Wie Ameisen zu den besten Pilzbauern der Welt wurden

Als die Menschen vor etwa 12.000 Jahren mit der Landwirtschaft begannen, veränderten sie die Zukunft unserer Spezies für immer. Unsere Vorfahren waren ökologische Pioniere, entdeckten und kultivierten die wertvollsten Pflanzen, vergrößerten sie, um ganze Gemeinden zu ernähren, und veränderten wilde Pflanzen so grundlegend, dass sie für ihr Überleben von Menschen abhängig wurden. Die Landwirtschaft, so das Genographic Project von National Geographic, säte "die Saat für die Moderne".

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Aber die Menschen kamen zu spät zum Spiel. Als unsere Vorfahren ihre weltverändernde neolithische Revolution in Gang brachten, züchteten Ameisen bereits seit 60 Millionen Jahren Pilze in südamerikanischen Regenwäldern. Diese kleinen Landwirtschaftszauberer verwendeten ausgeklügelte Techniken, die mit unseren konkurrieren - einschließlich der Domestizierung von Feldfrüchten, die heutzutage in der Natur unbekannt sind und auch ohne ihre Züchter nicht überleben können.

Jetzt haben Smithsonian-Forscher herausgefunden, wann - und vielleicht warum - Ameisen diese bemerkenswerten Anbautechniken entwickelt haben. Indem sie einen evolutionären Baum aus pilzzuchtenden Ameisen schaffen, berichten sie, dass die Revolution in der Ameisenfarm vor etwa 30 Millionen Jahren durch eine dramatische Klimaveränderung ausgelöst worden sein könnte. Darüber hinaus könnten die aus dieser Revolution hervorgegangenen landwirtschaftlichen Systeme heute noch einige Lektionen für den Menschen enthalten.

Heute sind etwa 240 Arten von Attinameisen - darunter die Blattschneider - dafür bekannt, dass sie in Amerika und der Karibik Pilze züchten. Ihre unterirdischen Pflanzen befeuern komplexe, landwirtschaftlich geprägte Gesellschaften, die nicht nur nachhaltig und effizient sind, sondern auch resistent gegen Krankheiten und Schädlinge. Diese winzigen Bauern sind sich über eine gemeinsame Strategie einig: Sie suchen nach Vegetationsresten, essen sie aber nicht. Stattdessen ernähren sie damit ihre kostbaren Pilze, die sie im industriellen Maßstab anbauen.

In diesen Fällen sind Pilze in unterirdischen Gärten völlig isoliert, oft in trockenen, unwirtlichen Lebensräumen, in denen ihre wilden Verwandten nicht überleben können. Sie können auch nicht entkommen, was bedeutet, dass wilde und einheimische Pilze nicht zusammenkommen und Gene austauschen können. Infolge dieser Isolierung haben sich die domestizierten Pilze in völliger Abhängigkeit von ihren Ameisenbauern entwickelt. Die Ameisen ihrerseits sind so stark von ihrer Ernte abhängig, dass sie, wenn die Tochter einer Königin eine neue Kolonie gründet, ein Stück des Pilzgartens ihrer Mutter mitnimmt, um eine eigene zu gründen.

„Die Pilze, die sie züchten, werden niemals in freier Wildbahn gefunden, sie sind jetzt völlig von den Ameisen abhängig“, erklärt der Entomologe Ted Schultz, Kurator für Ameisen am Smithsonian National Museum of Natural History. „Das ist wie bei vielen unserer Pflanzen. Wir kultivieren Dinge, die so stark modifiziert sind, dass sie in Formen existieren, die in der Wildnis nicht mehr zu finden sind. “

In einer Studie, die am 12. April in der Zeitschrift Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht wurde, verwendeten Schultz und seine Kollegen neue genomische Werkzeuge, um die Wurzeln dieser ungewöhnlichen Anordnung aufzudecken. Schultz und sein Team erstellten einen evolutionären Stammbaum von Ameisen, die Pilze züchten. Dabei wurden Speicher genetischer Daten für 78 Ameisenarten, die Pilze züchten, und 41 Arten von Ameisen, die keine Pilze züchten, abgerufen. Die meisten wurden von Schultz selbst während Jahrzehnten auf dem Gebiet gesammelt.

