Какие взаимоотношения существуют между муравьями и высшими растениями кратко
Обновлено: 03.07.2024
Симбиоз (сожительство) – это тесная взаимосвязь между представителями разных видов, из которых по крайней мере один обойтись без нее не может. Различают три типа симбиоза. Паразитизм выгоден одному из партнеров (паразиту) и вреден другому (хозяину). Комменсализм полезен одному симбионту, но не отражается на другом. Мутуализм – это взаимовыгодное сосуществование. Все три типа взаимоотношений известны среди как животных, так и растений, хотя между разными видами муравьев мутуализма не отмечено.
Паразитизм. Один из примеров паразитизма у муравьев – заражение некоторых их видов грибами рода Cordyceps. По крайней мере некоторые таксоны Cordyceps продуцируют антибиотик кордицепин, который предохраняет источник их питания (труп муравья-хозяина) от бактерий и других грибов, пока этот Cordyceps не завершит свой жизненный цикл.
Самое крупное и неоднородное семейство мирмекофильных жуков – стафилины, коротконадкрылые, или жуки-хищники (Staphylinidae): 19 их родов сожительствует с бродячими муравьями, 17 – с видами Solenopsis и 15 – с представителями подсемейства Formicinae. Стафилины выпрашивают у хозяев корм, прикасаясь к их нижней губе, а в случае нападения защищаются, секретируя репелленты. Стафилины, сожительствующие с бродячими муравьями, очень похожи на хозяев формой и окраской тела. Это – пример бейтсовской мимикрии, т.е. подражания опасному виду. В данном случае она призвана вводить в заблуждение не муравьев-хозяев, а многочисленных хищников, которые, надеясь помародерствовать, сопровождают этих прожорливых насекомых в их походах.
Мутуализм. В мутуалистических симбиозах муравьев с растениями последние обеспечивают партнеров специализированными камерами, в которых они устраивают гнезда, и кормом. Со своей стороны муравьи защищают эти растения от фитофагов, распространяют их семена и обогащают окружающую почву. Наиболее известны два примера такого мутуализма.
Трудно найти более организованных созданий на Земле, чем муравьи. Их способность изменять среду обитания под собственные нужды, напоминает человеческую. Муравьями занимается отдельная наука – мирмекология. [1] Согласитесь, в биологии не так уж много дисциплин, посвященных одному семейству.
Симбиоз с растениями
Растения предоставляют муравьям питание и место для жилья. Взамен умные насекомые убирают вредителей и защищают от фитофагов (растительноядных животных). Растения, находящиеся с муравьями во взаимовыгодных отношениях называются мирмекофиты. [2] Известно более 3 тысяч видов подобных растений.
Сады дьявола
В джунглях Амазонки, существуют территории, занятые только одним видом растений рода Дуройя, принадлежащим семейству Мареновых – Duroia hirsuta. Индейцы кечуа называют такие заросли садами дьявола и считают их местом обитания злобного духа леса Чулячаки.
Ученые долгое время считали, что доминирование Duroia hirsuta связано с ее способностью тормозить развитие других растений за счет выделения химических веществ (аллелопатия). Оказалось, что все дело в муравьях. [3]
Лимонные муравьи, названные так за способность распространять соответствующий запах в случае опасности, живут в полых стеблях растения. Myrmelachista schumann питаются сладкими выделениями щитовок (тли, червецов), защищают деревья от нашествий гусениц и прочих вредителей, отгоняют травоядных млекопитающих и… уничтожают все другие растения, впрыскивая в них содержание ядовитых желез.
Известны сады дьявола из кордии (Cordia nodosa), гвианской тококи (Tococa guianensis) и клидемии (Clidemia heterophylla). Самая крупная колония возрастом в 800 лет состоит из трехсот деревьев и обслуживается тремя миллионами муравьев. [4]
Висячие муравьиные сады
Муравьиные сумки
На листьях деревьев рода меластомовых можно увидеть небольшие полые вздутия с отверстиями (формикарии), куда с удовольствием поселяются мелкие, но больно кусающиеся муравьи. Они охраняют растение от вредителей и муравьев-листорезов, нашествие которых за несколько часов способно полностью лишить дерево листвы. Люди также избегают трогать эти деревья. Квартиранты весьма болезненно наказывают нарушителей спокойствия.
Листья ластовневой лианы Aslepiadaceae прирастают к коре дерева-хозяина, высасывая из него влагу и питательные вещества. Под этими листьями обожают селиться муравьи, которые ревностно защищают и лиану, и дерево, к которому она прикрепилась, от агрессивных поползновений насекомых, животных и людей.
