研究成果：蚂蚁比人更早学会“种庄稼”

科技频道来源:广州日报 2016年08月06日 05:53 A-A+
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　　你小时候有没有试过蹲在树下观察蚂蚁成群结队来来去去地把食物搬回巢穴？也许你还会淘气地丢下几粒米饭或者一片面包，看着几只小蚂蚁抬起这个“庞然大物”健步如飞回家去，和小伙伴乐得哈哈大笑？

　　玩蚂蚁几乎是每个小朋友的乐趣。80后的张国捷小时候也不例外。“蚂蚁成群结队在走，它们之间通过触角触碰就可以告知食物的方位和距离。”他觉得非常有意思，但他那时也没有预料到多年以后自己会作为国家基因库生物多样性基因组学研究组负责人，更深入接触这样一种极具智慧的昆虫。用更通俗的语言来说，就是从基因组学角度研究蚂蚁“种庄稼”的奥秘。他和同行的研究成果刊登在最新一期《自然通讯》上。

　　蚂蚁到底是怎么种“庄稼”的？它们都种什么“菜”吃呢？蚂蚁的“农场”又会是什么样子的？

　　吃货都爱交流美食信息，你知道蚂蚁是怎么告知小伙伴食物位置的吗？

　　研究蚂蚁是非常好玩的事情。研究人员可以通过设计各种实验来发现蚂蚁世界里的奥妙，有些实验时间很长，有的则需要观察好几个月。“可以采集一些树叶看切叶蚁做剪切工作，但不能打扰它们。进行防御警戒的兵蚁是很凶猛的，会将你视作入侵者，咬住你的手不放，除非杀死它们。”张国捷说。

　　当发现食物时，它们是怎样准确告知距离的呢？研究人员通过实验发现，蚂蚁是通过步数来告知对方距离的。“他们大脑里面或许不会数数，但是通过观察，例如观察前去打探的蚂蚁去到食物的位置需要1000步，那它的小伙伴就会爬1000步到食物那里，非常有意思。”张国捷说。

　　还有一些更有趣的发现，令人惊讶于蚂蚁的社会化能力。他说，研究人员曾实验由A蚂蚁入侵B蚂蚁，同时又让A蚂蚁受到C蚂蚁的干扰。在这个过程中，研究人员惊奇地发现，蚂蚁将敌人的敌人转化成为朋友，B蚂蚁和C蚂蚁结成了同盟。

　　人类会驯化物种种植庄稼，可是蚂蚁比人类更早掌握种植技术。

　　具有种植技术，是切叶蚁最伟大的天赋。在哥本哈根大学社会演化研究中心的实验室里，张国捷可以清晰地观察到切叶蚁群体里的工蚁们正在辛勤地劳作。白色的真菌附着在绿色的叶子碎片上，菌丝像云雾一样弥漫开来。这些辛勤的“农夫们”随时将这些菌丝加工修剪，以防止菌丝过度繁殖，因为这会消耗大量的氧气，使幼蚁窒息而死，甚至造成整个群体的毁灭。

　　这是一个比人类农业文明要久远得多的分工合作农业社会。从切割叶子到运输、咀嚼、培植、施肥、除草、抗菌、收采、垃圾清理，切叶蚁们各司其职，有条不紊。

　　“极少数物种具有对其他物种的驯化能力，人类是其中之一，小小的切叶蚁也是。可以说，蚂蚁比人类更早掌握了种植技术。”张国捷说。

　　张国捷对这些小家伙怀着敬畏之心：“蚂蚁种植‘庄稼’的历史比人类要久远得多。2000多万年缓慢的自然选择，成就了它们的生态种植系统，使得它们的菌园农庄在避免虫害又不破坏自然生态的前提下实现大规模生产。”

　　这些最新研究成果发表在7月20日出版的《自然通讯》上，由来自哥本哈根大学、深圳国家基因库、美国史密森尼学会和中国科学院昆明动物研究所的研究者完成。该成果揭示了蚂蚁与真菌共同适应性的分子基础。

