Leaf-Cutting Ants and Fungus
A. The ants and their agriculture have been extensively studied over the years, but the recent research has uncovered intriguing new findings about the fungus they cultivate, how they domesticated it and how they cultivate it and preserve it from pathogens. For example, the fungus farms, which the ants were thought to keep free of pathogens, turn out to be vulnerable to a devastating mold, found nowhere else but in ants' nests. To keep the mold in check, the ants long ago made a discovery that would do credit to any pharmaceutical laboratory. Leaf-cutting ants and their fungus farms are a marvel of nature and perhaps the best known example of symbiosis, the mutual dependence of two species. The ants' achievement is remarkable – the biologist Edward O. Wilson has called it "one of the major breakthroughs in animal evolution" – because it allows them to eat, courtesy of their mushroom's digestive powers, the otherwise poisoned harvest of tropical forests whose leaves are laden with terpenoids, alkaloids and other chemicals designed to sicken browsers.
Loài kiến và nền nông nghiệp của chúng đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm, nhưng nghiên cứu gần đây đã khám phá ra những phát hiện mới hấp dẫn về loài nấm mà chúng trồng, cách chúng thuần hóa nó, cách chúng trồng trọt và bảo vệ nó khỏi mầm bệnh. Ví dụ, các trang trại nấm, vốn được cho là được kiến giữ không có mầm bệnh, hóa ra lại dễ bị tổn thương bởi một loại nấm mốc tàn phá, không tìm thấy ở đâu khác ngoài tổ kiến. Để kiểm soát nấm mốc, loài kiến từ lâu đã có một phát hiện mà bất kỳ phòng thí nghiệm dược phẩm nào cũng phải công nhận. Kiến cắt lá và các trang trại nấm của chúng là một kỳ quan của thiên nhiên và có lẽ là ví dụ nổi tiếng nhất về sự cộng sinh, sự phụ thuộc lẫn nhau của hai loài. Thành tựu của loài kiến rất đáng chú ý - nhà sinh vật học Edward O. Wilson đã gọi nó là "một trong những đột phá lớn trong quá trình tiến hóa của động vật" - bởi vì nó cho phép chúng ăn, nhờ khả năng tiêu hóa của nấm, những vụ thu hoạch độc hại của rừng nhiệt đới mà lá của chúng chứa đầy terpenoid, alkaloid và các hóa chất khác được thiết kế để làm bệnh các loài vật ăn lá.
B. Fungus growing seems to have originated only once in evolution, because all gardening ants belong to a single tribe, the descendants of the first fungus farmer. There are more than 200 known species of the attine ant tribe, divided into 12 groups, or genera. The leaf-cutters use fresh vegetation; the other groups, known as the lower attines because their nests are smaller and their techniques more primitive, feed their gardens with detritus like dead leaves, insects and feces.
Việc trồng nấm dường như chỉ bắt nguồn một lần duy nhất trong quá trình tiến hóa, bởi vì tất cả các loài kiến làm vườn đều thuộc về một tông (tribe) duy nhất, hậu duệ của người nông dân trồng nấm đầu tiên. Có hơn 200 loài được biết đến thuộc tông kiến attine, được chia thành 12 nhóm, hay chi (genera). Kiến cắt lá sử dụng thảm thực vật tươi; các nhóm khác, được gọi là attine bậc thấp vì tổ của chúng nhỏ hơn và kỹ thuật của chúng nguyên thủy hơn, nuôi vườn của chúng bằng mùn bã như lá chết, côn trùng và phân.
C. In 1994 a team of four biologists, Ulrich G. Mueller and Ted R. Schultz from Cornell University and Ignacio H. Chapela and Stephen A. Rehner from the United States Department of Agriculture, analyzed the DNA of ant funguses. The common assumption that the funguses are all derived from a single strain, they found, was only half true. The leaf-cutters' fungus was indeed descended from a single strain, propagated clonally, or just by budding, for at least 23 million years. But the lower attine ants used different varieties of the fungus, and in one case a quite separate species, the four biologists discovered.
Năm 1994, một nhóm bốn nhà sinh vật học, Ulrich G. Mueller và Ted R. Schultz từ Đại học Cornell và Ignacio H. Chapela và Stephen A. Rehner từ Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, đã phân tích DNA của nấm kiến. Họ phát hiện ra rằng giả định phổ biến rằng các loài nấm đều có nguồn gốc từ một dòng duy nhất, chỉ đúng một nửa. Nấm của kiến cắt lá thực sự có nguồn gốc từ một dòng duy nhất, được nhân giống vô tính, hoặc chỉ bằng cách nảy chồi, trong ít nhất 23 triệu năm. Nhưng các nhà sinh vật học phát hiện ra rằng kiến attine bậc thấp sử dụng các loại nấm khác nhau, và trong một trường hợp là một loài hoàn toàn riêng biệt.
D. To Cameron R. Currie, a Ph.D. student in the University of Toronto, it seemed to Mr. Currie, resembled the monocultures of various human crops, that are very productive for a while and then succumb to some disastrous pathogen, such as the Irish potato blight. Monocultures, which lack the genetic diversity to respond to changing environmental threats, are sitting ducks for parasites. Mr. Currie felt there had to be a parasite in the ant-fungus system. But a century of ant research offered no support for the idea.
Đối với Cameron R. Currie, một nghiên cứu sinh Ph.D. tại Đại học Toronto, điều này dường như giống với các nền nông nghiệp độc canh của con người, vốn rất năng suất trong một thời gian và sau đó bị khuất phục trước một số mầm bệnh tai hại, chẳng hạn như bệnh tàn rụi khoai tây ở Ireland. Các nền độc canh, thiếu sự đa dạng di truyền để ứng phó với các mối đe dọa môi trường đang thay đổi, là mục tiêu dễ bị tấn công cho ký sinh trùng. Ông Currie cảm thấy phải có một loại ký sinh trùng trong hệ thống kiến-nấm. Nhưng một thế kỷ nghiên cứu về kiến không đưa ra hỗ trợ nào cho ý tưởng này.
E. Textbooks describe how leaf-cutter ants scrupulously weed their gardens of all foreign organisms. "People kept telling me, 'You know the ants keep their gardens free of parasites, don't you?'" Mr. Currie said of his efforts to find a hidden interloper. But after three years of sifting through attine ant gardens, Mr. Currie discovered they are far from free of infections. In last month's issue of the Proceedings of the National Academy of Sciences, he and two colleagues, Dr. Mueller and David Mairoch, isolated several alien organisms, particularly a family of parasitic molds called Escovopsis. Escovopsis turns out to be a highly virulent pathogen that can devastate a fungus garden in a couple of days. It blooms like a white cloud, with the garden dimly visible underneath. In a day or two the whole garden is enveloped. "Other ants won't go near it and the ants associated with the garden just starve to death," Dr. Rehner said. "They just seem to give up, except for those that have rescued their larvae."
Sách giáo khoa mô tả cách kiến cắt lá tỉ mỉ dọn sạch vườn của chúng khỏi tất cả các sinh vật lạ. "Mọi người cứ nói với tôi, 'Bạn biết đấy, kiến giữ cho khu vườn của chúng không có ký sinh trùng mà, phải không?'" Ông Currie nói về những nỗ lực của mình để tìm ra một kẻ xâm nhập giấu mặt. Nhưng sau ba năm sàng lọc các khu vườn của kiến attine, ông Currie phát hiện ra chúng không hề không có nhiễm trùng. Trong số tháng trước của tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, ông và hai đồng nghiệp, Tiến sĩ Mueller và David Mairoch, đã phân lập được một số sinh vật lạ, đặc biệt là một họ nấm mốc ký sinh gọi là Escovopsis. Escovopsis hóa ra là một mầm bệnh có độc lực cao có thể tàn phá một khu vườn nấm trong vài ngày. Nó nở rộ như một đám mây trắng, với khu vườn chỉ nhìn thấy lờ mờ bên dưới. Trong một hoặc hai ngày, toàn bộ khu vườn bị bao phủ. "Những con kiến khác sẽ không đến gần nó và những con kiến gắn liền với khu vườn chỉ chết đói," Tiến sĩ Rehner nói. "Chúng dường như từ bỏ, ngoại trừ những con đã cứu được ấu trùng của mình."
F. Evidently the ants usually manage to keep Escovopsis and other parasites under control. But with any lapse in control, or if the ants are removed, Escovopsis will quickly burst forth. Although new leaf-cutter gardens start off free of Escovopsis, within two years some 60 percent become infected.
Rõ ràng là loài kiến thường xoay xở để kiểm soát Escovopsis và các ký sinh trùng khác. Nhưng chỉ cần bất kỳ sự lơ là nào trong kiểm soát, hoặc nếu kiến bị loại bỏ, Escovopsis sẽ nhanh chóng bùng phát. Mặc dù các khu vườn mới của kiến cắt lá ban đầu không có Escovopsis, trong vòng hai năm, khoảng 60% bị nhiễm bệnh.
G. The discovery of Escovopsis's role brings a new level of understanding to the evolution of the attine ants. "In the last decade, evolutionary biologists have been increasingly aware of the role of parasites as driving forces in evolution," Dr. Schultz said. There is now a possible reason to explain why the lower attine species keep changing the variety of fungus in their mushroom gardens, and occasionally domesticating new ones— to stay one step ahead of the relentless Escovopsis.
Việc phát hiện ra vai trò của Escovopsis mang lại một cấp độ hiểu biết mới về sự tiến hóa của kiến attine. "Trong thập kỷ qua, các nhà sinh học tiến hóa ngày càng nhận thức rõ hơn về vai trò của ký sinh trùng như là động lực thúc đẩy quá trình tiến hóa," Tiến sĩ Schultz nói. Hiện có một lý do khả dĩ để giải thích tại sao các loài attine bậc thấp tiếp tục thay đổi loại nấm trong vườn nấm của chúng, và thỉnh thoảng thuần hóa những loài mới— để đi trước một bước so với Escovopsis không ngừng nghỉ.
H. Interestingly, Mr. Currie found that the leaf-cutters had in general fewer alien molds in their gardens than the lower attines, yet they had more Escovopsis infections. It seems that the price they pay for cultivating a pure variety of fungus is a higher risk from Escovopsis. But the leaf-cutters may have little alternative: they cultivate a special variety of fungus which, unlike those grown by the lower attines, produces nutritious swollen tips for the ants to eat.
Điều thú vị là, ông Currie phát hiện ra rằng kiến cắt lá nói chung có ít nấm mốc lạ hơn trong vườn của chúng so với các loài attine bậc thấp, nhưng chúng lại bị nhiễm Escovopsis nhiều hơn. Có vẻ như cái giá mà chúng phải trả cho việc trồng một loại nấm thuần chủng là rủi ro cao hơn từ Escovopsis. Nhưng kiến cắt lá có thể có ít lựa chọn thay thế: chúng trồng một loại nấm đặc biệt, không giống như những loại được trồng bởi các loài attine bậc thấp, sản xuất ra các chồi sưng bổ dưỡng cho kiến ăn.
I. Discovery of a third partner in the ant-fungus symbiosis raises the question of how the attine ants, especially the leaf-cutters, keep this dangerous interloper under control. Amazingly enough, Mr. Currie has again provided the answer. "People have known for a hundred years that ants have a whitish growth on the cuticle," said Dr. Mueller, referring to the insects' body surface. "People would say this is like a cuticular wax. But Cameron was the first one in a hundred years to put these things under a microscope. He saw it was not inert wax. It is alive."
Việc phát hiện ra đối tác thứ ba trong hệ cộng sinh kiến-nấm đặt ra câu hỏi làm thế nào loài kiến attine, đặc biệt là kiến cắt lá, kiểm soát được kẻ xâm nhập nguy hiểm này. Thật đáng kinh ngạc, ông Currie lại một lần nữa cung cấp câu trả lời. "Mọi người đã biết cả trăm năm nay rằng kiến có một lớp phát triển màu trắng trên lớp biểu bì (cuticle)," Tiến sĩ Mueller nói, đề cập đến bề mặt cơ thể của côn trùng. "Mọi người thường nói đây giống như một lớp sáp biểu bì. Nhưng Cameron là người đầu tiên trong một trăm năm đặt những thứ này dưới kính hiển vi. Ông ấy thấy nó không phải là sáp trơ. Nó còn sống."
J. Mr. Currie discovered a specialized patch on the ants' cuticle that harbors a particular kind of bacterium, one well known to the pharmaceutical industry, because it is the source of half the antibiotics used in medicine. From each of 22 species of attine ant studied, Mr. Cameron and colleagues isolated a species of Streptomyces bacterium, they reported in Nature in April. The Streptomyces does not have much effect on ordinary laboratory funguses. But it is a potent poisoner of Escovopsis, inhibiting its growth and suppressing spore formation. Because both the leaf-cutters and the lower attines use Streptomyces, the bacterium may have been part of their symbiosis for almost as long as the Escovopsis mold. If so, some Alexander Fleming of an ant discovered antibiotics millions of years before people did. Even now, the ants are accomplishing two feats beyond the powers of human technology. The leaf-cutters are growing a monocultural crop year after year without disaster, and they are using an antibiotic apparently so wisely and prudently that, unlike people, they are not provoking antibiotic resistance in the target pathogen.
Ông Currie đã phát hiện ra một mảng chuyên biệt trên lớp biểu bì của kiến, nơi chứa một loại vi khuẩn đặc biệt, một loại vi khuẩn nổi tiếng trong ngành công nghiệp dược phẩm, bởi vì nó là nguồn gốc của một nửa số thuốc kháng sinh được sử dụng trong y học. Từ mỗi 22 loài kiến attine được nghiên cứu, ông Cameron và các đồng nghiệp đã phân lập được một loài vi khuẩn Streptomyces, họ đã báo cáo trên tạp chí Nature vào tháng Tư. Streptomyces không có nhiều ảnh hưởng đến các loại nấm thông thường trong phòng thí nghiệm. Nhưng nó là một chất độc mạnh đối với Escovopsis, ức chế sự phát triển và kìm hãm sự hình thành bào tử. Bởi vì cả kiến cắt lá và attine bậc thấp đều sử dụng Streptomyces, vi khuẩn này có thể đã là một phần của sự cộng sinh của chúng gần như cùng lúc với nấm mốc Escovopsis. Nếu vậy, một Alexander Fleming nào đó của loài kiến đã phát hiện ra thuốc kháng sinh hàng triệu năm trước con người. Ngay cả bây giờ, loài kiến đang thực hiện hai kỳ công vượt quá khả năng của công nghệ con người. Kiến cắt lá đang trồng một vụ mùa độc canh năm này qua năm khác mà không gặp thảm họa, và chúng đang sử dụng thuốc kháng sinh một cách rõ ràng là khôn ngoan và thận trọng đến mức, không giống như con người, chúng không gây ra tình trạng kháng kháng sinh ở mầm bệnh mục tiêu.