят. Нека да разгледаме как е организирана симбиозата на листни въшки и мравки.

Кратка екскурзия в живота на мравките

Мравките са едни от малкото насекоми, които почти непрекъснато търсят храна за своята кралица на мравки и нейното потомство. В природата има около 12 000 вида от тях и всички те принадлежат към семейството на социалните насекоми. Това означава, че те живеят в големи индивидуални семейства колонии, например като термитите.

Диетата на мравките се състои от храна, богата на въглехидрати и протеини. Те могат спокойно да се нарекат сладък зъб и ако не вземете предвид човешката храна, която те щастливо „крадат“ и усвояват, тогава любимият им деликатес, който могат да получат в природата, е медена роса, произведена от листни въшки, люспести насекоми, мащабни насекоми.

Йерархията в общността на мравките е структурирана много просто и правилно. Една семейна колония от мравки живее в един мравуняк. Това е вид общество, в което всеки има своя собствена роля. Кралицата е лидер на тази общност. Единствената му функция е да ражда потомство. И мравките работници се грижат за тази „майка на много деца“ и нейните деца. Те са безполови, основната им функция е да търсят храна. В търсене на храна те могат да преодолеят всички възможни препятствия (с изключение на инсектицидите) и да отидат доста далеч от своя мравуняк или гнездо. Има и мравки - войници. Те изпълняват съответната функция - пазят и пазят своя мравуняк. Просто е!

Информация от живота на листните въшки

В допълнение към способността да увреждат растенията чисто механично, листните въшки могат да се прехвърлят върху растенията различни заболявания- вирусни и гъбични, например - сажди гъбички. При това заболяване листата се покриват с неприятна лепкава течност, нарушавайки всички жизненоважни физиологични прояви в тъканите на засегнатото растение.

Същността на симбиозата между листни въшки и мравки

Връзката между мравките и листните въшки е много подобна на връзката между хората и продуктивните селскостопански животни. Мравките се „грижат“ за листните въшки, а в замяна получават сладка медена роса, която просто обожават.

Гледайки отвън струпването на куп листни въшки на едно място, заобиколени от мравки, наистина изниква асоциацията с паша на стадо крави. Но това не е съвсем вярно. Всъщност листните въшки, подобно на стадни животни, винаги се хранят в компанията на своите „роднини“ и където има повече от достатъчно храна, много приличен брой от тези „сладки производители“ могат да „пируват“. Мравките винаги идват при такива „стада“, за да пируват с медена роса. Следователно изглежда, че мравките пасат листни въшки.

Понякога се случва мравка да не е против да хапне не само медена роса, но и самите листни въшки. Проявите на такава симбиоза се изразяват:

В истинско „попечителство“ на листни въшки от мравки. Това са огради, изградени около листни въшки от малки частици растения, държани заедно с пясък, много напомнящи на корали за крави. Въпреки че истинската причина за такава загриженост сред мравките се крие в баналното чувство за собственост на листните въшки, като всяка друга храна.
"Паша" на листни въшки от мравки. Всъщност действията на мравките, които приличат на „паша“, са нормална комуникация. Мравките „говорят“ със себеподобните си чрез своите антени и обмена на течности.
Прехвърлянето на листни въшки на определено място, където по-късно ще се проведе „паша“, е мярка за безопасност. Мравките правят същото с оплодените си яйца и вече излюпените ларви.
Избрани видовемравките се научиха да съхраняват медена роса за бъдеща употреба. Не само тя обаче. Начинът на съхранение на медена роса е много оригинален - вътре в себе си. В резултат на многогодишни усилия, такива резервоарни мравки са развили силно гуша, като мускулите на спортист - културист. Всяка мравка има гуша като анатомична част от тялото, но тя се развива само при тези, които задържат запас от течност. Коремът на такава мравка се издува толкова много, че всяко движение става почти невъзможно. В резултат на това животът на такъв жив „резервоар“ протича чисто вътре в мравуняка и е предназначен изключително за благото на всички останали членове на колонията. Това е такава жертва.
Тъй като мравките обичат да ядат медена роса, те са се научили да „доят“ листни въшки по всяко удобно време. За целта трябва само да „погъделичкате“ листните въшки!
От такава симбиоза листната въшка получава надеждна защита и грижа, в която природата я е нарушила. Мравките надеждно защитават зарядите си от посегателствата на различни калинки, дантела, акари, птици и други ентомофаги, които искат да се насладят на листни въшки. Понякога дори трябва да се „биете“ с „чужди“ нашественици мравки.

Когато атакуват повереното „стадо“, мравките дори помагат на листните въшки да отстранят хоботчето си от растенията, да ги изгонят на безопасно място и понякога да ги носят в челюстите си. Благодарната листна въшка, за да не пречи на движението на спасителя в такъв решаващ момент, прибира лапите си и не мърда.

Така работят мравките през цялото лято, пренасяйки своите „бабушки“ от растение на растение, от лист на лист. През есента те поставят листни въшки в мравуняците си, за да прекарат зимата в комфорт и да не замръзнат. Дори яйцата на листни въшки в мравките се подлагат на внимателна и внимателна грижа.
Но мравките регулират и броя на листните въшки. Ако популацията е твърде голяма, мравките унищожават част от тях.
Понякога, когато се преместват в ново местообитание, мравките вземат своите листни въшки със себе си.

Ето едно прекрасно видео, в което можете да видите как мравка „моли“ за сладка медена роса от листна въшка (ако езикът не е ясен, можете да изключите звука):

Въз основа на всичко, което беше написано по-рано, става очевидно, че когато се защитавате срещу листни въшки, няма нужда да бързате към мравките. И не забравяйте, че листните въшки са източникът на сладка медена роса, която привлича повече от мравки. Ако не присъства във вашата градинска земя, тогава рискът от други насекоми, които ловуват сладко, ще бъде много по-малък. За днес това е всичко, което градинарите трябва да знаят за симбиозата между листни въшки и мравки.

Прекрасна симбиоза

Природата около нас понякога демонстрира такива необичайни формисътрудничество между животни и растения, че дори биолозите вдигат ръце от изненада. Една от най-изненадващите прояви на симбиозата е връзката между различните видове тропически мравки и растенията, върху които живеят. За съжаление тук, в умерените ширини, няма да намерите примери за такова съобщество, но в тропиците така наречените мирмекофилни растения са многобройни и разнообразни. Те могат да се отнасят за различни систематични групи, но по екологични съображения често се обединяват под общото наименование „мравешки дървета”. Тези растения буквално осигуряват на обитателите си маса и дом. А мравките от своя страна не само събират различни насекоми вредители от тях, но и ги защитават по-надеждно от тревопасни бозайници, отколкото най-острите и многобройни тръни.

Най-простият пример за такова сътрудничество е връзката между някои южноамериканци мравки и растения от разред бромелиеви(Bromeliales). В заливните гори на Амазонка и нейните притоци нивото на наводненията често се повишава с няколко метра, така че мравките просто не могат да живеят на земята и трябва да си създадат убежища на „горните етажи“ на тропическата гора. Докато няма наводнение, мравките усърдно влачат парчета пръст върху стволовете, които залепват със специални секрети, създавайки солидна основа за гнездото. Заедно с почвата мравките отглеждат семена от различни растения, включително бромелии, които намират благоприятни условия в изграденото от тях висящо гнездо и бързо покълват. Интересно е, че корените им не ги унищожават, а напротив, държат гнездото заедно. Освен това корените на бромелиите покриват ствола на дървото гостоприемник със здрав пръстен, създавайки допълнителна рамка за къщата на мравките. Трябва да се отбележи, че такава симбиоза не е привилегия на бромелиите - други тропически епифити, които често се наричат „ мравки епифити" Получените структури в резултат на техния растеж са красиво наречени „висящи градини на мравки“.

"Градина на мравки" в тропическите влажни зони на басейна на Амазонка

Втората версия на симбиозата между растения и мравки може да се намери и по бреговете на Амазонка, където растат множество дървета от семейство Melastomataceae. На горната повърхност на листата на много видове от тези дървета, върху техните листни дръжки или върху стъблото под петурата, можете да видите големи отоци - двойни мехурчета, разделени с надлъжна преграда, отварящи се навън с малки дупки. В тези кухи отоци, наречени формикария (от латинската дума Formica - мравка), се заселват малки, но много болезнено хапещи мравки, които в знак на благодарност за предоставения дом защитават растението от различни вредители и най-важното от листореза. мравки, които са способни на "селскостопански" нужди в кратък период от време, за да лишат напълно листата голямо дърво. МестнитеТе също така избягват да докосват растения, които носят „торбички за мравки“, тъй като веднага щом ги разклатите леко, възмутените насекоми излизат от убежищата си и нападат нарушителите.

„Мравешки торбички“ по листата се срещат не само в представители на семейство Melastoma, но и в растения от други групи. Например някои лози от семейство лястовици (Aslepiadaceae) правят отлични къщи от листа. Някои от тях имат заоблени листа, разположени в два реда по стеблото, извити и плътно притиснати към кората на дървото гостоприемник. В пазвите на такива листа се развиват корени, които не само държат здраво листа на място, но и абсорбират влага и хранителни вещества, давайки живот на цялата лоза. Под такива джобни листа се създават отлични условия за живот на мравките, които щастливо се заселват там.

Още по-забавни убежища предоставя на мравките друга лоза от семейството на лястовиците - Рафлезиана (Dischidia rafflesiana), която расте в Югоизточна Азия. Тази лоза обикновено носи два вида листа: месести, закръглени и модифицирани в своеобразни торбички или кани, образувани от листни остриета, сгънати от долната страна и слети по ръба. В обърнатата нагоре основа на такъв лист има доста широк отвор, ограден с гребен, в който влиза силно разклонен въздушен корен. Този корен абсорбира водата, която навлиза в каната, и също така служи като отлична стълба за мравките, които често се настаняват в тези забавни естествени палатки.

Задача 1. Запишете необходимите номера на функциите.

Знаци:

1. Състоят се от сложни органични и неорганични вещества.