　　类似人类大规模养殖的农业社会系统，在蚂蚁界已存在了2000多万年。

　　切叶蚁是蚂蚁中最能干的“农夫”，它通过切割新鲜植物叶片用于种植食物——真菌。在中南美洲的热带雨林里，如有幸则能目睹它们蔚为壮观的种植军团，宛如绿色的小河在流淌。那是头宽约2毫米的工蚁们在背负着新月形的叶片疾驰。它们每分钟能行走180米，相当于一个人背着220公斤的东西，以每分钟12公里的速度飞奔。

　　切叶蚁的种群社会分工比其他种类的蚂蚁更为复杂。一个成熟的切叶蚁群落有超过100万只蚂蚁，可以将一整棵树的叶子一夜之间洗劫一空。

　　“它们的巢穴也是由它们种植的真菌建造而成，是一个庞大的地下宫殿。一个500毫升的可乐罐，可以培养几千只甚至上万只蚂蚁个体。自然条件里，蚁巢甚至可以延伸至地底十米深，直径则可以公里来计算。”张国捷说。

　　在这个巨大的巢穴里，蚂蚁有自己的“农场”。在这些新月般的叶片被大批量运回巢穴后，又有更小的工蚁将其运输到“农场”。在那里，叶片被更小的蚂蚁切成小块，直至被咀嚼为菌床。而绒毛状的真菌将被巢穴中最小的蚂蚁照料，它们将“美食”分配给巢穴中的其他成员。

　　“这与人类农业文明高度发达之后出现的城市化和社会分工现象类似。蚂蚁这种类似于人类大规模养殖的农业社会系统早已存在了2000多万年。”张国捷表示。

　　话说我们人类自从驯化了稻谷小麦玉米白菜等好吃的，那些不怎么受待见的“野菜”就渐渐远离了餐桌。蚂蚁和它们的“农作物”也有类似的共生关系哦。我会“种菜”我骄傲，当然专心种我爱吃的！

　　低级的蚂蚁忙着四处狩猎采集，高级的蚂蚁学会了种植不愁没饭吃……

　　张国捷告诉记者，他们与哥本哈根大学社会演化研究中心的实验室合作，开展对真菌培植蚂蚁系统进行基因组学研究，以了解蚂蚁与真菌共生的历史过程，以及基于这种共生关系，在其各自的基因组发生了什么变化。

　　研究人员分析了七种真菌培植蚂蚁以及它们种植的真菌的基因组和转录组。这七种蚂蚁主要分为低级真菌蚂蚁、高级真菌蚂蚁和切叶蚁三大类，代表了系统发育树上的新真菌蚂蚁冠群的所有属级别重要分支。早期的真菌蚂蚁主要靠采集环境的真菌为食，与其他传统狩猎或者采集为生的蚂蚁相比新陈代谢效率较低。这种低效的生活方式一直持续到具有种植并家养化真菌能力的物种出现为止。

　　“这种具有大规模种植真菌能力的蚂蚁在长久的进化过程中，其基因组积累了许多变异以适应新的生活方式。”张国捷说。根据研究，蚂蚁在培植真菌的过程中，不仅改变了真菌的基因组，自身基因组也同样发生改变。

　　蚂蚁和真菌的共同进化经历了一个缓慢的过程，两者联系越来越紧密。研究发现，低级真菌培植蚂蚁与其种植的真菌是比较松散的共生关系，蚂蚁和真菌的共同进化并不明显。“而在切叶蚁这样的高级真菌培植蚂蚁中，通过基因组学的研究，两者的共生紧密相连。”张国捷说。

　　这和人类在作物驯化过程中产生的变化类似。张国捷解释说，人类在作物驯化过程中通过杂交等手段使得作物基因组发生了巨大的变化，从而获得人类所需要的作物性状。同时，人类自身的基因组也随着农业文明的发展逐渐发生了适应性变化。比如酒精降解酶和乳糖分解酶在不同地区人群活力的差异化就跟农业的发展有着密切的关系。

