Муравьи перестраивают гнёзда, чтобы сдержать эпидемию грибка

Черные садовые муравьи, столкнувшись с угрозой эпидемии, разворачивают масштабное строительство: прокладывают более длинные и запутанные туннели, разносят входы и изолируют жилые камеры. Авторы нового исследования назвали этот феномен «архитектурным иммунитетом».

Опасные заболевания легко распространяются в местах с высокой скученностью и плотностью населения. Это актуально не только для человеческих сообществ, но и для других социальных видов животных.

В прошлом люди, даже не имея полного понимания инфекционной природы болезней, модифицировали городскую планировку в ответ на вспышки чумы или холеры. Строители расширяли улицы для улучшения проветривания, считая, что это поможет от «миазмов», выносили места захоронения за городские стены и внедряли системы канализации. Как выяснилось, реконструкция поселений для противодействия болезням является эволюционно отработанным решением, которое используют даже насекомые.

Животные меняют свое поведение при столкновении с распространением заболеваний среди сородичей, например, они избегают зараженных особей и минимизируют контакты. Муравьи же при этом усиливают компартментализацию своих семейств. Что именно это означает?

Муравьиные колонии организованы в группы, выполняющие различные задачи: есть фуражиры, которые добывают пищу, солдаты, «няньки», строители и другие «специалисты». В период вспышек заболеваний эти группы становятся меньше по численности, а частота контактов между ними снижается.

Но и сам по себе муравейник является сложной конструкцией с множеством специализированных помещений, которые расположены и построены не случайно, а в соответствии с их назначением. Авторы исследования, опубликованного в журнале Science, озадачились вопросом: не меняют ли муравьи архитектуру своих построек во время эпидемий? Может быть, строительные работы замедляются из-за заболевших особей? Или изменяются размеры помещений и число проходов?

Как сообщает первоисточник, ученые собрали 20 групп обычных черных садовых муравьев (Lasius niger), каждая из которых насчитывала по 200 особей. Их обеспечили необходимым набором куколок и яиц, имитируя природные условия, и поместили в пластиковые цилиндры, заполненные смесью песка и глины. Из каждой группы предварительно изъяли по 20 особей: половину этих малых групп инфицировали суспензией спор патогенного грибка Metarhizium brunneum, а оставшуюся половину обработали чистым раствором, не содержащим грибок. Для пропитания всем семьям предоставлялись мушки-дрозофилы, тараканы и сладкий сироп.

Metarhizium brunneum — это опасный естественный патоген для муравьев. Споры этого грибка передаются при физическом контакте между особями, прорастают внутрь тела и убивают хозяина в течение трех-семи дней. За 10 дней погибают до девяти из каждых десяти зараженных муравьев. Крупным группам была предоставлена возможность свободно рыть гнезда, а через сутки им вернули изъятых сородичей: половине семей подселили зараженных грибком особей, а остальным — муравьев, обработанных контрольным раствором.

Наблюдение за процессом строительства гнезд осуществлялось с использованием микро-КТ, то есть трехмерного рентгеновского сканирования. Сканирование каждой группы проводилось дважды: сначала до подселения инфицированных и контрольных муравьев, и второй раз — спустя шесть дней, в конце эксперимента. Такой временной интервал был выбран потому, что в предшествующих исследованиях, например, изучавших влияние колебаний температур, именно за этот срок были замечены изменения в архитектуре муравейников. Кроме того, за шесть дней смертность рабочих особей от грибка не достигала уровня, который мог бы существенно повлиять на строительные работы.

По мере того, как гнезда углублялись и расширялись, муравьи все реже выходили на поверхность, что логично: с увеличением объема работ под землей общая активность снижается, и на поверхности появляются лишь отдельные особи и строго по необходимости. Например, для доставки мух и тараканов.

Однако зараженные муравьи выбирались на поверхность чаще, чем другие особи, несмотря на то, что грибок M. brunneum не повышает подвижность своих жертв. Ученые интерпретировали это как изоляцию или самоизоляцию больных муравьев, которые теперь проводили больше времени снаружи и, следовательно, меньше способствовали распространению инфекции среди основной массы колонии.

Изменилась не только частота появления больных особей на поверхности. Зараженные колонии также быстрее расширяли свои гнезда, причем это происходило за счет рытья новых туннелей. Объем камер при этом не изменился, и количество выходов не увеличилось. Более того, в инфицированных гнездах выходы располагались на большем расстоянии друг от друга — примерно на шесть миллиметров.

Для садового муравья, длина тела которого не превышает половины сантиметра, это весьма существенное расстояние.

Результаты сканирования показали, что в зараженных гнездах возросла общая протяженность туннелей, но при этом уменьшилось количество соединений между ними. Муравьи сократили число переходов между камерами, а также количество перекрестков между туннелями. Связность помещений в инфицированных гнездах оказалась ниже, чем в здоровых.

Чтобы определить, как эти архитектурные изменения влияют на ход эпидемии, исследователи провели моделирование распространения патогенов в гнездах, построенных зараженными группами. Они сопоставили поведенческие особенности и архитектуру инфицированных гнезд и установили, что муравьиная «самоизоляция», выражающаяся в склонности больных особей чаще выходить наружу, уменьшает распространение спор грибка примерно в два раза. Самоизоляция и изменения в архитектуре создают синергетический эффект, усиливая общую защиту муравьиной семьи от инфекции.

Ученые задались вопросом: а что, если больные муравьи просто неспособны строить по-другому? Возможно, у них не получается создавать обычные поселения с большим числом перекрестков и переходов между камерами?

Вероятнее всего, дело не ограничивается побочными эффектами болезни. Во-первых, первые изменения в строительстве начали проявляться спустя всего 24 часа после заражения. За этот короткий срок гриб даже не успел проникнуть во внутреннюю полость тела муравьев. Во-вторых, инфицированные муравьи рыли туннели с более высокой скоростью, чем здоровые, хотя в целом были менее активны и чаще находились на внешней стороне.

В-третьих, одни только зараженные особи (которые составляли всего 10% от всей колонии) не смогли бы оказать такое значительное влияние на структуру построек. Увеличение расстояния между входами, изменение топологии и длины туннелей — все это не могло произойти без «решений», принятых здоровыми муравьями.

Каким именно образом эти «решения» формируются в муравьином сообществе — это вопрос, требующий дальнейших исследований. Авторы считают поиск ответа на него «захватывающим».