У муравьев-листорезов Acromyrmex echinatior обнаружили броню

Схватка муравьев-листорезов: солдат Atta cephalotes (справа) против бронированного рабочего Acromyrmex echinatior (слева).

Caitlin M. Carlson

У рабочих особей муравьев-листорезов Acromyrmex echinatior обнаружили минеральную броню. Их кутикула покрыта слоем обогащенного магнием кальцита, который вдвое повышает ее прочность. Судя по всему, эта адаптация защищает рабочих A. echinatior от солдат других видов листорезов, а также грибковых инфекций. Как отмечается в статье для журнала Nature Communications, ранее считалось, что экзоскелет насекомых не минерализуется.

Многие морские беспозвоночные, включая моллюсков, иглокожих и кораллы, строят раковины и экзоскелеты из различных модификаций карбоната кальция. Включение дополнительных веществ может сделать отдельные скелетные элементы еще более твердыми. Так, в зубах морских ежей Strongylocentrotus fragilis расположены структуры из пропитанного магнием кальцита, позволяющие им разгрызать известняк. 

Хотя включение магния в состав экзоскелета позволяет значительно повысить его прочность, это решение по какой-то причине встречается в природе очень редко. Не менее странным кажется тот факт, что представители самой разнообразной группы беспозвоночных, насекомые, не используют при построении скелетов карбонат кальция — в отличие от ракообразных, от которых они, согласно современным представлениям, произошли.

Команда исследователей во главе с Кэмероном Карри (Cameron R. Currie) из Висконскинского университета в Мадисоне решила больше узнать о строении экзоскелетов насекомых. Объектом их внимания стали муравьи-листорезы Acromyrmex echinatior, обитающие на территории от Мексики до Панамы. Как и некоторые другие виды листорезов, они практикуют сельское хозяйство — выращивают грибы из семейства Agaricaceae. 

Авторы обратили внимание, что темно-коричневая кутикула крупных рабочих A. echinatior покрыта беловатым зернистым налетом. Изучив эти структуры с помощью электронной микроскопии и ряда других методик, исследователи пришли к выводу, что они представляют собой слой обогащенного магнием кальцита на поверхности экзоскелета муравьев. Этот слой состоит из идиоморфных ромбоэдрических кристаллов длиной от трех до пяти микрометров.

Чтобы изучить, как именно формируется минеральный слой на кутикуле A. echinatior, Карри с коллегами поместили ее фрагменты в раствор, насыщенный ионами магния и кальция. В результате на их поверхности появился слой кристаллов — кальцит с высоким содержанием магния. Когда в аналогичные условия поместили кутикулу другого вида муравьев-листорезов, Atta cephalotes, на ее волосках сформировались кристаллы другой модификации карбоната кальция — арагонита, однако минеральный слой на поверхности не появился.

Дополнительные эксперименты подтвердили, что формирование кальцитового слоя управляется белками верхнего слоя кутикулы, а не происходит за счет случайного осаждения. Интересно, что этот процесс наблюдали на кутикуле зрелых рабочих особей, но не у личинок. Выращивая крупных рабочих A. echinatior в контролируемых условиях, исследователи выяснили, что в первые шесть дней после выхода из куколки минерального слоя на поверхности их тела еще нет: он формируется только на восьмой день.

Средняя твердость хитиновой кутикулы обычного муравья (не обогащенная минералами) составляет 0,73 гигапаскаля. У крупных рабочих A. echinatior этот показатель составляет 1,55 гигапаскаля. Учитывая, что толщина кальцитового слоя достигает 2,3 микрометра (при средней толщине кутикулы 33,5 микрометра), данному виду удалось вдвое поднять твердость экзоскелета за счет увеличения его толщины всего на семь процентов. 

Вероятно, минеральная броня обеспечивает крупным рабочим особям A. echinatior защиту от солдат других видов муравьев, которые совершают набеги на их колонии. В экспериментах муравьи с кальцитовым слоем на кутикуле значительно эффективнее противостояли более крупным солдатам A. cephalotes, чем их сородичи без брони. Учитывая, что крупные рабочие A. echinatior часто покидают гнездо для сбора листьев (мелкие рабочие обычно трудятся внутри), наличие брони кажется для них очень полезным.

Впрочем, кальцитовый экзоскелет может служить и для защиты от инфекций. Исследователи обнаружили, что рабочие особи с минеральным слоем на кутикуле значительно более устойчивы к грибку Metarhizium anisopliae по сравнению с сородичами, которые его лишены. 

Авторы отмечают, что муравьи-листорезы относятся к числу наиболее изученных тропических насекомых. Тот факт, что обнаружить кальцитовую броню у них удалось только сейчас, свидетельствует, что аналогичная адаптация может быть распространена среди насекомых намного шире, чем считалось раньше.