Die Forscher nutzten diesen genetischen Datensatz, der die DNA-Sequenzen von über 1.500 Genomstellen für jede Art enthielt, um von lebenden Arten rückwärts zu argumentieren und die gemeinsamen Vorfahren der heutigen Ameisenstämme zu identifizieren. Sie untermauerten diese genetischen Daten mit einigen wichtigen Ameisenfossilien, mit deren Hilfe die Daten für die in ihrer DNA-Analyse festgestellten Änderungen kalibriert wurden.

Mit diesen Daten konnte Schultz enträtseln, wann diese Ameisenarten den entscheidenden evolutionären Fortschritt in Richtung einer fortschrittlicheren Landwirtschaft machten - und eine Theorie für das Warum aufstellen.

Ted Schultz, Ameisenkurator beim Smithsonian National Museum of Natural History, hält ein Labornest einer Ameise mit niedrigerem Pilzbefall neben einem Labornest einer Ameise mit höherem Pilzbefall, die Blätter schneidet. (JamesDiLoreto / Smithsonian)

Die DNA-Daten legen nahe, dass dieser Sprung mit dramatischen Veränderungen im antiken Klima zusammenfiel. Ameisen scheinen ihre fortschrittlichen Anbausysteme irgendwann entwickelt zu haben, nachdem ein globales Abkühlungsereignis vor etwa 35 Millionen Jahren weltweit die Temperaturen gesenkt hatte. Die daraus resultierende Verlagerung von den feuchten Regenwäldern ihrer Jäger-Sammler-Vorfahren in trockenere Umgebungen, so schreiben die Forscher, könnte landwirtschaftliche Innovationen ausgelöst haben, da Ameisen die kontrollierten Bedingungen für das Wachstum ihrer Pilzgärten aufrechterhalten.

"Es sieht so aus, als ob der Vorfahr der höheren, pilzanbauenden Ameisen in einem trockenen oder saisonal trockenen Lebensraum gelebt hätte", sagt Schultz. "Wenn Ameisen feuchte, lebensraumliebende Pilze züchten und sie in einen trockenen Lebensraum bringen, ist das so, als würden Menschen eines ihrer Domestizierten aus dem heimischen Verbreitungsgebiet entfernen."

„Wenn wir Dinge domestizieren, isolieren wir sie im Allgemeinen in Parzellen und ernten die Samen von denen, die uns am besten gefallen, und pflanzen diese Samen weiter“, fährt er fort. „Wenn Sie einen Pilz haben, dessen Verwandte alle in einem feuchten Wald leben, und Sie ihn in einen trockenen Lebensraum bringen, kann er nicht mehr entkommen. Im Laufe der Zeit, isoliert für Hunderttausende oder Millionen von Jahren, ist das ziemlich gut Gelegenheit zur Domestizierung. “

Aber Pilze waren nicht die einzigen, die eine Transformation durchliefen. Gleichzeitig begann sich die Ameisenlinie signifikant zu diversifizieren. Ihr Genom verlagerte sich während des Übergangs von der Jagd zur Landwirtschaft und erneut, als höhere Formen der Pilzzucht eingeführt wurden. Schultz und Kollegen stellten in früheren Untersuchungen fest, dass Ameisen wahrscheinlich die Fähigkeit verloren haben, eine wichtige Aminosäure, Arginin, herzustellen, weil sie eine fertige Quelle in den Pilzen hatten - und jetzt von dieser Quelle abhängig geworden sind.

Mykologen, die dasselbe System untersuchen, sehen es möglicherweise als eines an, bei dem die Pilze die Ameisen verwendeten, und nicht umgekehrt. „Es mag für die Pilze etwas schlecht klingen, aber es ist auch für sie von Vorteil. Alle ihre Bedürfnisse werden befriedigt “, sagt Diana Six, Entomologin an der Universität von Montana. "Ich denke, die Pilze manipulieren die Situation auch wirklich."

