В подземных камерах, где накапливается углекислый газ, некоторые виды муравьев не только приспособились к жизни в такой среде, но и используют ее особенности для собственных нужд. Вместо полного удаления углекислого газа наружу, часть его преобразуется насекомыми в прочный минеральный слой, который укрепляет их панцирь.

Особенности жизнедеятельности листорезов

Листорезы, выращивающие грибы, считаются своеобразными фермерами среди насекомых. Одни виды собирают свежие листья и используют их как субстрат для грибов, другие применяют детрит и опавшие части растений. Грибы, выращенные в гнездах, служат основным источником пищи для многочисленных членов колонии.

Однако подземное «фермерство» сталкивается с проблемой вентиляции. В колониях, где одновременно живут миллионы муравьев, растут грибы и разлагаются растительные остатки, концентрация углекислого газа (CO2) в камерах может значительно возрастать. Естественный газообмен с поверхностью затруднен, и без обновления воздуха атмосфера внутри гнезда становится неблагоприятной для дыхания.

Хотя у листорезов существуют механизмы для удаления CO2 из гнезда, их эффективность различается у разных видов, и не все способны обеспечить идеальную вентиляцию.

Биоминерализация у муравьев

Исследования структуры муравьиных гнезд и способов регулирования газообмена ведутся давно, однако роль поверхности тела муравьев и их микробиоты в этом процессе оставалась неясной. В 2020 году было обнаружено, что рабочие особи Acromyrmex echinatior обладают уникальной биоминеральной броней, состоящей из кристаллов кальцита, распределённых по поверхности хитиновой оболочки. Такой слой значительно повышает прочность панциря и выполняет защитную функцию.

Причины биоминерализации у листорезов до конца не выяснены, но предполагается, что ключевую роль играют бактерии рода Pseudonocardia, находящиеся в симбиозе с Acromyrmex echinatior. Эти бактерии, вероятно, инициируют осаждение карбоната или участвуют в превращении CO2 в твердые карбонатные минералы.

Новые данные о Sericomyrmex amabilis

Другая группа исследователей обнаружила, что муравьи Sericomyrmex amabilis, обитающие в Центральной и Южной Америке и близкие родственники листорезов, также способны к биоминерализации. Однако у этого вида пока не выявлены симбиотические бактерии, аналогичные тем, что обнаружены у Acromyrmex echinatior. Если это подтвердится, Sericomyrmex amabilis могут стать первыми известными животными, самостоятельно освоившими превращение газа в минерал в ходе эволюции, без участия бактериальных помощников.

Для проверки способности Sericomyrmex amabilis к биоминерализации были использованы методы отслеживания стабильных изотопов углерода, наномасштабная вторичная ионная масс-спектроскопия и твердофазный ядерный магнитный резонанс с изотопом углерода-13. Результаты показали, что часть CO2 муравьи выводят наружу с помощью вентиляционных систем, а часть превращают в прочный биоминеральный слой, покрывающий их экзоскелет.

Состав и особенности минерального слоя

В составе этого слоя обнаружен доломит — карбонатный минерал с формулой CaMg(CO3)2, который сложно синтезировать в лабораторных условиях. Его структура включает кальций, магний и карбонатные группы. В лаборатории синтез доломита затруднен из-за сильной гидратации магния, что препятствует его внедрению в кристаллическую решетку карбоната кальция и замедляет рост кристаллов.

В природе образование доломита обычно занимает от нескольких тысяч до миллионов лет, особенно если речь идет о формировании структурно упорядоченного минерала. При низких температурах и давлениях ионам кальция и магния требуется значительное время для формирования идеальной кристаллической решетки.

Исследования показали, что Sericomyrmex amabilis способны создавать частично упорядоченный доломит достаточно быстро и при относительно низких температурах. Механизм этого процесса пока остается неясным, и дальнейшие исследования будут направлены на изучение «химической кухни» муравьев и молекулярных механизмов биоминерализации.

Значение биоминерализации

Биоминерализация решает для насекомых сразу две задачи. Во-первых, минеральный слой укрепляет их экзоскелет, обеспечивая защиту от внешних угроз. Во-вторых, этот процесс позволяет избавляться от избыточного углекислого газа внутри гнезда.