Муравьи солдаты и рабочие чем отличаются
Какая иерархия существует у муравьев и кто главный в муравейнике?
Муравьи – одни из наиболее древних видов живых организмов, обитающих на Земле. По мнению энтомологов, их возраст не менее 100 млн лет. В мире насчитывается около 14 тыс. видов, которые расселены по всем странам и континентам (за исключением Антарктиды).
Наша статья о том, какая существует иерархия в отдельно взятой муравьиной колонии. Эта тема лишь на первый взгляд может показаться скучной. Чем ближе человек познает все тонкости устройства жизни этих насекомых, тем больше приходит в изумление. Достаточно привести такой пример: мозг муравья составляет 25% от массы его тела. Если эту цифру спроецировать на человеческий организм, то наша голова была бы в восемь раз больше, а масса мозга – в десять раз, т. е. почти 20 кг.
Иерархия муравьёв в муравейнике
Муравьиная колония – это единая семья, состоящая из десятков тысяч особей, объединённых единой целью – жизнеобеспечение муравейника. Каждая особь имеет свою чётко определённую задачу, которую и выполняет изо дня в день. Все муравьи разделены между собой на группы по виду деятельности. Это так называемое профессиональное разделение. Каждая группа специализируется на выполнении какой-то одной задачи. Например, няньки занимаются уходом за новорождёнными, фуражиры – добычей пищи, строители – улучшением условий обитания семейства и т. д.
Совершенно недавно учёные установили, что профессии можно выбирать в соответствии со способностями и физическими особенностями муравьёв, выявляемых ещё в детстве. Так, все муравьи начинают свою карьеру с профессии няньки. Затем более крупные становятся воинами или охранниками, некоторые – пастухами, а часть предпочитает до конца жизни ухаживать за молодняком. По мере старения, когда особь слабеет (а продолжительность жизни работяг – 2-3 года), она вправе перейти в другую профессию, более простую, и больше находиться вблизи муравейника, где безопаснее.
Если же в колонии возникает критическая ситуация – гибель отдельной профессиональной группы или потеря слишком большого числа особей, то все остальные перераспределяются и берут на себя любые другие обязанности, необходимые для поддержания жизнеспособности гнезда в связи с ситуацией. Это объясняет, как муравьям удалось прожить 100 млн лет и почему их крайне сложно вывести из квартир.
Королева
Её ещё называют маткой. Это центральная фигура в гнезде (кстати, их может быть и несколько). Её задача – беспрерывное (на протяжении 10-20 лет) воспроизведение жизнеспособного потомства. Матка спаривается с самцом раз в жизни. Это происходит в воздухе (в полете). Накопленная сперма используется на протяжении всех оставшихся лет для оплодотворения яиц.
После спаривания самка строит гнездо, где первое время живет одна и активно выводит рабочих муравьёв, которые позже организуют колонию. Теперь королеве больше не нужны крылья и она их себе отгрызает.
Некоторые считают, что матка – руководит всей колонией. На самом деле это вовсе не так. Она занимается только воспроизведением. Все вопросы решают рабочие муравьи. Они могут:
Самки и самцы
Эта каста предназначена исключительно для спаривания. Её представители не работают, а живут за счет работяг. После спаривания самки могут остаться в этом же клане, а могут организовать собственное гнездо. Самец после акта гибнет. Продолжительность его жизни не превышает нескольких недель.
Рабочие
Эта каста сформирована из недоразвитых самок. Они не могут спариваться, и их основная задача – забота о благосостоянии семьи. Продолжительность их жизни не превышает 3 лет.
Среди рабочих выделяются такие профессии, как:
Солдаты
Это тоже работяги, но особая и обособленная подгруппа. Прежде всего воины отличаются телосложением: это самые крупные муравьи с сильно развитой мускулатурой головы и жвалами. У некоторых видов голова воинов настолько видоизменилась, что они потеряли способность принимать пищу самостоятельно. Их кормят другие муравьи.
Воины выполняют следующие функции:
Отдельная группа внутри воинов – это муравьи-захватчики. Из названия ясно, что их главная задача – завоевание новых территорий, а также добыча рабов. Да, муравьи часто и активно используют рабских труд особей, захваченных при нападении на соседние муравейники. Точнее похищаются только личинки и коконы, из которых потом выращивают рабов. В существующей иерархии, какая существует у муравьев, они станут самой низшей кастой.