Лиана дисхидия Раффлеза, принадлежащая к тому же семейству, образует 2 типа листьев. Один по строению напоминает сумку, в которой со всем комфортом устраиваются муравьи, взамен охраняя растение от всяческих недоброжелателей. [6]
Акации
Симбиоз с акациями известен давно. Дерево предоставляет свои шипы для постройки гнезд, для пропитания служат нектарники и белок на поверхностях листьев. Муравьи же защищают кров и стол, отгоняя всех непрошеных гостей.
При исследовании этого явления обнаружены некоторые нюансы. Группа ученых под руководством Найджела Рейна обнаружила, что акация способна выделать вещества, по своему составу, напоминающие феромоны муравьев, выделяемые в случае опасности. Если растение нуждается в защите, подобные запахи заставляют муравьев проявлять повышенную агрессию.
Кроме того акация защищает свои цветы в период опыления. Часть нектара сбрасывается на стебли, чтобы насекомые могли наесться, не достигнув цветка. Сами цветы издают удерживающий муравьев аромат, пока не будут опылены. [7]
Возможно, что и другие мермикофиты используют подобные механизмы для объяснений с муравьями. Просто ученые еще о них не знают.
Если вам понравилось, прочитайте и другие наши статьи о симбиозе различных организмов:
Рис. 1. Примеры гиднофитовых, использующих разные экологические стратегии. B — Squamellaria wilkinsonii, неспециализированный мирмекофит с о. Фиджи. C — Myrmecodia alata, специализированный мирмекофит с индонезийской части Новой Гвинеи. D — Hydnophytum myrtifolium, вид из горных районов Папуа-Новой Гвинеи, не связанный с муравьями, но накапливающий в домациях дождевую воду, в которой размножаются лягушки Cophixalus riparius. На изображениях D–I показано разнообразие входных отверстий в домациях гиднофитовых. E, F — Squamellaria wilsonii с крошечными отверстиями, подходящими по размеру под муравья-партнера Philidris nagasau (о. Фиджи). F — такое отверстие крупным планом. G — Myrmecodia tuberosa, специализированный мирмекофит, Папуа-Новая Гвинея. H — неописанный вид рода Hydnophytum, Папуа-Новая Гвинея. I — яйца эндемичного для острова Эспириту-Санту (Вануату) геккона Lepidodactylus buleli внутри домация Squamellaria vanuatuensis. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS
Ботаники из Мюнхенского университета изучили эволюцию симбиоза между муравьями и мирмекофильными растениями из группы Гиднофитовых, образующих специальные разрастания тканей — домации, в которых селятся эти насекомые, предоставляя взамен хозяевам питательные вещества. Это взаимовыгодное сотрудничество, как оказалось, является исходным для этой группы растений, но в ходе эволюции несколько раз утрачивалось. Результаты исследования подтвердили несколько существовавших теоретических предсказаний. Во-первых, возврат к несимбиотической жизни происходит только у неспециализированных растений, не развивших строгой связи с конкретным видом муравьев. Во-вторых, утрата симбиоза происходит в условиях низкого обилия партнеров-муравьев, а не за счет утраты потребности в нем. В-третьих, после утраты связи с муравьями ускоряется морфологическая эволюция домациев, освобожденных от действия стабилизирующего отбора, сохраняющего их у симбиотических видов.
Взаимовыгодное сотрудничество — мутуализм — сейчас часто рассматривается специалистами по коэволюции как один из основных механизмов усложнения и поддержания устойчивости экосистем. Здесь уместно вспомнить симбиоз высших растений с грибами (микориза) и азотфиксирующими бактериями, во многом определивший саму возможность успешного заселения суши, и огромное количество животных, переваривающих пищу с участием простейших и бактерий. Не такой тесный (его сейчас называют симбиотическим), как в приведенных выше примерах, мутуализм растений и опылителей, а также растений и распространяющих семена животных также весьма важен для функционирования экосистем. В конце концов, митохондрии и хлоропласты, необходимые для развития сложных многоклеточных организмов, суть потомки бактерий, окончательно утратившие способность к свободной жизни и ставшие органеллами.
