Evolução das formigas militares ao longo do tempo

ilustração : Formiga soldado 

Como os ataques em massa icônicos das formigas de exército evoluíram

Os pesquisadores revelam que a expansão da colônia está subjacente à evolução do ataque em massa de formigas de exército

As formigas militares formam algumas das maiores sociedades de insetos do planeta. Eles são bastante famosos na cultura popular, principalmente em uma cena assustadora em Indiana Jones. Mas também são ecologicamente importantes. Eles vivem em colônias muito grandes e consomem grandes quantidades de artrópodes. E porque comem muito dos outros animais ao seu redor, eles são nômades e devem continuar se movendo para não ficar sem comida. Devido à sua natureza nômade e ao consumo em massa de alimentos, eles têm um grande impacto nas populações de artrópodes em todo o solo das florestas tropicais.

Seus ataques em massa são considerados o auge do comportamento coletivo de coleta de alimentos no reino animal. Os ataques são um enxame de caça coordenado de milhares e, em algumas espécies, milhões de formigas. As formigas saem espontaneamente de seu ninho, movendo-se em colunas pelo chão da floresta em busca de alimento. Os ataques são um dos comportamentos coletivos mais icônicos do reino animal. Os cientistas estudaram sua ecologia e observaram extensivamente seu comportamento complexo. E embora saibamos como esses ataques acontecem, não sabemos nada sobre como eles evoluíram.

Um novo estudo em Proceedings of the National Academy of Sciences liderado por Vikram Chandra, pesquisador de pós-doutorado, Harvard University, Asaf Gal, pós-doutorado, The Rockefeller University, e Daniel JC Kronauer, Stanley S. e Sydney R. Shuman Professor Associado, The Rockefeller University, combina reconstruções filogenéticas e análise comportamental computacional para mostrar que o ataque em massa de formigas de correição evoluiu de uma forma diferente de caça coordenada chamada ataque em grupo através dos efeitos de escala do aumento do tamanho da colônia.

Os pesquisadores descobriram que o estado ancestral dos ataques em massa das formigas-de-exército são os ataques de grupo de aparência bem diferente que seus parentes não-militares realizam. A evolução dos ataques em massa de ataques em grupo aconteceu dezenas de milhões de anos atrás e a transição de ataques em grupo para ataques em massa está perfeitamente correlacionada com um aumento maciço no tamanho da colônia.

"Todas essas formigas estão dentro da subfamília Dorylinae", disse Chandra. "As primeiras formigas doryline, que não eram formigas de exército, viviam em pequenas colônias de algumas centenas de trabalhadores. Quando as formigas de exército evoluíram seu comportamento de forrageamento de grupo para ataque em massa, elas também expandiram enormemente o tamanho de suas colônias. As colônias de formigas de exército agora têm dezenas de milhares - e muitas vezes milhões - de formigas. "

O Laboratório de Evolução Social e Comportamento de Kronauer na Universidade Rockefeller estuda a formiga invasora clonal Ooceraea biroi , uma parente de formigas- correição . As formigas raider clonais são quase as únicas espécies de formigas que podem ser mantidas em um laboratório e experimentadas indefinidamente. Eles também são geneticamente tratáveis, pois os pesquisadores podem fazer mutantes ou linhagens transgênicas para comparar. Mas também são mal compreendidos, pouco estudados e difíceis de encontrar na área. O ataque em massa de formigas de exército é bem estudado e descrito; no entanto, ataques em grupo não são. E entender os ataques em grupo é a chave para entender a trajetória evolucionária dos ataques em massa.

“Meu objetivo sempre foi estudar como o comportamento social evolui e é controlado, e como as formigas de correição evoluíram”, disse Kronauer. "Há alguns anos, descobrimos que a maneira como as formigas invasoras clonais se alimentam é por meio de invasões semelhantes às das formigas de correição."

Para entender como os ataques são estruturados e organizados, a equipe coletou um grande número de gravações de vídeo de muitas colônias invadindo sob condições controladas.

"Nosso objetivo era entender quais são as regras de comportamento subjacentes que as formigas seguem e como uma invasão emerge do comportamento de cada formiga", disse Gal. "Rastrear indivíduos em uma colônia densa é um desafio e não tem uma solução geralmente aplicável. Isso é especialmente verdadeiro para pequenas formigas que gostam de formar aglomerados densos, como formigas raider."

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Os pesquisadores superaram esse desafio usando um software de visão computacional customizado desenvolvido no laboratório chamado anTraX, que rastreou e identificou as formigas com base em pequenas marcas coloridas pintadas em seu abdômen e tórax. O método permitiu que eles coletassem trajetórias precisas para todas as formigas por várias semanas com o mínimo de esforço humano e sem a necessidade de câmeras caras de alta resolução.

Em um pequeno ninho de 25 formigas, eles usaram 5 conjuntos de cores e pintaram cada formiga com um conjunto único de cores. Os pesquisadores colocaram uma única pupa de formiga de fogo (a presa) na arena forrageira fora do ninho. O ninho envia um batedor para procurar comida. Assim que o escoteiro encontra a comida, ela traça uma trilha de feromônios de volta para casa. Dentro do ninho ela libera, o que os pesquisadores acreditam ser, um feromônio de recrutamento que atrai as formigas para ela. Eles saem do ninho e seguem seu rastro até a comida em um ataque em grupo.

Conforme os pesquisadores aumentaram o tamanho da colônia, o número de batedores enviados para forragem também aumentou e eles começaram a ver atividades de busca mais coordenadas. Esse mesmo comportamento é visto em formigas de correição, mas em uma escala de dezenas de milhares ou freqüentemente milhões de formigas, com um grande aumento no número de batedores.

