Согласно научным данным, на Земле живут 20 квадриллионов муравьев, что составляет примерно 2,5 миллиона муравьев на каждого человека. Ученые давно спорят, почему эти насекомые стали одними из самых многочисленных существ по числу особей. Авторы нового исследования, похоже, нашли ключ к разгадке.
Муравьи (Formicidae) играют важную роль в наземных экосистемах. Они способствуют аэрации почвы, насыщают ее кислородом и улучшают структуру. Кроме того, участвуют в переработке органических веществ и ускорении разложения, помогают в распространении семян растений.
По состоянию на 2025 год описано 15,7 тысячи видов муравьев, что делает их одними из самых многочисленных животных на планете. На самом деле, это число может быть гораздо выше, поскольку многие виды остаются неизвестными науке.
Ученые давно пытаются понять, за счет чего муравьи добились такого доминирования. Размер тела у них небольшой, силы — ограниченные, продолжительность жизни — короткая. При этом муравьиные колонии часто насчитывают тысячи и даже миллионы особей и действуют как единый организм. Может быть, именно такой социальный образ жизни стал одним из важнейших факторов, обеспечивших широкое распространение муравьев?
Каждый муравей в системе — отдельный «продукт», на выращивание которого колония тратит ресурсы. Как и в любой производственной цепочке, здесь возникает классический экономический вопрос: что выгоднее — вложиться в небольшое количество крепких и надежных «единиц» или же сделать ставку на массовое производство более слабых и дешевых?
Для муравья главная «броня» и каркас — его внешний скелет, кутикула. Это многослойная структура из хитина и белков, которая защищает от механических повреждений, потери влаги и инфекций. Но такая броня обходится дорого. Хитин — это азотсодержащий полисахарид. Таким образом, азот — обязательный элемент для синтеза кутикулы. Проблема в том, что азот часто ограничен в окружающей среде в доступной для живых организмов форме, то есть для муравьев он всегда на вес золота.
Если у вида муравьев генетически заложена толстая и прочная кутикула, на формирование каждого рабочего или солдата уходит больше ресурсов. Личинки в таких колониях с самого начала развиваются так, что их внешний скелет требует больших затрат азота. В результате колония физически не может вырастить много рабочих — ресурсов просто не хватает. У видов с более тонкой кутикулой все устроено иначе. Их личинки формируют менее массивную оболочку, каждая особь обходится дешевле, и колония способна прокормить и вырастить гораздо больше особей.
В 2017 году команда мирмекологов под руководством Кристиана Питтерса (Christian Peeters) из Парижского университета изучила толщину кутикулы у 42 видов муравьев. Ученые обнаружили, что у одних видов «броня» была толщиной менее одного микрона — как толщина многих бактерий; у других — почти в 100 раз толще, достигая толщины человеческого волоса.
Питтерс и его коллеги выдвинули смелую гипотезу: возможно, для некоторых видов эволюция «сэкономила» на индивидуальной защите особей, чтобы иметь возможность производить их в гораздо больших количествах. Это и могло стать эволюционным путем к созданию гигантских суперколоний. Однако проверить идею на больших данных тогда не удалось — руководитель исследования умер, вследствие чего проект приостановили.
Международная группа исследователей, возглавляемая Артуром Матте (Arthur Matte) из Кембриджского университета в Великобритании, продолжила дело коллег и выяснила, что они были правы. Ученые не просто подтвердили гипотезу Питтерса, а поняли, как экономическая стратегия муравьев повлияла на всю их эволюционную историю.
Матте вместе с командой разработали специальные компьютерные алгоритмы на основе компьютерного зрения. Эти программы научились автоматически анализировать трехмерные микротомографические снимки муравьев и с высочайшей точностью измерять толщину их кутикулы. В качестве материала исследователи использовали оцифрованную коллекцию Antscan — обширную базу данных, созданную предыдущей командой.
В итоге ученые получили точные данные по 880 образцам, принадлежащим 507 видам муравьев. Это беспрецедентный по объему массив данных.
Анализ данных показал четкую и однозначную корреляцию. Виды муравьев, которые образуют самые крупные колонии, имеют в среднем гораздо более тонкую кутикулу. При этом дело не в том, что сами муравьи становятся меньше. Рабочие особи могут оставаться крупными, но их «броня» оказывается тоньше и легче.
По словам Матте, в процессе эволюции такие виды сделали выбор между качеством и количеством. На «броню» каждой отдельной особи уходит меньше ресурсов, вместо этого формируется огромная армия исполнителей. Когда рабочих много, между ними распределяются все задачи, и колония в целом начинает работать как более сложный и эффективный единый организм.
Исследователи также проверили, как на толщину кутикулы влияют другие факторы. Оказалось, что климат и диета также влияют на толщину кутикулы, но этот эффект менее выражен, он скорее играет второстепенную роль.
В жарком климате кутикула в среднем оказалось толще — вероятно, для лучшей защиты от испарения влаги. У хищных видов или тех, кто выращивает грибы в своих муравейниках, например муравьи-листорезы (Atta, Acromyrmex), панцирь также прочнее. У видов, питающихся преимущественно сладкими выделениями тлей, кутикула тоньше. Однако ключевое открытие в том, что связь «большая колония — тонкая кутикула» работает независимо от диеты.
Но самое интригующее открытие ждало ученых впереди. Они сопоставили данные о кутикуле с эволюционным древом муравьев и скоростью видообразования. Оказалось, группы с более тонкой кутикулой не просто образуют большие колонии — они эволюционируют и дают начало новым видам гораздо быстрее.
Ни размер колонии, ни размер тела особей сами по себе не показали такой сильной связи с ускоренным видообразованием. Получается, стратегия «дешево и много» стала не просто социальным преимуществом, а мощнейшим эволюционным двигателем. Она позволила муравьям быстро занимать новые экологические ниши и адаптироваться к разным условиям, что в итоге привело к их сегодняшнему численному господству на Земле.
Таким образом, секрет муравьиного успеха кроется в гениальной простоте эволюционной стратегии. Чтобы завоевать мир, им не понадобилось отращивать когти или вырабатывать яды. Вместо этого они, образно говоря, «похудели» — сократили инвестиции в индивидуальную броню каждой особи. Экономия драгоценного азота позволила направить ресурсы на самое главное — количество. Многочисленные, но более «дешевые» в производстве особи могли строить сложнейшие колонии, эффективно осваивать ресурсы и, что критически важно, быстрее эволюционировать.
Результаты исследования представлены в журнале Science Advances.
Автор: Игорь Байдов