　　切叶蚁和它们种植的真菌绝对是“真爱”，谁离了谁都活不了！

　　两者共生关系亲密到什么程度？张国捷解释说，“其他蚂蚁类群可以吃昆虫花蜜等食物，但切叶蚁专一以真菌为食物。切叶蚁栽培的真菌则必须依靠蚂蚁的培育才能存活下去。”

　　“实验室的观察结果显示，切叶蚁培育的真菌没有孢子状态，无法形成蘑菇，所以无法在没有蚂蚁照看的野外生存，必须靠蚂蚁才能繁殖。”张国捷说。这意味着在缓慢的进化过程中，切叶蚁所种植的真菌逐渐被“驯化”了，无法再独立腐生。

　　从基因组学的角度来看，此次研究中发现木质素降解酶基因在高级真菌培植蚂蚁的栽培菌中的基因数目明显低于低级真菌蚂蚁的栽培菌，并且高级真菌培植蚂蚁的栽培菌丢失了一个关键的木质素酶域。

　　研究人员分析，高级真菌培植蚂蚁也经常采集柔软的叶子和花瓣来种植真菌，木质素降解能力的下降，也可能阻止被驯化了真菌再返回独立腐生生活。

　　根据此次研究，真菌基因组的适应性变化与蚂蚁所具备的合成和降解壳多糖能力，形成了巧妙的平行进化。切叶蚁种植的真菌含有大量壳多糖，这些壳多糖可以被真菌蚂蚁唇腺产生的壳多糖酶所降解，真菌不断加强壳多糖的合成能力为蚂蚁提供更充足的营养来源。而蚂蚁在进化过程中不断加强壳多糖的降解能力，以更有效的获取营养。

　　有趣的是，被切叶蚁培养的真菌也出现了多倍化现象。所谓多倍化，是指在一个细胞里增加了基因组的拷贝数，是作物被驯化的最快方式。

　　“这也很类似人类的作物，比如小麦、土豆、苹果、白菜等都出现了多倍化现象。”张国捷说。在他看来，这些类似人类适应农业文明所产生的基因组变化，相似的历史过程的发生并非偶然，而是人类所希望寻找的自然规律。”

　　研究蚂蚁农业对人有意义吗？

　　当然！蚂蚁的生态农业有大智慧。

　　蚂蚁的生态种植令人惊叹，这对人类有重要启示。“在文明发展过程中，人类在很短时间内实现农业上的工业化大生产，但在治理病虫害方面大量使用农药制剂，这种扩张方式也破坏了生态系统。”张国捷说。“蚂蚁培植真菌同时保护真菌，避免真菌受到外来干扰。它们身上携带的一些细菌可以抵御外来病菌对真菌的危害。”

　　切叶蚁很会“享受”哦。它们利用树叶和垃圾的腐烂制造“宫殿”内外的温差，促进空气流动通风，以维持菌园的湿度、温度和空气新鲜度。而一旦旧的菌园变得不宜耕种，切叶蚁在开垦新的菌圃前，会用泥土和垃圾将废弃的菌圃填满，不久后这里又将是草木繁盛。这种后续处理相当于“退农还田”，保护了土地资源。

　　“缓慢的自然选择成就了蚂蚁的生态系统，从而衍生出来一个复杂的共生系统。在这个共生系统中，既保证了菌类的大规模生产，也同时避免病虫害的产生以及对生态系统的破坏。”张国捷说。而人类尽管在生物防治上已有许多经验，但仍显得稚嫩。

　　“在生物防治未综合考虑物种是否当地天然存在的情况下，引入外来物种会导致生态失衡。”张国捷说，“对生态的调查非常重要，假如蚂蚁利用真菌对生态系统有害，也会在长期的自然选择中被淘汰，这对人类也是一样。如果人类长期破坏自然和生态系统，虽然在短期内不会出现效应，但长久来讲对人类的发展非常不利。”