"Nossa análise comportamental mostra que ataques em grupo têm estrutura estereotipada e que são conservados em Dorylinae. Como a transição de ataques em grupo para ataques em massa ao longo do tempo evolutivo está perfeitamente associada a aumentos massivos no tamanho da colônia, nos perguntamos se isso teria algo a ver com a transição no comportamento de invasão ", disse Chandra. "Escalamos gradualmente nossas colônias de 10 a 100 formigas e vimos esse aumento muito bom no comportamento de pesquisa coordenada conforme o tamanho da colônia aumenta."

"Nossos experimentos mostram que em colônias maiores, as formigas ficam mais sincronizadas em sua saída do formigueiro para explorar. Em outras palavras, quando uma formiga sai, as chances de que mais formigas a sigam são maiores em colônias grandes. Embora não possamos diretamente dizer muito sobre o mecanismo real subjacente a esta observação, sabemos de outros sistemas complexos que um aumento na sincronicidade é o resultado de feedbacks positivos mais fortes entre os indivíduos ", disse Gal. "No limite de tamanho das formigas de exército, isso resultará no que conhecemos como um ataque em massa."

Mas a semelhança com o comportamento da formiga de correição, visto que o tamanho da colônia aumentou, não se limitou à sincronização temporal. Os experimentos também mostraram que as formigas de correição e seus parentes seguem o mesmo conjunto de regras de comportamento na busca por alimento. Algumas formigas de exército deixam o ninho a princípio sem nenhuma trilha de feromônio do lado de fora. Eles hesitam e parecem vacilar, dar meia-volta e voltar correndo. Mas há formigas dentro do formigueiro que querem ir embora, então elas as empurram para fora ou tomam seu lugar. Como cada formiga que sai e retorna está deixando uma trilha de feromônios, o grupo está lentamente estendendo a trilha do formigueiro em rajadas. Essa 'festa de empurrar' é como as formigas-correição criam uma coluna de formigas que saem do ninho e viajam para muito longe. Conforme os pesquisadores expandiram o tamanho da colônia de formigas raider clonais, eles observaram o mesmo comportamento.

“É difícil ver nas pequenas colônias porque há muito poucas formigas”, disse Chandra. "Mas mostramos estatisticamente que isso realmente está acontecendo e temos casos em que é bastante dramático. Portanto, mesmo em pequenas colônias de formigas invasoras clonais, cada formiga parece estar seguindo regras muito semelhantes para o comportamento de busca em comparação com uma formiga de correição, embora pode não parecer à primeira vista. E conforme você aumenta o tamanho da colônia, as interações entre essas formigas levam a uma maior coordenação, você começa a ver "grupos de empurrar" mais óbvios e começa a realmente ver colunas espontâneas de formigas deixando o ninho. "

Para testar isso duplamente, a equipe fez experimentos com duas colônias de 5.000 operárias cada, o que é uma ordem de magnitude maior do que a vista em colônias naturais para esta espécie. Nesses estudos, os ataques exibiram todas as quatro características dos ataques em massa das formigas de correição: um grande número de formigas que participam do ataque, uma trilha bifurcada que permite às formigas de exército atacar várias fontes de presas, um recrutamento que acontece fora do ninho na frente de ataque, e um ataque iniciado espontaneamente.

Em colônias pequenas, essas regras se manifestam como ataques em grupo e, conforme o tamanho da colônia aumenta - experimentalmente ou ao longo do tempo evolutivo - essas regras dão origem a ataques em massa. A equipe concluiu que as expansões no tamanho da colônia nos ancestrais das formigas-correição são suficientes para causar a transição do comportamento de ataque em grupo para ataque em massa.

"Provavelmente o padrão mais comum é que o comportamento coletivo evolui por meio da seleção natural, agindo e ajustando as regras de interação que os animais individuais seguem", disse Kronauer. "Mas nosso estudo é um bom exemplo de um mecanismo diferente: os efeitos de escala associados ao tamanho do grupo podem fornecer resultados dramaticamente diferentes em termos de comportamento coletivo, mesmo que as regras individuais não mudem muito."

Gal concordou: "Claro, há muito se sabe que mudar o tamanho do grupo pode ter um efeito dramático no comportamento coletivo emergente. Isso foi demonstrado tanto teórica quanto experimentalmente. Agora mostramos que esse efeito também pode ser aproveitado pela evolução, e que o comportamento coletivo pode ser adaptado ao longo de escalas de tempo evolucionárias sem realmente modificar o comportamento dos indivíduos. "

Até onde se sabe, o comportamento coordenado de formigas raider clonais é um dos comportamentos sociais mais complexos que podem ser induzidos ou estudados em laboratório. Os autores estão atualmente trabalhando em um estudo detalhado de como as formigas individuais se comportam durante a invasão e como a estrutura da invasão responde à variação no ambiente e na composição da colônia.

“Suspeitamos que as formigas se especializem até certo ponto em tarefas específicas”, disse Chandra. "Provavelmente existe uma divisão de trabalho muito interessante e também uma comunicação claramente complexa - as formigas usam vários feromônios diferentes para falar entre si e para organizar o ataque. E há várias decisões que a colônia deve tomar no decorrer de o ataque. É um comportamento incrivelmente rico e há muitas perguntas que poderíamos fazer no futuro e estamos preparando as bases para isso. "

Fonte da história:

Materiais fornecidos pela Harvard University, Department of Organismic and Evolutionary Biology