Королева или солдат — как понять, кто появился в формикарии
В формикарии появился большой муравей, определить кто это — солдат или еще одна королева можно по внешним признакам. Прежде всего стоит учитывать, что еще одна матка у муравьев в условиях формикария появляется крайне редко. И опознать ее достаточно легко. Но обо всем по порядку.
Солдат
Солдаты появляются на муравьиной ферме только тогда, когда королева чувствует себя комфортно и имеет все необходимое для жизни. Солдаты призваны защищать колонию и помогать рабочим, дробя твердые зернышки, чтобы остальные мураши могли их съесть. Вот основные признаки солдата:
Эти признаки безошибочно указывают на то, что перед нами солдат, а не королева.
Королева
Прежде всего стоит учитывать, что матки появляются на свет накануне весеннего лета, также как и самцы. Основной отличительной особенностью для них является наличие крыльев, что позволяет сразу же отличить королеву от солдата. Также для маток характерны следующие признаки:
И солдат и матка — довольно большие муравьи. Они примерно в два раза крупнее рабочих особей. Но по размеру спинки и наличию крыльев можно безошибочно определить принадлежность насекомого.
Гибриды
Иногда на свет появляются и гибридные формы насекомых. Нечто среднее между рабочим и солдатом. Такие муравьи примерно в полтора раза крупнее простых рабочих, но уступают в размерах королеве.
Также не стоит ждать быстрого появления солдат в формикарии. Чтобы солдаты появились необходимо создать комфортные условия для жизни королевы и всего муравейника. Кроме того, важно избегать стрессовых факторов: яркого света, громких звуков и вибраций возле формикария.
И только когда матка почувствует себя достаточно комфортно, она отложит крупное яйцо, из которого в дальнейшем появится первый солдат.
Кто в доме хозяин: социальные роли муравьев
Муравейники – это уникальные сообщества, все особи в которых работают слаженно, как единый организм. В колониях муравьев четко распределены их социальные роли, от исполнения которых зависит существование всего семейства. Перед каждым насекомым стоят определенные задачи. Общая для всех особей цель – жизнеобеспечение муравейника.
Кто в муравейнике живет
В каждой колонии построена четкая иерархия, определяющая обязанности той или иной особи.
После основания гнезда матка откладывает в нем яйца и живет одна, пока не появится потомство. Первые рабочие муравьи ухаживают за королевой и личинками, добывая пищу, а также занимаются строительством, расширением и уборкой жилья.
Касты рабочих муравьев
Основная часть жителей муравейника – рабочие. Именно они занимаются «хозяйством», поддерживая жизнеспособность колонии и обеспечивая ее питание. В зависимости от исполняемых обязанностей этот класс делится на группы:
Если разведчик не вернулся – значит, там опасно, колония туда не пойдет. Если муравей несколько раз возвращается без пищи, собратья его загрызают.
Обязанности, которыми наделяется та или иная особь, зависят от ее индивидуальных качеств. Более инициативные и подвижные муравьи становятся разведчиками и охотниками. Их реакция помогает обеспечивать сообщество пропитанием. Спокойные и степенные представители семейства занимаются выпасом тли и сбором ее сиропа. Возраст насекомого может повлиять на смену его деятельности. Если же часть колонии погибла по внешним причинам, роли в муравейнике перераспределяются среди оставшихся особей.
Посмотрите, что входит в каждый комплект:
Муравьи-солдаты
Все с детства (ещё из мультфильмов) знают о делении общественных насекомых на касты. У пчёл и муравьёв есть царица, ответственная за размножение и бесплодные рабочие особи. У некоторых видов муравьёв выделяются дополнительно специализированные касты. Как, например, муравей-солдат у представленных на фото чёрных муравьёв-древоточцев (Camponotus vagus). Он отличается более крупным размером и мощными челюстями, мышцы которых занимают большую часть головы, чья форма значительно изменена для такого предназначения по сравнению с обычными рабочими муравьями.
Такая специализация иногда приводит к тому, что муравьи-солдаты не могут самостоятельно питаться без посторонней помощи. На снимке ниже вы можете видеть, как рабочий муравей кормит муравья-солдата.
Чёрный муравей-древоточец (Camponotus vagus) — вид крупных по размеру муравьёв рода Camponotus из подсемейства Formicinae семейства Formicidae. Обычный лесной вид муравьёв с чёрным блестящим телом. Один из крупнейших по размеру видов муравьёв фауны России: длина солдат и самок достигает 15 мм. Обитают на открытых участках, полянах, старых вырубках, опушках и просеках в лиственных, смешанных и сосновых лесах. Муравейники располагаются в древесных остатках, пнях.
