Вы бы предпочли сразиться с уткой размером с лошадь или со 100 лошадьми размером с утку? Знаменитый вопрос, хотя и неправдоподобный, отражает повсеместный компромисс между количеством и качеством. Теперь же исследование показывает, что эта дилемма существует в биологии на эволюционном уровне.

Как муравьи балансируют между количеством и качеством

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показало, что некоторые виды муравьев строят свои колонии, отдавая предпочтение количеству, а не качеству. Эти виды вкладывают меньше средств в кутикулу каждой особи — защитный слой экзоскелета, — что высвобождает питательные ресурсы для производства большего количества рабочих особей.

Исследование показало, что стратегия создания менее защищенных, но более многочисленных рабочих оказалась эволюционно успешной. Полученные результаты проливают свет на то, что происходит с отдельными особями в процессе эволюции сложных обществ, подобных тем, которые наблюдаются у людей.

«В биологии существует вопрос о том, что происходит с отдельными организмами по мере усложнения сообществ, в которых они живут. Например, сами организмы могут стать проще, потому что задачи, которые должен был бы выполнять одиночный организм, могут быть решены коллективом», — сказал ведущий автор исследования Эван Экономо, заведующий кафедрой энтомологии в Университете Мэриленда.

Отчасти это объясняется тем, что отдельные особи могут стать «дешевле», то есть их легче производить в больших количествах, но при этом они становятся менее выносливыми по отдельности.

«До сих пор эта идея не была явно проверена в ходе крупномасштабных исследований социальных насекомых», — сказал Экономо, который также занимает должность профессора имени Джеймса Б. Гахана и Маргарет Х. Гахан в Мэрилендском университете.

Проверка эволюционных стратегий в муравьиных колониях

Муравьи представляют собой идеальную систему для изучения механизмов возникновения сложных сообществ, поскольку колонии насчитывают от десятков до миллионов особей.

«Муравьи повсюду», — сказал ведущий автор исследования Артур Матте, аспирант кафедры зоологии Кембриджского университета. «Однако фундаментальные биологические стратегии, которые позволили им образовать огромные колонии и добиться необычайного разнообразия, остаются неясными».

Авторы выдвинули гипотезу о возможном компромиссе между размером колонии и инвестициями в кутикулу. Кутикула защищает муравьев от хищников, высыхания и болезней. Она также обеспечивает структурную поддержку мышцам. Однако ее создание требует больших питательных веществ, таких как азот и различные минералы, что делает ее очень затратной с точки зрения питания. Более толстая кутикула требует больше питательных веществ, что может ограничивать количество особей, которых может содержать колония.

Используя большой массив данных 3D-рентгеновских снимков, авторы измерили объем кутикулы и тела более чем 500 видов муравьев. Объем кутикулы варьировался в широких пределах, от 6% до 35% от общего объема тела муравья. Команда включила эти данные в эволюционные модели и обнаружила, что муравьи с меньшим объемом кутикулы, как правило, имеют большие размеры колоний.

Последствия для эволюции и разнообразия

Хотя более тонкая кутикула обеспечивает меньшую защиту, она, возможно, способствовала формированию больших колоний. Авторы считают, что более слабая броня может быть частью комплекса полезных социальных признаков, включая коллективную охоту, защиту гнезда и разделение труда, которые развиваются с увеличением размера колонии.

«Муравьи сокращают затраты на одного работника на одну из самых питательных тканей, что идет на пользу всему коллективу», — объяснил Матте.

«Они переходят от самоинвестирования к распределенной рабочей силе, что приводит к созданию более сложных обществ. Эта тенденция перекликается с эволюцией многоклеточности, где кооперативные единицы могут быть по отдельности проще, чем одиночная клетка, но в совокупности способны к гораздо большей сложности».

Более того, меньшие инвестиции в кутикулу были связаны с более высокими темпами диверсификации — показателем видообразования, который биологи часто используют в качестве индикатора эволюционного успеха. По словам Экономо, не так много признаков было обнаружено, связанных с диверсификацией у муравьев, что делает это открытие особенно интригующим.

Пока неизвестно, почему уменьшение объема кутикулы приводит к видообразованию, но одна из гипотез заключается в том, что это позволяет муравьям осваивать новые местообитания с недостатком питательных веществ.

«Снижение потребности в азоте может сделать их более универсальными и способными осваивать новые условия окружающей среды», — сказал Матте, начавший это исследование во время обучения в магистратуре в качестве стажера в лаборатории Экономо в Окинавском институте науки и технологий в Японии.

Авторы предполагают, что коллективная защита гнезда, борьба с болезнями и другие особенности, характерные для сложных сообществ, снизили потребность в мощной индивидуальной броне. Это могло запустить положительную обратную связь: уменьшение инвестиций в кутикулу способствовало образованию более крупных колоний, что могло избавить от необходимости строить мощную броню.

«Я считаю это эволюцией мягкости», — со смехом сказал Экономо. «Многие дети обнаружили, что не все насекомые одинаково крепкие».

Другие социальные организмы, такие как термиты, возможно, прошли схожий эволюционный путь, но это еще предстоит проверить.

Связи с человеческим обществом и стратегией

Это также имеет значение для людей. Исследование наводит на аналогии с военными стратегиями. В ранних войнах тяжелобронированные рыцари уступили место специализированным лучникам и арбалетчикам.

Экономо также упомянул законы Ланчестера — набор математических уравнений, разработанных во время Первой мировой войны, которые исследуют преимущества численного превосходства противника, имеющего слабые истребители, по сравнению с физическим превосходством в бою один на один, имея меньшее количество, но более сильных подразделений.

«Компромисс между количеством и качеством существует повсюду. Он проявляется в еде, которую вы едите, в книгах, которые вы читаете, в потомстве, которое вы хотите вырастить», — сказал Матте.

«Было невероятно интересно проследить, как муравьи справлялись с этим на протяжении своей долгой эволюции. Мы могли видеть, как линии развития шли в разных направлениях, формировались под влиянием различных ограничений и условий окружающей среды и в конечном итоге привели к необычайному разнообразию, которое мы наблюдаем сегодня».