切叶蚁身上发现首个生物矿物盔甲 -

切叶蚁能够种植真菌，最近科研人员在这种昆虫的外骨骼上发现了一种新型生物矿物，它的作用类似盔甲。

摄影：EDUARD FLORIN NIGA / EDDIMAGE PHOTOGRAPHY

撰文：DOUGLAS MAIN

切叶蚁因其艰辛壮举而得名：它们切碎树叶，然后背上这些笨重的碎叶片（叶片看起来像比它们大很多倍的绿色旗帜）长途跋涉返回自己的领地。回到巢穴后，它们会继续切割加工树叶，为地下真菌养殖场提供养料。一路上，这些昆虫要勇敢对抗各种捕食者，还要经常与其他蚂蚁交战。

新的事实证明，切叶蚁要比我们之前想象的还要顽强。

一项新的研究中，科研人员在一种中美洲切叶蚁的外骨骼上发现了天然的甲壳。这种类似盔甲的涂层由镁含量很高的方解石构成，这种涂层在之前只被发现存在于另一种生物结构中：海胆的牙齿，它可以磨碎石灰石。

许多动物的骨骼和牙齿都有含钙的矿物质，螃蟹和龙虾等甲壳类动物的外壳和其他身体部位也有矿化的成分。但在这一发现之前，任何一种成年昆虫中都未发现过方解石。

切叶蚁的盔甲能帮助它在与其他蚂蚁的争斗中生存下来。

照片来源：EUGENIA OKONSKI, SMITHSONIAN INSTITUTION

切叶蚁的这种涂层是由成千上万微小的片状晶体构成的，能够硬化外骨骼。11月24日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一篇论文称，这种“盔甲”有助于防止蚂蚁在与其他蚂蚁的战斗中失去四肢，抵御真菌感染。

我们对切叶蚁实在太熟悉了，所以这一发现尤其令人惊讶。“关于切叶蚁的论文有成千上万篇，”威斯康星大学麦迪逊分校的进化生物学家、该研究的合著者Cameron Currie说。

“能在自然界被研究得最透彻的昆虫中发现这种物质，我们真的很兴奋，”他说。

尽管这篇论文只研究了切叶蚁这一个物种，但Currie和他的同事推测其他相关的蚂蚁身上可能也有这种生物矿物。

岩石盔甲护身的蚂蚁

早在人类或其直系祖先进化之前，也就是大约6000万年前，切叶蚁就发明了自己的农业生产方式。这些地下真菌农场是一种共生关系的产物，这种共生关系既能为蚂蚁幼虫提供食物，又能保护真菌，而每一种蚂蚁都有自己特有的真菌。

包括研究对象在内的近50种切叶蚁中，其中有一些还拥有一种共生菌，可以防止它们的真菌农场被其他有害真菌感染。这种微生物附着在年轻的工蚁身上，当它们蜿蜒穿过真菌农场时，细菌就会分泌化学物质，杀死入侵的真菌。

Currie实验室的前博士后研究员李鸿杰（现在是中国宁波大学的研究员）开始研究这些细菌， 并很快对覆盖在蚂蚁外骨骼上的奇怪的微小晶体产生了兴趣。他说服地质学家帮助他研究这些类似矿物的材料，使用包括电子显微镜在内的几种成像技术来分析其构成。

2018年秋天的一个早晨，当李鸿杰拿到结果时，他欣喜若狂。因为结果显示这种蚂蚁身上覆盖着一种以前在任何昆虫中都没有发现过的生物矿物。

“蚂蚁身上有石头，”李鸿杰说道。“我发现了岩石蚂蚁！”

李鸿杰表示，切叶蚁身上的甲壳与矿物白云岩的成分非常相似，只是硬度稍高。

和所有昆虫一样，蚂蚁的外骨骼也是由甲壳质构成的，这种物质坚韧而富有弹性。为了观察这一额外的生物层是否也起到了护甲作用，李鸿杰和同事们首先在实验室里饲养了两种蚂蚁，一种有生物矿物层，另一种没有。(如果蚂蚁在化蛹时就从蚁群中分离出来，并在某些条件下饲养，它们就不会形成矿物层)。然后他们做了几个测试。

蚂蚁大战

其中一项实验是在“蚂蚁大战”中让这些蚂蚁对抗一种体型稍大但关系密切的蚂蚁。在一小时的战斗中，那些没有矿物层的蚂蚁失去的身体部位比“岩石蚂蚁”多了3倍。

接下来，研究人员将这种昆虫暴露在一种致病性真菌中，这种真菌可以感染蚂蚁，并且与引起“类僵尸”行为的真菌种类有关。6天后，所有没有矿物层的蚂蚁都死了。但有生物层护甲的蚂蚁死亡率只有50%。

另一项实验表明，这些蚂蚁外骨骼的硬度在含有生物矿物时比不含生物矿物时增加了两倍多。

矿物层还会随着蚂蚁年龄的增长而增大。年轻的蚂蚁倾向于照顾真菌园，不会面临被其他蚂蚁或捕食者攻击的高风险，所以并不需要它。当它们开始在真菌园之外的世界觅食时，矿物层会比年轻时更厚，李鸿杰说道。

伊利诺伊大学的昆虫学家Andrew Suarez表示，在昆虫外骨骼中发现这种类型的矿物非常令人兴奋，因为之前类似的矿物只在牙齿等更为孤立的特殊结构中发现过。

“这就像你的身体被(微小晶体组成的)牙釉质覆盖一样，”Suarez说，他并未参与这项研究。

“我很喜欢这篇论文，因为它发现了一些新的东西，昆虫的生物矿化骨骼，”哈佛大学的生物专家Andrew Knoll说道。

“很多节肢动物的外骨骼都是由碳酸钙构成的，比如螃蟹、龙虾和已经灭绝的三叶虫，但这种结构扩展到完全的陆地昆虫中真的让人觉得很有趣。”

未被发现的盔甲

科学家们还表示，这类生物晶体在未来可能会在制造业中得到应用，比如涂层或能够增强各种材料强度或防止腐蚀的纳米晶体的制造。

目前的重点是了解这些矿物质在蚂蚁身上所发挥的作用，并观察它们身上是否还有其他尚未发现的盔甲和生物矿物。

Currie认为这是有可能的。“如果你不了解这个物种的生物组成，这对99.9%很少或根本没有得到研究的昆虫来说意味着什么呢?”

（译者：陌上花开）

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