Форма головы муравья-солдата (их еще называют динэргатами, майорами, по сравнению обычными рабочими — микроэргатами, минорами) имеет более квадратную форму. Это вынужденная мера, направленная на то, чтобы разместить внутри большую мышечную массу привода мощных челюстей.
Основной функцией муравьёв-солдатов является охрана гнезда и территории, в данном случае — тропы, по которой рабочие муравьи приносят в муравейник пищу.
И несколько снимков других муравьев этого гнезда, для сравнения пропорций и размеров.
Рабочий муравей тащит яйцо
Гнездо с яйцами и суетящиеся вокруг них рабочие муравьи
Параллельная эволюция касты «сверхсолдат» у муравьев получила объяснение
У нескольких видов муравьев из обширного рода Pheidole кроме обычных рабочих и солдат есть каста «сверхсолдат», защищающих колонию от набегов кочевых муравьев. Ученые из Канады и США показали, что если личинок тех видов Pheidole, у которых сверхсолдат нет, обработать ювенильным гормоном, личинки превращаются в сверхсолдат. У некоторых из этих видов аномальные особи, похожие на сверхсолдат, изредка встречаются в природе. Вероятно, потенциальная способность к такому «морфозу» (развитию измененного фенотипа при неизменном геноме) унаследована всеми Pheidole от общего предка, хотя у большинства видов она проявляется только в виде редкой аномалии. У видов, подвергающихся атакам кочевых муравьев, наличие таких аномалий оказалось полезным, и отбор закрепил этот фенотип, сделав его появление в колониях регулярным. Данный эволюционный механизм, известный под названием «генетической ассимиляции морфозов», объясняет независимое развитие касты сверхсолдат в нескольких эволюционных линиях муравьев.
Разделение на касты у общественных насекомых — яркий пример полифенизма. Так называют ситуацию, когда один и тот же генотип обеспечивает развитие нескольких дискретных фенотипов, причем выбор одного из вариантов зависит от внешних условий (см.: Выведена гусеница, меняющая цвет при нагревании, «Элементы», 09.02.2006). Например, у муравьев из одной и той же личинки в зависимости от условий (в первую очередь от питания) развивается либо крылатая матка, либо бескрылая рабочая особь.
У представителей широко распространенного рода Pheidole, включающего около 1100 видов, кроме обычных маленьких рабочих, отвечающих за сбор пищи и строительные работы, есть вторая бескрылая каста — крупные солдаты, в задачи которых входит защита гнезда и разгрызание твердых семян, которые составляют важную часть рациона этих муравьев. Не исключено, что наличие двух бескрылых каст обеспечило эволюционный успех рода, позволив наладить эффективное разделение труда в колонии.
У восьми видов Pheidole, обитающих в пустынях юго-запада США и Северной Мексики, существует третья бескрылая каста — «сверхсолдаты», отличающиеся еще более крупными размерами и огромной головой. Функция сверхсолдат состоит в защите колонии от набегов кочевых муравьев. Сверхсолдаты охраняют входы в подземное гнездо, затыкая их своими массивными головами.
В колониях некоторых видов Pheidole, у которых нет этой касты, изредка встречаются аномальные крупные особи с маленькими зачатками передних крыльев, похожие на сверхсолдат. Биологи из Канады и США предположили, что эти «уроды» формируются на основе той же генетической программы развития, что и настоящие сверхсолдаты. Личинка, собирающаяся стать солдатом, отличается от личинки рабочего двумя признаками: во-первых, она крупнее, во-вторых, у нее формируется пара крыловых дисков (так называются зачатки крыльев у личинок). У личинки, собравшейся стать маткой, имеется две пары хорошо развитых крыловых дисков; у личинки «выбравшей» путь рабочего, крыловые диски отсутствуют (рис. 1). Кроме того, личинки различаются по характеру экспрессии важного гомеозисного гена sal, регулирующего развитие крыльев. У маток этот ген экспрессируется в двух областях крылового диска: в той, которая образует шарнир основания крыла (hinge), и в той, из которой разовьется крыловая пластина (pouch). У солдат этот ген активно работает только в первой из двух областей.
Авторы предположили, что программа развития сверхсолдат может быть сформирована из программы развития обычных солдат путем усиления ее отличий от программы развития рабочего. Иными словами, у сверхсолдат по сравнению с солдатами личинки должны, во-первых, быстрее расти и достигать более крупных размеров, во-вторых, у них должны быть более развитые крыловые диски с выраженной экспрессией гена sal. Эти предположения блестяще подтвердились в ходе изучения развития двух видов Pheidole, имеющих касту сверхсолдат: P. obtusospinosa и P. rhea (рис. 2).
