Колонии муравьев Azteca формируются по тем же законам, что и пятна леопарда
Исследователи из Мичиганского университета, два десятилетия анализировавшие рост, распространение и коллапс колоний муравьев Azteca на кофейной ферме в Мексике, доказали, что их распределение следует паттерну Тьюринга. Этот паттерн, впервые описанный химиком Аланом Тьюрингом в 1952 году, объясняет формирование пятен леопарда, полос зебры и других узоров в природе.
«Те же уравнения, которые Тьюринг использовал в химии, мы можем применять в экологии, — говорит профессор Джон Вандермир, ведущий автор исследования в BioScience. — Эти уравнения предсказывают появление пятен хищников и пятен жертв в системе, и мы доказали, что так и происходит».
Это открытие проливает свет на сложную агроэкологическую систему кофейных ферм и показывает, что модель «контроля сверху» (ориентированная на вредителей) сложнее простых отношений «хищник-жертва». Система включает сложное сообщество хищников, паразитов и болезней, взаимодействующих друг с другом. В итоге формируется самоорганизующаяся система, эффективно контролирующая популяцию вредителя-фитофага.
«Подход к борьбе с вредителями "один вредитель — один естественный враг" может быть не самым подходящим. Необходим подход, учитывающий нелинейности и сети взаимодействий в сложных системах», — отмечает соавтор Иветт Перфекто.
Паттерн Тьюринга в экологии
Тьюринг объяснил формирование неслучайных узоров в химии, наблюдая за реакциями и их дестабилизацией. Химическая реакция стабилизируется балансом процессов активации и репрессии. Добавим диффузию (в биологии — миграцию): если сила репрессии диффундирует быстрее силы активации, возникает неслучайный паттерн.
«Тьюринг понял, что можно объединить две стабилизирующие силы и дестабилизировать систему, формируя узоры. Нечто очень похожее происходит в экологических системах», — поясняет Вандермир.
Исследователи проанализировали данные с органической кофейной фермы в Чьяпасе (Мексика), где нанесли на карту распределение теневых деревьев с гнёздами муравьев Azteca sericeasur. Из 7000–11000 деревьев на участке только около 700 заселены муравьями. Эти гнёзда привлекают форидных мух — паразитов, откладывающих яйца в голову муравья.
По мере роста локальной популяции муравьиных гнёзд формируются пространственные кластеры, что увеличивает и популяцию мух. Мухи, в свою очередь, выступают репрессором в системе, создавая пятнистое распределение муравьев, аналогичное пятнам леопарда.
«Тьюринг говорил о своих химикатах, а мы — о муравьях и мухах. Мы предсказали, что наши муравьи и мухи должны формировать такие кластеры, и обнаружили, что так и есть», — говорит Вандермир.
Сложность кофейной экосистемы
В исследовании рассматриваются сложные взаимосвязи в системе:
- Зелёная кофейная щитовка — относительно безобидный вредитель.
- Жук Azya orbigera — хищник, поедающий щитовку.
- Муравей Azteca — защищает щитовку от жука.
Под защитой муравьев щитовка получает убежище от жуков и резко увеличивает численность. Однако высокая локальная плотность популяции приводит к вспышке грибкового заболевания, которое быстро сокращает численность щитовки. Таким образом, комбинация хищника (жука), убежища (в кластерах муравьиных гнёзд) и болезни держит популяцию щитовки под контролем.
Ситуацию дополнительно усложняет кофейная ржавчина, опустошающая плантации в Латинской Америке. Её споры разносятся ветром, но тот же грибок, что поражает щитовку, является антагонистом ржавчины.
Предостережение для сельского хозяйства
Исследователи предупреждают об опасности простых решений для фермеров. Например, вырубка теневых деревьев, где живут муравьи, разрушит всю систему контроля:
«Если убрать деревья, исчезнут муравьи. Не будет убежища для щитовки от жука. Жук съест всю щитовку и затем умрёт от голода. А в новом сезоне щитовка вернётся уже без хищников», — объясняет Вандермир.
То же касается и ржавчины: полог теневых деревьев служит ветроломом, замедляя распространение спор.
«Поскольку это сложная система, для её понимания и управления требуется более целостный подход, и в ней больше потенциала для неожиданных последствий».