Unia Europejska

02.jpg 01.jpg

 
 
Obce rządy: Ujawnienie mechanizmów wykorzystywanych przez inwazyjne mrówki do adaptacji do aktualnych i przyszłych warunków środowiskowych

Akronim: Alien rule

 

Główny badacz: Iago Sanmartín-Villar

Mentor: Magdalena Witek

Współpraca: Sara Arganda-Carreras

 

Badania realizowane w ramach projektu nr 2021/43/P/NZ8/03306

współfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki oraz programu

ramowego Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 na

podstawie umowy nr 945339 w ramach działań „Marie Skłodowska-Curie”.

 

 

Streszczenie
Wprowadzanie gatunków obcych do nowych siedlisk jest jednym z głównych problemów ekonomicznych i ekologicznych związanych ze zmianami środowiska, które powodują zmniejszanie bioróżnorodności i ekspozycje na egzotyczne choroby. Żadna z introdukcji nie zmieniła ewolucji tak bardzo, jak wprowadzenie inwazyjnych gatunków mrówek. Mrówka argentyńskie (
Linepithema humile; Figura 1) przeszła nowe i wyjątkowe zjawisko ewolucyjne, kiedy została wprowadzona na nowe obszary: mrówki te straciły konkurencję między poszczególnymi koloniami.

03.jpg

Figura 1. Robotnica i królowa mrówki argentyńskiej (Linepithema humile). Większy rozmiar ciała królowej to przede wszystkim zwiększone mięsnie tułowia i jajniki.

 

W ten sposób powstała współpraca między rozległymi sieciami połączonych superkolonii (6000 km w Europie Południowej; Figura 2).

04.jpg

Figura 2. Rozmieszczenie Linepithema humile i zróżnicowanie genetyczno-behawioralne superkolonii w Europie Południowej. Żółte kropki: główna superkolonia (około 6000 km połączonych gniazd; Giraud et al. 2002, PNAS). Zielone kropki: skupiska galijskie (Samartín-Villar et al. 2022, NeoBiota). Czerwone kropki: superkolonia katalońska (Giraud et al. 2002, PNAS). Niebieskie kropki: superkolonia korsykańska (Blight et al. 2010, Biol Invasions). Mrówki z różnych superkolonii atakują siebie nawzajem, ale nie ma agresji pomiędzy mrówkiami z różnych gniazd z tej samej superkolonii.

 

Adaptacji gatunków inwazyjnych sprzyja często ich plastyczność behawioralna i poznawcza, czyli to, jak osobniki dostosowują swoje umiejętności behawioralne do nowych warunków środowiskowych (Figura 3).

05.jpg

Figura 3. Robotnica Linepithema humile pobierająca wydzielinę mszyc. Mrówki chronią mszyce przed ich naturalnymi drapieżnikami, ale tym samym zwiększają ekonomiczne i ekologiczne szkody wywoływane obecnością mszyc.

 

Umiejętności te są kosztowne, ponieważ wymagają inwestowania zasobów w mózg zamiast w inne cechy, takie jak reprodukcja, układ odpornościowy czy przeżywalność. Zaproponowano jednak, że plastyczność behawioralna może być oparta na informacji społecznej, a nie na cechach indywidualnych. Oznacza to, że kolonie mrówek mogą zmniejszać koszt umiejętności behawioralnych poprzez poprawę komunikacji pomiędzy poszczególnymi członkami kolonii.

Ustalenie, czy źródło plastyczności pochodzi z poziomu indywidualnego (mózg-poznanie) czy zbiorowego (przekazywanie informacji społecznych) powinno być priorytetem dla zrozumienia potencjału inwazyjnego u owadów społecznych. Na inwazyjność mogą wpływać także przewidywane zmiany środowiskowe, tzn. gatunki muszą się przystosować do nowych obszarów, ale także do nowych zmian na tych obszarach. U mrówek wykryto łącznie 87 wirusów, z których część może być przenoszona na inne gatunki, np. pszczoły miodne. Zarówno zachowanie jak i potencjał infekcyjny są uwarunkowane temperaturą. Rozdzielenie tego, jak infekcja wirusem i wahania temperatury wpływają na plastyczność mózgowo-behawioralną, pomogłoby zrozumieć, jak w najbliższej przyszłości może to wpłynąć na inwazyjność superkolonii mrówki argentyńskiej. Główną, wspólną cechą wszystkich rozległych superkolonii mrówek jest ich translokacja, adaptacja i inwazyjność. Sugeruje to, że nowa współpraca między koloniami, system organizacyjny, który przekroczył znane dotychczas granice, stanowi udany proces ewolucyjny w warunkach ekstremalnych zmian środowiskowych. Obecne zmiany środowiskowe prowadzą do wymierania rodzimych gatunków, przy równoczesnym wzmacnianiu sukcesu wprowadzonych superkolonii mrówki argentyńskiej. Zrozumienie, w jaki sposób superkolonie radzą sobie z nowymi problemami i presją, wydaje się stanowić główny klucz do rozszyfrowania ich ewolucyjnego powstania i inwazyjności. Dlatego w naszym projekcie proponujemy przeanalizować, czy:

 

(1) indywidualna plastyczność zachowań i zdolności uczenia się zależą od złożoności mózgu, co świadczyłoby o kompromisie w inwestycjach indywidualnych u osobników należących do superkolonii (Figura 4);

06

Figura 4. Robotnice Linepithema humile umieszczone w labiryncie w celu zmierzenia ich zmienności decyzyjnej i behawioralnej.

 

(2) plastyczność zależy od indywidualnych zdolności poszczególnych robotnic czy raczej od komunikacji społecznej (Figura 5); oraz

07

Figura 5. Zestaw laboratoryjny służący do obserwacji furażowania (żerowania) u mrówek L. humile.

 

(3) wpływ stresorów środowiskowych (Figura 6), takich jak wahania temperatury i infekcje wirusowe, modyfikują indywidualna plastyczność behawioralną u inwazyjnych i rodzimych gatunków mrówek (Figura 7).

07a.jpg

Figura 6. Eksperymentalne gniazda mrówek trzymane w warunkach laboratoryjnych.

08.jpg

Figura 7. Gniazdo z dorosłymi osobnikami i larwami europejskiego gatunku, Tapinoma nigerrimum, o podobnej organizacji społecznej jak L. humile.

 

Spodziewamy się, że (1) osobniki z wysoko rozwiniętymi strukturami mózgu wykazują wyższą plastyczność behawioralną i odnoszą więcej sukcesów w testach behawioralnych; (2) mrówki argentyńskie wykazują niższą efektywność w rozwiązywaniu nowych problemów na poziomie indywidualnym niż rodzime gatunki mrówek, ale mają lepiej rozwinięte zdolności komunikacji społecznej polegającej na współpracy między osobnikami; (3) gorszego wyniku w indywidualnym rozwiązywaniu problemów, obserwowanego jako niższy sukces w testach behawioralnych u osobników wystawionych na działanie zmiennych temperatur i tych zakażonych wirusem; (4) synergicznego efektu temperatury i zakażenia wirusem; (5) rodzime gatunki mrówek wykazujące niższy sukces w testach behawioralnych i większe zmiany zachowań, gdy są wystawione na działanie zmiennych temperatur i wirusa, niż osobniki gatunków inwazyjnych.

 

Lokalizacja

Muzeum i Instytut Zoologii w Warszawie, Polska Akademia Nauk

Grupa Owadów Społecznych i Myrmekofilnych

Grupa kierowana przez Magdalenę Witek składa się z profesora zwyczajnego (Wojciech Czechowski), czterech badaczy z tytułem doktora (Gema Trigos-Peral, Piotr Ślipiński, Istvan Maak, Iago Sanmartín-Villar) oraz dwóch doktorantów (Daniel Sánchez-García, Srikrishna Narasimhan). Badania grupy dotyczą zmienności w zachowaniu mrówek, interakcji międzygatunkowych obejmujących głównie mrówki i owady myrmekofilne, interakcji mrówki-rośliny, wpływu patogenów mrówek oraz wpływu efektu urbanizacji na cechy historii życia mrówek. W ciągu ostatnich pięciu lat grupa pozyskała siedem projektów z Narodowego Centrum Nauki, w tym poprzedni grant Polonez 3 (kierownik: Luca Casacci). Grupa posiada szeroką sieć współpracy międzynarodowej, m.in. z prof. Jurgen Heinze z Uniwersytetu w Ratyzbonie oraz prof. Patrizia d’Ettorre z Uniwersytetu Paryskiego 13.

 

Kontakt

Muzeum i Instytut Zoologii, PAN

ul. Wilcza 64, Warszawa

00-679, Polska

Iago Sanmartín-Villar: ivillar@miiz.waw.pl