Авторы построили эволюционное дерево для 11 видов Pheidole, для которых им удалось добыть данные по нуклеотидным последовательностям (использовались последовательности трех митохондриальных и двух ядерных генов). Из этих 11 видов только два (вышеупомянутые P. obtusospinosa и P. rhea) имеют касту сверхсолдат. Судя по структуре дерева, сверхсолдаты у этих двух видов развились независимо, в результате параллельной эволюции (рис. 3).
Опираясь на полученные данные, исследователи предположили, что потенциальная возможность формирования сверхсолдат была унаследована муравьями рода Pheidole от общего предка, жившего 35–60 млн лет назад. Реализовали же ее только те виды, которым это почему-то оказалось выгодно (например, из-за жизни в местах, где водятся кочевые муравьи). У других видов эта возможность сохранилась в скрытом состоянии. В таком случае следует ожидать, что из личинок тех видов, у которых нет касты сверхсолдат, можно, подобрав правильные условия, вырастить нечто на них похожее.
Известно, что выбор личинкой муравья того или иного варианта развития зависит от уровня ювенильного гормона (рис. 1). Поэтому логично предположить, что при помощи этого гормона можно «включить» и скрытую программу развития сверхсолдат у видов, не имеющих этой касты. Эксперименты на трех видах Pheidole, не имеющих сверхсолдат (P. spadonia, P. morrisi, P. hyatti), подтвердили эту гипотезу. Оказалось, что если взять личинку любого из этих видов, собравшуюся превратиться в обычного солдата, и намазать ей брюшко метопреном (см. Methoprene) — аналогом ювенильного гормона, — то личинка ускоряет свой рост, обзаводится двумя парами крыловых дисков с высокой экспрессией гена sal и в итоге становится сверхсолдатом (рис. 4).
Как уже говорилось, у некоторых видов, не имеющих касты сверхсолдат (включая P. morrisi), такие особи иногда появляются в качестве редкой аномалии развития («морфоза»). Это позволило авторам предположить, что независимое появление касты сверхсолдат в разных эволюционных линиях муравьев рода Pheidole происходило благодаря механизму, известному как «генетическая ассимиляция морфозов» (см. также: Genetic assimilation). Суть идеи в следующем. Если какой-нибудь редкий морфоз (то есть аномалия развития, иногда возникающая в ответ на какие-то внешние воздействия) вдруг окажется полезным, отбор начнет закреплять в генофонде популяции такие мутации, которые повышают вероятность реализации этого морфоза. В итоге бывшая аномалия постепенно станет нормой, то есть «впишется» (ассимилируется) в генетическую программу развития. Абсолютизация этого эволюционного механизма лежит в основе так называемой «эпигенетической теории эволюции» (см. также: модификационная изменчивость).
Почему способность к формированию фенотипа сверхсолдата сохранилась у видов, не имеющих этой касты, и, по-видимому, не нуждающихся в ней? Ведь «лишние» признаки в ходе эволюции имеют тенденцию редуцироваться, разрушаясь под грузом мутаций, не отсеиваемых отбором. По мнению авторов, возможный ответ заключается в том, что программа развития сверхсолдата тесно связана с программой развития обычного солдата. Может быть, вероятность возникновения мутации, которая испортила бы первую, не навредив второй, слишком мала, и поэтому у муравьев сохраняется потенциальная способность к формированию сверхсолдат, даже если она им не нужна.
Данное исследование интересно как минимум в трех отношениях. Во-первых, оно проливает свет на эволюцию каст у общественных насекомых — вопрос, до сих пор изученный недостаточно. Во-вторых, оно иллюстрирует действенность механизма генетической ассимиляции морфозов, эволюционная роль которого остается дискуссионной. В-третьих, работа показывает одну из возможных причин параллелизмов в эволюции: унаследованная от общего предка программа развития допускает ограниченное число возможных модификаций, некоторые из которых могут реализовываться в виде редких морфозов до тех пор, пока не окажутся полезными.
Источник: Rajendhran Rajakumar, Diego San Mauro, Michiel B. Dijkstra, Ming H. Huang, Diana E. Wheeler, Francois Hiou-Tim, Abderrahman Khila, Michael Cournoyea, Ehab Abouheif. Ancestral Developmental Potential Facilitates Parallel Evolution in Ants // Science. 2012. V. 335. P. 79-82.