16 января 2015 года на сайте журнала Molecular Ecology была опубликована статья, описывающая распространение определенного вида муравьев при содействии людей. Один из авторов этого исследования, PhD in Genetics Дитрих Готцек из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, прокомментировал результаты работы для англоязычного издания ИД «ПостНаука» Serious Science.

Что произошло

Мы собрали ядерные и митохондриальные генетические данные множества особей тропических огненных муравьев Solenopsis geminata с различных уголков Земли. Нам повезло получить большинство образцов от любезных и щедрых коллег. Исследования такого масштаба возможны только при подобной активной помощи. Отбор образцов в нашем случае неидеален, так как у нас нет образцов из континентальной Африки и ареала в северо-западной части Южной Америки (Колумбия, Эквадор), однако имеющегося набора оказалось достаточно, чтобы мы могли провести масштабное исследование.

Сначала нужно было выяснить, можем ли мы идентифицировать генетическую структуру какой-либо популяции из ареала обитания тропического огненного муравья. Это было ожидаемо для организма, распространенного на столь обширной территории, и это именно то, что мы обнаружили. Мы идентифицировали восемь генетических кластеров: пять сильно различающихся кластеров в странах Нового Света и три менее различных в Старом Свете. Столь четкая структура предоставляет идеальный сценарий для выявления исходной популяции и исключения других в этом контексте или для обнаружения смешиваний между кластерами.

Рекомендуем по этой теме:
7848
Язык муравьев

Три кластера в странах Старого Света демонстрируют пониженную генетическую вариативность и в ядерных, и в митохондриальных геномах по сравнению с кластерами из стран Нового Света. Такая ситуация ожидаема в том случае, если эти популяции происходят от нескольких исходных особей (эффект бутылочного горлышка). Это указывает на то, что огненные муравьи Старого Света не являются «коренными» обитателями этих мест, а были сюда завезены.

Также мы рассчитали генетическое родство, сравнив генетические свойства кластеров при помощи различных методов. Это также позволило нам узнать, когда кластеры разделились. Из полученных нами данных следует вывод о том, что все кластеры Старого Света произошли от кластера в Южной Мексике приблизительно 480 лет назад. В то время испанцы создали торговый путь из Акапулько (Мексика) в Манилу (Филиппины), по которому они на галеонах перевозили серебро из Нового Света для обмена на китайское золото (1565–1815 годы). Это эффективно сделало торговлю в XVI веке глобальной и открыло значительные возможности для транспортировки целых колоний огненных муравьев через Тихий океан внутри балласта с грунтом. Удивительным образом полученные нами генетические данные очень хорошо соответствуют историческим торговым путям: мы находим доказательства того, что маршрут расселения муравьев пролегал из Мексики на Филиппины, затем в Тайвань, оттуда по всему Старому Свету, а к XIX веку постепенно достиг Австралии.

Предыстория

Несмотря на то, что это относительно малочисленная группа муравьев, огненные муравьи стали высокоинвазивными и вредоносными насекомыми. Один из их видов, огненный импортный красный муравей, Solenopsis invicta, является одним из самых вредоносных инвазивных муравьев-вредителей в мире. Из-за этого он активно изучался, что превратило его в наиболее изученный вид муравьев.

Однако подавляющее большинство исследований, посвященных огненным муравьям, сосредотачивались на инвазивных популяциях определенных видов в южной части США, и мы очень мало знаем об их биологии в изначальном ареале обитания в Аргентине и Бразилии. О биологии других видов огненных муравьев мы знаем еще меньше, потому что они пренебрегались наукой, хотя многие из этих видов также инвазивны. В результате такого узкого фокуса исследований мы не обладаем достаточным пониманием того, насколько полученные знания по огненному импортному красному муравью проливают свет на других инвазивных муравьев или на биологию инвазивных видов вообще.

Рекомендуем по этой теме:
7168
FAQ: Клеточные основы поведения

Я и мои коллеги, которые исследовали эволюцию, генетику и систематику огненных муравьев, стремимся ответить на этот вызов путем изучения менее исследованных огненных муравьев. Не так давно ДеУэйн Шумейкер (DeWayne Shoemaker), работая со Службой по исследованиям в сфере сельского хозяйства при Министерстве сельского хозяйства США в Гейнсвилле (штат Флорида), отследил историю распространения огненного импортного красного муравья. Это исследование дало импульс к изучению других видов инвазивных огненных муравьев.

Когда я посещал Министерство сельского хозяйства США, ДеУэйн и я решили провести схожее исследование тропического огненного муравья, таким образом позволив сравнивать более детализированные анализы процессов распространения двух видов, что сделало бы результаты более общими, а выводы — более достоверными. Мы образовали команду с Эндрю Суарезом (Andrew Suarez), авторитетным ученым в области биологии инвазивных муравьев, который тогда был моим научным руководителем, и с Хизер Аксен (Heather Axen), которая тогда была студенткой, работавшей с Сарой Хелмс Кэхэн (Sara Helms Cahan) в Университете Вермонта, которые независимо работали над похожей идеей.

Перспективы

Когда мы выявили исходные популяции насекомых-вредителей, мы можем задаться вопросом о том, почему данная популяция оказалась столь успешным «захватчиком» и что (если это «что» вообще есть) отличает те популяции, которые не стали инвазивными. Сравнивая генетические, экологические и поведенческие различия внутри и между нативными и инвазивными, занесенными человеком популяциями, мы можем приступить к обнаружению биологических различий, которые могут оказаться решающими факторами в успехе вторжения, не считая различий в возможностях (давление диаспор). Подобные сравнения также могут быть сделаны между инвазивными и неинвазивными видами. Мы уверены, что эти сравнительные исследования позволят углубить наше понимание общих принципов касательно факторов, определяющих биологическую инвазивность.

Прогрессу в исследованиях истории распространения инвазивных видов сильно поспособствовала разработка и использование генетических маркеров. Эволюционная геномика инвазивных видов вроде S. invicta и S. geminata представляет сейчас огромный интерес, поскольку инвазивные организмы несут большую угрозу для биоразнообразия, целостности экосистем, сельского хозяйства, рыболовства и здравоохранения. Полученные недавно массивы геномных данных позволяют не только рассчитать маршруты инвазий, но и одновременно сделать выводы касательно других важных параметров с беспрецедентной точностью. К примеру, когда инвазия произошла, сколько особей-основателей было завезено, насколько быстро новая популяция росла в своем новом ареале обитания и какие изменения в геноме произошли в течение инвазивного процесса (адаптации). Последнее интересно потому, что изменения в вариативности небольшого набора генов могут сильно влиять на способность к колонизации и успех инвазии. Так что геномные подходы, включая анализ экспрессии генов, эпистаза и перестройки генов инвазивных видов, могут многое рассказать о том, как эти гены работают. Данные по геномам предоставили ценный ресурс для выявления полиморфизмов в генах, которые влияют на экологический и эволюционный успех инвазивных видов в их естественной среде обитания, а также для прояснения функциональных последствий такой вариативности.

Учитывая состояние современной глобальной торговли, мы часто полагаем, что инвазии произошли недавно. Много исследований сфокусировано на преднамеренной или случайной транспортировке животных и растений, тесно связанных с людьми (домашние животные вроде свиней или комменсалы человека вроде крыс). Это продолжалось в течение тысяч лет, однако гомогенизация глобальной флоры и фауны в результате развития торговли не является недавним событием. Мы ожидаем обнаружение того, что ранняя торговля, особенно морская, была важна в контексте формирования современной распространенности видов независимо от того, инвазивные они или нет.