Но мутуализм может не только возникать, но и утрачиваться. Если два вида жизненно необходимы друг для друга, то вымирание одного из партнеров обязательно приводит к вымиранию другого. Если же мутуализм не настолько специализированный, то один из партнеров может пережить вымирание другого. Однако такое взаимодействие, согласно теоретическим исследованиям, может тоже оказаться неустойчивым, исчезнув либо из-за редкости одного из партнеров, либо из-за перехода одного из них к паразитизму (мутуализм держится на соотношении затрат и преимуществ каждого из партнеров, а отбор часто может способствовать сокращению затрат при сохранении преимуществ, что может привести к тому, что один партнер начнет эксплуатировать другого, не давая ничего взамен), либо если один из партнеров перестает нуждаться в другом, попав в новую среду (например, клубеньковые бактерии оказываются ненужными на богатых азотом почвах). Однако эти результаты теоретической коэволюционной биологии имеют мало эмпирической поддержки — во многом по причине того, что известно довольно мало подходящих систем партнерств, многократно терявших и приобретавших мутуализм.
Авторы задались тремя вопросами:
1) Ассоциирована ли утрата мутуализма с тем или иным предковым состоянием (специализированным или генерализованным)?
2) Ассоциирована ли утрата мутуализма с теми или иными экологическими условиями (например, редкостью муравьев или доступностью питательных веществ)?
3) Влияет ли утрата мутуализма на темпы эволюции входа в домации (пока растение взаимодействует с муравьями, на этот признак должен действовать стабилизирующий отбор, сокращающий изменчивость, после же утраты он должен исчезнуть).
Рис. 2. Филогенетическое древо гиднофитовых с указанием на развитие мутуализма у современных видов и реконструированные состояния для предковых групп, построенное на основе анализа шести генов у 75% современных видов. Красным цветом показаны виды с неспециализированным симбиозом, зеленым — со специализированным симбиозом, синим — отсутствие симбиоза с муравьями при наличии домациев. Черным выделены растения, не имеющие домациев, необходимые для построения древа (т. н. внешняя группа, или аут-группа, см. Outgroup). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
Авторы составили филогенетическое древо на основании шести пластидных и ядерных генов (рис. 2), отсеквенированных у 75% из 105 видов подтрибы, и с помощью двух статистических методов (оценки максимального правдоподобия, см. Maximum likelihood и байесовского анализа, см. Bayesian inference) выявили, что, в отличие от их ожиданий, исходным состоянием для этой группы растений оказался неспециализированный симбиоз, впоследствии утраченный около 12 раз (это дерево является только приближенной реконструкцией реально эволюционной истории, поэтому полученное значение может быть неточным). Чтобы дополнительно подтвердить исходное наличие симбиоза, авторы провели филогенетический анализ, в котором искусственно задали отсутствие симбиоза у общего предка всех гиднофитовых — и эта модель существенно хуже строила дерево.
Одиннадцать из двенадцати случаев исчезновения симбиоза произошли в неспециализированных линиях. Единственное исключение — род Anthorrhiza, у которого предковое состояние не удалось установить с уверенностью.
17 из 23 видов, не вступающих в симбиоз с муравьями, живут в горах Новой Гвинеи на высоте более 1,5 км. Известно, что с подъемом в горы снижается разнообразие и обилие муравьев — этот тренд наблюдается и на этом острове. При этом у трех из этих видов в домациях скапливается дождевая вода и живут лягушки (рис. 1, D), шесть видов могут получать питательные вещества из почвы, но это верно и для двух видов, сохраняющих специализированную связь с муравьями. Все эти факты говорят в пользу гипотезы о том, что причиной утраты мутуализма оказывается не потеря необходимости в нем, а нехватка потенциальных партнеров. Тут находит объяснение и отсутствие случаев потери связи с муравьями у специализированных видов: лишившись партнера, они просто вымирают.
Так как специализированные мирмекофилы среди Hydnophytinae взаимодействуют с муравьями двух родов из подсемейства Dolichoderinae, встречающихся на разных высотах, в то время как генералисты — с более чем 25 неродственными видами, чье разнообразие падает с высотой, авторы предположили, что если верна гипотеза о нехватке партнеров как главной причине утраты мутуализма, то генералисты должны встречаться преимущественно на низких высотах, распространение специалистов не должно зависеть от высоты, а растения, утратившие мутуализм — в основном в горах. Несколько независимых статистических анализов подтвердили эти ожидания (рис. 3).
