切葉蟻身上發現首個生物礦物盔甲

切葉蟻能夠種植真菌，最近科研人員在這種昆蟲的外骨骼上發現了一種新型生物礦物，它的作用類似盔甲。

攝影：EDUARD FLORIN NIGA / EDDIMAGE PHOTOGRAPHY

撰文：DOUGLAS MAIN

切葉蟻因其艱辛壯舉而得名：它們切碎樹葉，然後背上這些笨重的碎葉片（葉片看起來像比它們大很多倍的綠色旗幟）長途跋涉返回自己的領地。回到巢穴後，它們會繼續切割加工樹葉，為地下真菌養殖場提供養料。一路上，這些昆蟲要勇敢對抗各種捕食者，還要經常與其他螞蟻交戰。

新的事實證明，切葉蟻要比我們之前想像的還要頑強。

一項新的研究中，科研人員在一種中美洲切葉蟻的外骨骼上發現了天然的甲殼。這種類似盔甲的塗層由鎂含量很高的方解石構成，這種塗層在之前只被發現存在於另一種生物結構中：海膽的牙齒，它可以磨碎石灰石。

許多動物的骨骼和牙齒都有含鈣的礦物質，螃蟹和龍蝦等甲殼類動物的外殼和其他身體部位也有礦化的成分。但在這一發現之前，任何一種成年昆蟲中都未發現過方解石。

切葉蟻的盔甲能幫助它在與其他螞蟻的爭鬥中生存下來。

照片來源：EUGENIA OKONSKI, SMITHSONIAN INSTITUTION

切葉蟻的這種塗層是由成千上萬微小的片狀晶體構成的，能夠硬化外骨骼。11月24日發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上的一篇論文稱，這種「盔甲」有助於防止螞蟻在與其他螞蟻的戰鬥中失去四肢，抵禦真菌感染。

我們對切葉蟻實在太熟悉了，所以這一發現尤其令人驚訝。「關於切葉蟻的論文有成千上萬篇，」威斯康星大學麥迪遜分校的進化生物學家、該研究的合著者Cameron Currie說。

「能在自然界被研究得最透徹的昆蟲中發現這種物質，我們真的很興奮，」他說。

儘管這篇論文只研究了切葉蟻這一個物種，但Currie和他的同事推測其他相關的螞蟻身上可能也有這種生物礦物。

巖石盔甲護身的螞蟻

早在人類或其直系祖先進化之前，也就是大約6000萬年前，切葉蟻就發明了自己的農業生產方式。這些地下真菌農場是一種共生關係的產物，這種共生關係既能為螞蟻幼蟲提供食物，又能保護真菌，而每一種螞蟻都有自己特有的真菌。

包括研究對象在內的近50種切葉蟻中，其中有一些還擁有一種共生菌，可以防止它們的真菌農場被其他有害真菌感染。這種微生物附著在年輕的工蟻身上，當它們蜿蜒穿過真菌農場時，細菌就會分泌化學物質，殺死入侵的真菌。

Currie實驗室的前博士後研究員李鴻傑（現在是中國寧波大學的研究員）開始研究這些細菌， 並很快對覆蓋在螞蟻外骨骼上的奇怪的微小晶體產生了興趣。他說服地質學家幫助他研究這些類似礦物的材料，使用包括電子顯微鏡在內的幾種成像技術來分析其構成。

2018年秋天的一個早晨，當李鴻傑拿到結果時，他欣喜若狂。因為結果顯示這種螞蟻身上覆蓋著一種以前在任何昆蟲中都沒有發現過的生物礦物。

「螞蟻身上有石頭，」李鴻傑說道。「我發現了巖石螞蟻！」

李鴻傑表示，切葉蟻身上的甲殼與礦物白雲巖的成分非常相似，只是硬度稍高。

和所有昆蟲一樣，螞蟻的外骨骼也是由甲殼質構成的，這種物質堅韌而富有彈性。為了觀察這一額外的生物層是否也起到了護甲作用，李鴻傑和同事們首先在實驗室裡飼養了兩種螞蟻，一種有生物礦物層，另一種沒有。(如果螞蟻在化蛹時就從蟻群中分離出來，並在某些條件下飼養，它們就不會形成礦物層)。然後他們做了幾個測試。

螞蟻大戰

其中一項實驗是在「螞蟻大戰」中讓這些螞蟻對抗一種體型稍大但關係密切的螞蟻。在一小時的戰鬥中，那些沒有礦物層的螞蟻失去的身體部位比「巖石螞蟻」多了3倍。

接下來，研究人員將這種昆蟲暴露在一種致病性真菌中，這種真菌可以感染螞蟻，並且與引起「類殭屍」行為的真菌種類有關。6天後，所有沒有礦物層的螞蟻都死了。但有生物層護甲的螞蟻死亡率只有50%。

另一項實驗表明，這些螞蟻外骨骼的硬度在含有生物礦物時比不含生物礦物時增加了兩倍多。

礦物層還會隨著螞蟻年齡的增長而增大。年輕的螞蟻傾向於照顧真菌園，不會面臨被其他螞蟻或捕食者攻擊的高風險，所以並不需要它。當它們開始在真菌園之外的世界覓食時，礦物層會比年輕時更厚，李鴻傑說道。

伊利諾伊大學的昆蟲學家Andrew Suarez表示，在昆蟲外骨骼中發現這種類型的礦物非常令人興奮，因為之前類似的礦物只在牙齒等更為孤立的特殊結構中發現過。

「這就像你的身體被(微小晶體組成的)牙釉質覆蓋一樣，」Suarez說，他並未參與這項研究。

「我很喜歡這篇論文，因為它發現了一些新的東西，昆蟲的生物礦化骨骼，」哈佛大學的生物專家Andrew Knoll說道。

「很多節肢動物的外骨骼都是由碳酸鈣構成的，比如螃蟹、龍蝦和已經滅絕的三葉蟲，但這種結構擴展到完全的陸地昆蟲中真的讓人覺得很有趣。」

未被發現的盔甲

科學家們還表示，這類生物晶體在未來可能會在製造業中得到應用，比如塗層或能夠增強各種材料強度或防止腐蝕的納米晶體的製造。

目前的重點是了解這些礦物質在螞蟻身上所發揮的作用，並觀察它們身上是否還有其他尚未發現的盔甲和生物礦物。

Currie認為這是有可能的。「如果你不了解這個物種的生物組成，這對99.9%很少或根本沒有得到研究的昆蟲來說意味著什麼呢?」

（譯者：陌上花開）