Kiedy ludzie zaczęli uprawiać rośliny tysiące lat temu, rolnictwo istniało już od milionów lat. W rzeczywistości kilka linii zwierząt uprawiało własną żywność na długo przed ewolucją gatunku ludzkiego.
Według nowego badania kolonie mrówek zaczęły hodować grzyby, gdy asteroida uderzyła w Ziemię 66 milionów lat temu. Wpływ ten spowodował globalne masowe wymieranie, ale także stworzył idealne warunki do rozwoju grzybów. Innowacyjne mrówki zaczęły hodować grzyby, tworząc ewolucyjne partnerstwo, które 27 milionów lat temu zostało jeszcze mocniej powiązane i trwa do dziś.
W artykule opublikowanym dzisiaj, 3 października, w czasopiśmie Science, naukowcy z Narodowego Muzeum Historii Naturalnej Smithsonian przeanalizowali dane genetyczne setek gatunków grzybów i mrówek, aby stworzyć szczegółowe drzewa ewolucyjne. Porównanie tych drzew pozwoliło naukowcom stworzyć ewolucyjny harmonogram hodowli mrówek i określić, kiedy mrówki po raz pierwszy zaczęły hodować grzyby.
„Mrówki zajmują się rolnictwem i hodowlą grzybów znacznie dłużej niż ludzie” – powiedział entomolog Ted Schultz, kustosz muzeum ds. mrówek i główny autor nowego artykułu. „Prawdopodobnie moglibyśmy się czegoś nauczyć z sukcesów rolniczych tych mrówek w ciągu ostatnich 66 milionów lat”.
Prawie 250 różnych gatunków mrówek z obu Ameryk i grzybów hodowlanych na Karaibach. Naukowcy dzielą te mrówki na cztery systemy rolnicze w oparciu o ich strategie uprawy. Mrówki liściaste należą do tych, które stosują najbardziej zaawansowaną strategię, znaną jako wyższe rolnictwo. Mrówki te zbierają kawałki świeżej roślinności, aby zapewnić pożywienie swoim grzybom, które z kolei hodują pożywienie dla mrówek zwane gongylidiami. Pokarm ten pomaga zasilać złożone kolonie mrówek obcinających liście, których liczba może sięgać milionów.
Schultz spędził 35 lat na badaniu ewolucyjnego związku między mrówkami i grzybami. Przeprowadził ponad 30 wypraw do miejsc w Ameryce Środkowej i Południowej, aby obserwować tę interakcję na wolności, a w swoim laboratorium w muzeum hodował kolonie mrówek liściastych i innych mrówek hodujących grzyby. Przez lata Schultz i współpracownicy zebrali tysiące próbek genetycznych mrówek i grzybów z całych tropików.
Ten zapas próbek był kluczowy dla nowego artykułu.
„Aby naprawdę wykryć wzorce i zrekonstruować ewolucję tego powiązania w czasie, potrzeba wielu próbek mrówek i ich odmian grzybów” – powiedział Schultz.
Zespół wykorzystał próbki do sekwencjonowania danych genetycznych 475 różnych gatunków grzybów (z czego 288 jest uprawianych przez mrówki) i 276 różnych gatunków mrówek (w tym 208 z nich uprawia grzyby) – jest to największy, jaki kiedykolwiek zgromadzono zbiór danych genetycznych mrówek hodujących grzyby . Umożliwiło to badaczom stworzenie drzew ewolucyjnych obu grup. Porównanie dzikich gatunków grzybów z ich uprawnymi krewnymi pomogło naukowcom określić, kiedy mrówki zaczęły wykorzystywać określone grzyby.
Dane ujawniły, że mrówki i grzyby są ze sobą powiązane od 66 milionów lat. Dzieje się to mniej więcej w czasie, gdy asteroida uderzyła w Ziemię pod koniec okresu kredowego. To kataklizmiczne zderzenie wypełniło atmosferę pyłem i gruzem, które zablokowały słońce i na lata uniemożliwiły fotosyntezę. Wynikające z tego masowe wymieranie zmiotło mniej więcej połowę wszystkich gatunków roślin występujących wówczas na Ziemi.
Jednak ta katastrofa była dobrodziejstwem dla grzybów. Organizmy te rozmnażały się, zjadając obfity martwy materiał roślinny zaśmiecający ziemię.
„Wymieranie może być ogromną katastrofą dla większości organizmów, ale w rzeczywistości może być pozytywne dla innych” – powiedział Schultz. „Pod koniec kredy dinozaury nie radziły sobie zbyt dobrze, ale grzyby przeżyły swój rozkwit”.
Wiele grzybów, które rozmnażały się w tym okresie, prawdopodobnie żerowało na gnijącej ściółce, co doprowadziło do ich bliskiego kontaktu z mrówkami. Owady te wykorzystywały obfite grzyby do pożywienia i nadal polegały na odpornych grzybach, gdy życie odrodziło się po wyginięciu.
Nowe prace ujawniły również, że rozwinięcie wyższego rolnictwa zajęło mrówkom prawie kolejne 40 milionów lat. Naukowcom udało się prześledzić pochodzenie tej zaawansowanej praktyki już około 27 milionów lat temu. W tym czasie szybko ochładzający się klimat zmienił środowisko na całym świecie. W Ameryce Południowej bardziej suche siedliska, takie jak zdrewniałe sawanny i łąki, połamały duże połacie wilgotnych, tropikalnych lasów. Kiedy mrówki przenosiły grzyby z wilgotnych lasów na bardziej suche obszary, izolowały je od populacji dzikich przodków. Aby przetrwać w suchych warunkach, wyizolowane grzyby stały się całkowicie zależne od mrówek, wyznaczając kurs dla wyższego systemu rolnictwa praktykowanego obecnie przez mrówki liściaste.
„Mrówki udomowiły te grzyby w taki sam sposób, w jaki ludzie udomowili rośliny uprawne” – powiedział Schultz. „Niezwykłe jest to, że teraz możemy datować, kiedy wyższe mrówki pierwotnie uprawiały wyższe grzyby”.
Oprócz Schultza nowy artykuł zawierał wkład kilku współautorów związanych z Narodowym Muzeum Historii Naturalnej, w tym Jeffreya Sosa-Calvo, Matthew Kweskina, Michaela Lloyda, Any Ješovnik i Scotta E. Solomona. W badaniu wzięli także udział autorzy związani z Uniwersytetem Utah; Królewskie Ogrody Botaniczne w Kew; Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley; Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych; Uniwersytet Stanowy w São Paulo; Instituto de Investigaciones Científicas y Servicios de Alta Tecnología; Instytut Badań Tropikalnych Smithsonian; Uniwersytet w Kopenhadze; Uniwersytet Emory; Uniwersytet McMastera; Universidade Federal de Uberlândia; Uniwersytet Stanowy w Arizonie; Uniwersytet w Hohenheim; i Uniwersytet Stanowy Luizjany.
Badania były wspierane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki; Smithsonian; Uniwersytet Maryland; Rada Regentów stanu Luizjana; Sistema Nacional de Investigación; Fundacja Klubu Kosmos; Klub Odkrywców w Waszyngtonie; Fundacja Badawcza w São Paulo; Brazylijska Rada ds. Badań i Rozwoju Naukowego; Brazylijska Federalna Agencja ds. Wsparcia i Oceny Kształcenia Absolwentów; Królewskie Ogrody Botaniczne w Kew; oraz Fundacja Carla Zeissa.