Рис. 3. Изменение вероятности существования растений из подтрибы Hydnophytinae в зависимости от высоты (горизонтальная ось) для разных экологических стратегий взаимодействия с муравьями: генералистов (красный), специалистов (зеленый) и немутуалистов (синий). Результат получен с помощью мультиномиальной логистической регрессии по 130 таксонам (видам и подвидам) и 1100 географическим точкам. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS
Размер входного отверстия в домации значительно варьирует у гиднофитовых: от миллиметра до более чем 5 сантиметров. Анализ распределения этих размеров между видами показал, что многие немутуалистические виды имеют крупные отверстия — через них в домации могут проникать крупные беспозвоночные (тараканы, многоножки, перипатусы, пауки, слизни и пиявки) и даже мелкие позвоночные (лягушки, гекконы и сцинки). Получившаяся оценка темпов эволюции диаметра отверстия также согласуется с гипотезой: у специалистов — 0,01 ± 0,04, у генералистов — 0,04 ± 0,02, у немутуалистов — 0,1 ± 0,02 (значения в условных единицах, см. D. L. Rabosky, 2014. Automatic Detection of Key Innovations, Rate Shifts, and Diversity-Dependence on Phylogenetic Trees).
Однако высокую скорость эволюции размера входного отверстия домация можно объяснить и тем, что в отсутствие связи с муравьями возникает отбор, благоприятствующий проникновению внутрь более крупных животных. Впрочем, пока неизвестны свидетельства того, что эти жильцы приносят растению пользу, хотя эта возможность требует дальнейшего изучения.
Разнообразие взаимовыгодного сожительства в природе вызывает восхищение. Деревья и крохотные муравьи — отличный пример такого симбиоза.
В Центральной и Южной Америке в пойменных лесах Амазонки произрастает внешне не примечательное дерево из семейства Бигнониевые — розовое дерево, или розовое лапачо. Вырастает это дерево до тридцати метров, нижняя часть ствола оголена, лишь две трети, а то и меньше, укрыто редкой кроной. Правда, в период цветения оно преображается, покрываясь крупными трубчатыми цветками — розовыми, лиловыми, белыми.
Издавна индейские знахари использовали внутреннюю часть коры для лечения многих заболеваний. Отвар коры под названием напиток лапачо до сих пор популярен в Латинской Америке как тонизирующее и укрепляющее организм средство. Одно время его считали чуть ли не панацеей от онкологических заболеваний и СПИДа.
Муравьиное дерево — розовое лапа́чо
Фото: Источник
Древесина розового дерева имеет приятный желтоватый цвет, благодаря наличию танинов, устойчива к воздействию внешней среды. Она довольно плотная и тяжёлая, поэтому в мебельной промышленности практически не используется, а для опорных элементов в строительстве древесина лапачо подходит отлично.
Вот это дерево и облюбовали местные муравьи в качестве безопасного жилья. В период разлива Амазонки шустрым насекомым приходилось бегством спасаться от воды, забираясь на стволы растущих здесь деревьев.
Со временем муравьи и деревья приспособились к совместному проживанию. Пока паводка нет, трудяги носят на стволы кусочки почвы, склеивают её липкими выделениями, сооружая таким образом гнёзда-домики. Вместе с почвой заносятся семена некоторых видов растений, которые прорастают и своими корнями укрепляют жилища.
Кроме розового дерева в Латинской Америке произрастают муравьиные деревья семейства Меластомовых. На черешках или листьях этих деревьев образуются вздутия, в которых живут мелкие, но очень агрессивные муравьи. Платой за проживание является защита деревьев от муравьёв-листорезов. Жители также остерегаются трогать такие деревья — стоит потрясти ветку, и полчища разъярённых насекомых набрасываются на нарушителей. Муравьиное поселение на тококе гвианской из семейства меластомовых
Фото: Источник
Некоторые виды латиноамериканских лиан также образуют на листьях подобные домики для муравьёв.
В дикой природе на севере Австралии и близлежащих островах сохранилось ещё одно муравьиное дерево — макаранга. Местные муравьи поселяются в его листьях, питаются сладкими выростами на дереве и выделениями тли, которая в изобилии живёт здесь.
Интересно содружество некоторых деревьев семейства Гречишных и муравьёв. Насекомые поселяются в молодом саженце дерева и по мере его роста прокладывают себе ходы по стволу. В результате муравьи свободно перемещаются внутри дерева, охраняя его при этом от вредителей. Дерево в благодарность кормит своих жильцов: на листьях и прилистниках находятся богатые питательными веществами желёзки.
Представляя взаимовыгодное сосуществование растений и муравьёв, невольно задумываешься о разумных жителях нашей планеты — наверное, следует и нам поучиться у них…
Читайте также: