La evolución de las hormigas que abonan sus granjas subterraneas

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Así como las sociedades humanas contemporáneas dependen de la agricultura a gran escala, las hormigas cortadoras de hojas dependen de una relación larga y co-evolucionada con un hongo. Como humanos, podemos compartir algunas de las mismas reglas que rigen su relación. El investigador asociado de STRI, Jon Shik, observa cómo las hormigas cortadoras de hojas regresan a su nido, llevando trozos de hojas para fertilizar su jardín de hongos subterráneo. Foto por Sean Mattson.

Eres lo que comes: lecciones evolutivas de hormigas agrícolas en Panamá

por STRI

Imagínese millones de hormigas cortadoras de hojas desfilando por un bosque tropical. Impulsadas ​​por un antojo misterioso para los humanos, de repente suben por un enorme tronco de árbol. ¿Cómo saben exactamente qué especies de hojas cortar para su jardín subterráneo de hongos? Las hormigas no comen las hojas; se comen el hongo. Investigadores del Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales (STRI) en Panamá y la Universidad de Copenhague (UCPH) en Dinamarca, piensan que las decisiones de las hormigas sobre qué llevar al nido pueden ser impulsadas por las necesidades nutricionales de su cultivo de hongos. Presentan evidencia en la revista Nature Ecology and Evolution donde muestran que los hongos se vuelven más dependientes de las hormigas para satisfacer necesidades nutricionales cada vez más específicas a medida que se desarrollan las asociaciones.

Cuando los peregrinos llegaron a América, aprendieron de los grupos indígenas a plantar maíz, utilizando peces muertos como fertilizante. Compare ese sistema con un enorme campo de maíz industrial donde se aplica fertilizante líquido. El campo de maíz moderno produce más maíz, pero también requiere el uso a escala industrial de nutrientes específicos.

“Esto es lo que vemos a medida que estas hormigas agrícolas evolucionaron”, comentó Jonathan Shik, ex becario postdoctoral en el laboratorio del científico Bill Wcislo en STRI y ahora profesor asistente en UCPH. “Las hormigas Atta desarrollaron enormes granjas agroindustriales. Tienen colonias gigantes con millones de trabajadoras. Pero tienen cerebros minúsculos y ningún cultivo detectable, por lo que la gran pregunta es “¿Cómo saben exactamente lo que necesita su cultivo?”

Los humanos domesticaron plantas silvestres por primera vez hace unos 10,000 años. Las hormigas attini son agricultoras con más experiencia: domesticaron hongos por primera vez hace casi 60 millones de años. Hoy en día, existe una sorprendente diversidad de prácticas agrícolas entre las más de 250 especies de este grupo de hormigas. Todas las etapas evolutivas de la domesticación de cultivos de hormigas se pueden encontrar en 20 metros cuadrados (aproximadamente 66 pies cuadrados) de hojarasca de bosque tropical en Panamá.

“Incluso las especies más primitivas de hormigas attini navegan en un entorno forestal complejo”, comentó Shik. “Pasan por muchos recursos para recoger una pequeña pieza de excremento de insectos que es exactamente lo que estaban buscando. Lo llevan de regreso al nido y lo usan para hacer crecer un hongo”.

“Eres lo que comes” señala la importancia de las opciones dietéticas y las compensaciones involucradas.

“Una de las cosas que impulsa la epidemia de obesidad humana es que tenemos una constante hambre por carbohidratos y no podemos controlarnos cuando estamos cerca de grasas y azúcares”, comentó Shik. “Pero una idea alternativa llamada ‘hipótesis del apalancamiento de proteínas’ es que los humanos tienen un objetivo de ingesta de proteínas, que es bastante alto ya que nuestros antepasados ​​evolucionaron comiendo muchas más proteínas de las que comemos hoy. Comemos carbohidratos en exceso porque estamos hambrientos de proteínas. Y solo dejamos de comer cuando obtenemos suficiente proteína. Mis hormigas también son muy sensibles a la cantidad de proteína que recolectan”.

Shik y sus colegas idearon experimentos para probar si la capacidad de las hormigas para enfocarse en las necesidades de sus cultivos cambió a medida que evolucionaron de la cría primitiva de hongos a la avanzada.

Primero, recolectaron colonias de atinos, aislaron los cultivares de hongos de estas colonias en placas de Petri y realizaron una serie de experimentos nutricionales. Tal como sospechaban, los hongos de los nidos de hormigas más co-evolucionadas tenían necesidades nutricionales más específicas.

Luego, Shik y sus asistentes probaron la idea de que las hormigas satisfacen las necesidades nutricionales del hongo. Pasaron un tiempo acampados en el suelo del bosque usando pinzas para robar los alimentos que diferentes especies de hormigas llevaban a sus nidos.

“Como joven investigador panameño, esta fue una experiencia increíble”, comentó el coautor Ernesto Gómez, “La cantidad de datos tomados sobre estas especies de hormigas mientras permanecíamos en el suelo del bosque durante más de 100 horas no tiene precedentes. Otra sorpresa fue la aparición de un cuerpo fructífero de hongos recolectado del nido de una hormiga primitiva que cultiva hongos que apareció después de que la placa de Petri se dejó en el laboratorio durante más de seis meses”.

Las hormigas son brillantes para detectar nutrientes basándose en los receptores del gusto en sus partes bucales. Como becario postdoctoral Marie Skłodowska Curie con el investigador asociado de STRI y el profesor Jacobus Boomsma de la UCPH en Dinamarca, Shik y sus colegas ofrecieron a las hormigas en colonias cautivas dietas sintéticas con varias mezclas de nutrientes. Cuando ofrecían una mezcla que tenía demasiada proteína y muy pocos carbohidratos, las hormigas se morían de hambre para evitar la recolección excesiva de proteínas. Las hormigas cortadoras de hojas son muy buenas para regular la ingesta de proteínas porque las proteínas a menudo son tóxicas para los hongos. Si las hormigas traen demasiada proteína al jardín, el hongo muere.

“Si se fuerza a alimentar a los hongos fuera de sus requisitos nutricionales, mueren”, comentó Shik. “Los agricultores humanos aprendieron exactamente cuál es el nicho nutricional fundamental del maíz y pueden enfocarse en esto usando fertilizantes específicos. Las hormigas parecen saber lo mismo y sobreviven satisfaciendo las necesidades nutricionales de sus cultivos de hongos”.

Las hormigas cortadoras de hojas pueden cosechar un poco más de proteínas que sus ancestros primitivos. Su cultivo de hongos es más resistente a los niveles de proteína fluctuantes. Eso puede permitirles ampliar sus granjas.

“Paralelamente a la evolución cultural humana, donde los agricultores y sus cultivos se han vuelto cada vez más co-dependientes, también lo han hecho las hormigas y su cultivo de hongos, destacando el hecho de que los sistemas agrícolas seleccionados naturalmente tienen el potencial de arrojar luz sobre los principios de sostenibilidad nutricional para una agricultura humana culturalmente evolucionada”, comentó Wcislo.

El Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales, en ciudad de Panamá, Panamá, es una unidad de la Institución Smithsonian. El Instituto promueve la comprensión de la naturaleza tropical y su importancia para el bienestar de la humanidad, capacita estudiantes para llevar a cabo investigaciones en los trópicos, y fomenta la conservación mediante la concienciación pública sobre la belleza e importancia de los ecosistemas tropicales.

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Referencia: Shik, J.Z., Kooij, P.W., Donoso, D.A., et al. 2020. Nutritional niches reveal fundamental domestication tradeoffs in fungus-farming ants. Nature Ecology and Evolution doi:

Los autores de este estudio están afiliados a STRI, la Universidad de Copenhague, la Escuela Politécnica Nacional de Ecuador, la Universidad de St. John y el Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals (CREAF), Barcelona.

 

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