2. Поглъщат слънчева енергия и образуват органични вещества.

3. Хранят се с готови органични вещества.

4. Повечето представители се размножават само по полов път.

5. Метаболизмът и енергията се случват в тялото.

6. Основните елементи на клетките са: клетъчна стена, хлоропласти, вакуоли.

7. По-голямата част от представителите се движат активно.

8. Растете през целия живот.

9. Постоянно се адаптирайте към условията на околната среда.

Признаци на всички организми: 5, 9.

Характеристики на растенията: 2, 6, 8.

Признаци на животните: 3, 4, 7.

Задача 2. Попълнете таблицата.

Задача 3. Отбележете верния отговор.

1. Съществува симбиоза:

а) между мравка и листна въшка.

2. Наемът съществува:

б) между лепкавата риба и тялото на акулата.

3. Ако броят на плячката се увеличи, тогава броят на хищниците:

в) първо нараства и след това намалява заедно с броя на жертвите.

4. Най-голямо числоИма:

а) в клас насекоми.

5. Животните се различават от растенията:

в) начин на хранене.

6. От изброените животни следните живеят в две среди:

б) полска мишка;

в) калинка.

7. Разрушители на органични вещества са:

б) плесени.

8. Повечето ефективен начинопазването на дивата природа е:

в) приемане и задължително спазване на действащите закони за опазване на дивата природа.

9. Основното значение на производителите в природата е, че те:

б) образуват органични вещества от неорганични и отделят кислород.

10. Белият заек и кафявият заек се класифицират като различни видове, защото те:

б) имат значителни разлики във външния вид.

11. Свързани родове животни се комбинират:

б) в семействата.

12. Всички живи организми се характеризират със следните характеристики:

б) дишане, хранене, растеж, размножаване.

13. Знакът, на който се основава твърдението за връзката на животните и растенията:

б) ядат, дишат, растат, размножават се, имат клетъчна структура.

б) използват други животни като местообитание и източник на храна.

Задача 4. Попълнете пропуските в текста.

Между организмите в една биологична общност се установяват хранителни и трофичникомуникации. отново хранителната веригаса автотрофни организми. Те използват слънчева енергия, за да образуват органична материя въглероден двуокиси вода. Производителите се хранят с тревопасни животни, които от своя страна се изяждат от хищни животни. Животните се наричат хетеротрофни организми. Организмите разрушители (бактерии, бактерии и др.) разграждат органичните вещества до неорганични, които отново се използват от производителите. Основният източник на енергия за циркулацията на веществата е слънце, въздух и вода.

Задача 5. Запишете необходимите номера на имената на организмите от списъка.

Имена на организми:

1. Земен червей.

2. Бял заек.

5. Жито.

6. Бяла детелина.

7. Гълъб.

8. Бактерии.

9. Хламидомонада.

Производители на органични вещества: 5, 6, 9.

Органични потребители: 2, 4, 7, 10.

Органични разрушители: 1, 3, 8.

Ботаници от Мюнхенския университет изследваха еволюцията на симбиозата между мравки и мирмекофилни растения от групата Hydnophytae, които образуват специални тъканни израстъци - доматии, в които се заселват тези насекоми, като в замяна осигуряват хранителни вещества на гостоприемниците. Това взаимноизгодно сътрудничество изглежда първоначално за тази група растения, но е било загубено няколко пъти по време на еволюцията. Резултатите от проучването потвърдиха няколко съществуващи теоретични прогнози. Първо, връщането към несимбиотичен живот се случва само при неспециализирани растения, които не са развили строга връзка с определен вид мравка. На второ място, загубата на симбиоза се случва при условия на ниско изобилие от мравки партньори, а не поради загуба на нужда от нея. Трето, след загубата на връзка с мравките, морфологичната еволюция на доматиите се ускорява, освободена от действието на стабилизиращата селекция, която ги запазва в симбиотични видове.

Взаимноизгодното сътрудничество - мутуализъм - сега често се разглежда от специалистите по коеволюция като един от основните механизми за увеличаване на сложността и поддържане на стабилността на екосистемите. Тук е уместно да се припомни симбиозата на висшите растения с гъби (микориза) и азотфиксиращи бактерии, които до голяма степен определят самата възможност за успешно заселване на земята, както и огромния брой животни, които усвояват храната с участието на протозои и бактерии . Въпреки че не е толкова близък (сега наричан симбиотичен), както в примерите по-горе, взаимността между растенията и опрашителите, както и между растенията и животните, разпространяващи семена, също е доста важна за функционирането на екосистемите. В крайна сметка митохондриите и хлоропластите, необходими за развитието на сложни многоклетъчни организми, са потомци на бактерии, които окончателно са загубили способността си да живеят свободно и са се превърнали в органели.

И накрая, авторите показаха, че средната скорост на морфологична еволюция на отворите на Domatacian се увеличава, когато човек се придвижи в планините - за да направят това, те разработиха метод, който комбинира данни за филогенеза и разпространение на видовете, което им позволи да получат „карта на морфологичната еволюция ” (фиг. 4).

$моб_инфо$