Six, der nicht an der Studie beteiligt war, fügt hinzu, dass Schultz und seine Kollegen eine komplexe Evolutionsgeschichte auseinanderhalten konnten, die viele frühere Annahmen nicht stützte, nämlich dass die Entwicklung feuchtigkeitsliebender Pilze durch Druck ausgelöst worden wäre in feuchten Regenwäldern, in denen sie gelebt haben: „Die Vorstellung, dass es bei diesen Symbiosen etwas geben muss, das diese Spezifität verstärkt, und diese Isolation hat zu dieser extremen Abhängigkeit geführt… Es ist wirklich sehr sinnvoll“, sagt Six. "Aber es braucht Leute, die ein wenig über den Tellerrand hinausdenken, um solche Antworten zu finden."

Wie zu erwarten ist, unterscheidet sich die fortschrittliche Ameisenlandwirtschaft in einigen offensichtlichen Punkten von den menschlichen Anstrengungen (zum Beispiel weniger Traktoren). Dennoch glaubt Schultz, dass wir ein oder zwei Dinge lernen können, wenn wir beobachten, wie eine der wenigen anderen landwirtschaftlichen Arten der Natur - darunter Termiten, Käfer und Bienen - ihre Ernten kuratiert.

Zum Beispiel: Wie einige Industriebauern bauen pilzzuchtende Ameisen eine einzige Kultur an. Dies gelingt ihnen jedoch, ohne Feinden wie Krankheiten oder Schädlingen zu erliegen, die die menschliche Kultur bedrohen, wenn sie an genetischer Vielfalt verlieren. Ameisen erreichen diese bemerkenswerte Leistung, indem sie ihre unterirdischen Gartenzimmer makellos halten, um die Möglichkeit von Krankheiten einzuschränken, und indem sie eine Art natürliches Antibiotikum produzieren, das als Pestizid gegen einen parasitären Pilz wirkt, der ihre Nahrungsquelle bedroht.

Diese Strategien halten Krankheitserreger effektiv in Schach, vernichten sie jedoch nicht wie Menschen, manchmal ohne es zu wollen. Stattdessen haben Ameisen ein nachhaltiges Gleichgewicht erreicht, das Menschen gut beobachten können, sagt Schultz.

"Sie bauen eine Monokultur an, aber es gibt alle Arten von Bakterien und anderen Mikroben, die gutartig oder sogar nützlich sein können", sagt Schultz. "Es ist wie ein kleines Ökosystem, das sie kultivieren. In der menschlichen Landwirtschaft bauen wir, wenn wir eine Ernte anbauen, nicht nur so etwas wie Mais an", fügt er hinzu. "Wir züchten auch alle diese Mikroben im Boden, und es gibt wahrscheinlich eine optimale ökologische Mischung von Mikroben, die das Beste für gesunden Boden und gesunden Mais ist."

Der Platz der Ameisenkolonie im größeren lokalen Ökosystem könnte auch ein paar Lektionen für die menschlichen Bauern beinhalten, bemerkt Schultz. Stellen Sie sich eine Blattschneidekolonie als ein einzelnes großes weidendes Wirbeltier vor: Das Gesamtgewicht einer Kolonie ähnelt dem einer Kuh und kann über einen ähnlichen Zeitraum ähnliche Mengen an lokaler Vegetation aufnehmen.

„Warum wischen sie nicht einfach die gesamte Vegetation in einem Gebiet aus und müssen umziehen?“, Fragt er. Ein Grund ist, dass sich die lokale Vegetation auch synchron mit den Kolonien entwickelt hat. Ein Baum, der von Ameisen zu Tode gestreift wird, kann beginnen, ein Toxin auszudrücken, das seine Blätter für die Pilze der Ameisen ungenießbar macht und sie dazu veranlasst, sich weiter zu bewegen, damit sich der Baum regenerieren kann.

„Sie tun es nicht absichtlich. es ist nicht so, dass sie sich bewusst dafür entscheiden, einen Baum nicht zu dezimieren ", fügt er hinzu." Aber ein ganzes lokales Ökosystem und alle Organismen darin haben sich zu einer Art stabilem Zustand zusammengeschlossen, der diese Art von nachhaltiger Landwirtschaft hervorbringt. " der kleinste unter uns scheint, dass größere Lektionen entstehen können.