Os pesquisadores revelam que a expansão da colônia está subjacente à evolução de ataques maciços de formigas de exército

Suas incursões maciças são consideradas o auge do comportamento alimentar coletivo no reino animal. Os ataques são um enxame de caça coordenado de milhares e, em algumas espécies, milhões de formigas. As formigas emergem espontaneamente de seu ninho, movendo-se pelo chão da floresta em colunas em busca de alimento. As incursões 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 procedimentos da Academia Nacional de Ciências Liderado por Vikram Chandra, pesquisador de pós-doutorado, Harvard University, Asaf Gal, pós-doutorado, Rockefeller University, e Daniel JC Kronauer, Stanley S. Professor Associate e Sydney R. Shuman, Rockefeller University, combina reconstruções filogenéticas e análise comportamental computacional para mostrar que Massive Os ataques de formigas de correição evoluíram de uma forma diferente de caça coordenada, chamada de ataque em grupo, por meio dos efeitos de escala do aumento do tamanho da colônia.

Os pesquisadores descobriram que o estado ancestral dos ataques em massa por formigas militares são os ataques de grupo de aparência um tanto diferente realizados por seus parentes formigas não militares. A evolução dos ataques em massa de ataques em grupo ocorreu 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 pertencem à subfamília Dorylinae”, disse Chandra. “As primeiras formigas doryline, que não eram formigas armadas, viviam em pequenas colônias de algumas centenas de trabalhadores. À medida que as formigas armadas desenvolveram seu comportamento de forrageamento em grupo em incursões maciças, elas também expandiram maciçamente o tamanho de suas colônias. dezenas de milhares, e muitas vezes milhões, de formigas. “

O Laboratório de Evolução Social e Comportamento da Kronauer na Universidade Rockefeller estuda a formiga invasora clonal Ooceraea biroi, um parente de formigas de exército. As formigas invasoras clonais são quase as únicas espécies de formigas que podem ser mantidas em um laboratório e experimentadas indefinidamente. Eles também são geneticamente gerenciáveis, no sentido de que os pesquisadores podem fazer mutantes ou linhagens transgênicas para comparar. Mas também são mal compreendidos, mal estudados e difíceis de encontrar no campo. A incursão maciça de formigas armadas é bem estudada e descrita; no entanto, as invasões de grupo não são. E entender os ataques em grupo é a chave para entender a trajetória evolutiva dos ataques em massa.

“Meu objetivo sempre foi estudar como o comportamento social evolui e é controlado, e como as formigas armadas evoluíram”, disse Kronauer. “Alguns anos atrás, descobrimos que a maneira como as formigas invasoras clonais se alimentam é por meio de incursões semelhantes às de formigas armadas.”

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

“Nosso objetivo era entender quais são as regras básicas de comportamento que as formigas seguem e como o comportamento de cada formiga surge”, disse Gal. “Rastrear indivíduos em uma colônia densa é desafiador e não tem uma solução geralmente aplicável. Isso é especialmente verdadeiro para pequenas formigas que gostam de formar grupos densos como formigas invasoras.”

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 ao longo de 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 vermelha (a presa) na areia forrageira fora do ninho. O ninho envia um batedor para procurar comida. Assim que a escuteira encontra a comida, ela deixa um rastro de feromônios no caminho de casa. Dentro do ninho, ele libera o que os pesquisadores acreditam ser um feromônio de recrutamento que atrai formigas para ele. Eles saem do ninho e seguem sua trilha até a comida em uma incursão em grupo.

Conforme os pesquisadores aumentaram o tamanho da colônia, o número de batedores enviados em busca de comida também aumentou e eles começaram a ver atividades de busca mais coordenadas. Esse mesmo comportamento é visto em formigas armadas, 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 os ataques em grupo têm uma estrutura estereotipada e são conservados em Dorylinae. Como a transição de ataques em grupo para ataques massivos ao longo do tempo evolutivo está perfeitamente associada a aumentos maciços de tamanho das colônias, nos perguntamos se isso teria algo a ver fazer com a transição no comportamento de agressão “, disse Chandra. “Escalamos nossas colônias gradualmente de 10 para 100 formigas e vimos esse aumento muito bom no comportamento de busca coordenada conforme o tamanho da colônia aumentava.”

“Nossos experimentos mostram que em colônias maiores, as formigas estão mais sincronizadas quando saem do formigueiro para explorar. Em outras palavras, quando uma formiga sai, as chances de mais formigas segui-la são maiores em colônias grandes. Embora não possamos fazer isso diretamente diz muito sobre o mecanismo real subjacente a esta observação, sabemos de outros sistemas complexos que um aumento na sincronicidade é o resultado de um feedback positivo mais forte entre os indivíduos “, disse Gal. “No limite de tamanho da formiga-militar, isso resultará no que conhecemos como um ataque massivo.”

Mas a semelhança com o comportamento das formigas armadas visto com o aumento do tamanho da colônia não se limitou à sincronização de tempo. Os experimentos também mostraram que as formigas de fogo e seus parentes seguem o mesmo conjunto de regras de comportamento ao procurar comida. Algumas formigas-correição saem do ninho a princípio sem nenhum vestígio de feromônios do lado de fora. Hesitantes, eles saem e parecem hesitar, se virar e voltar correndo. Mas há formigas dentro do ninho que querem ir embora, então elas as empurram para fora ou tomam seu lugar. Como cada formiga que sai e volta está deixando um rastro de feromônios, o grupo vai lentamente espalhando o rastro do formigueiro em rajadas. Este ‘push party’ é como as formigas armadas criam uma coluna de formigas que deixam o formigueiro e viajam para muito longe. Conforme os pesquisadores expandiram o tamanho da colônia de formigas invasoras clonais, eles observaram o mesmo comportamento.

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

Para fazer um teste duplo, a equipe fez experimentos com duas colônias de 5.000 operárias cada, uma ordem de magnitude maior do que a observada em colônias naturais desta espécie. Nesses estudos, as incursões mostraram as quatro características das incursões maciças de formigas armadas: um grande número de formigas participando da incursão, uma via bifurcada que permite que formigas armadas ataquem fontes múltiplas de presas, um recrutamento que ocorre fora do ninho. na frente do ataque, e um ataque começou espontaneamente.

Em pequenas colônias, essas regras se manifestam como ataques em grupo e, à medida que o tamanho da colônia aumenta, tanto experimentalmente quanto durante o tempo evolutivo, essas regras dão origem a ataques massivos. A equipe concluiu que as expansões no tamanho da colônia nos ancestrais das formigas armadas são suficientes para ter causado a transição do comportamento de incursões em grupo para incursões 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 dar resultados dramaticamente diferentes em termos de comportamento coletivo, mesmo que as regras individuais não mudem muito.”

Gal concordou: “Claro, já se sabe há muito tempo que a mudança no tamanho do grupo pode ter um efeito dramático no comportamento coletivo emergente. Isso foi demonstrado tanto teórica quanto experimentalmente. Mostramos agora que esse efeito também pode ser aproveitado por evolução, e que o comportamento coletivo pode ser adaptado em escalas de tempo evolucionárias sem realmente modificar o comportamento dos indivíduos. “

Até onde se sabe, o comportamento coordenado de formigas invasoras 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 o curso da incursão e como a estrutura da incursão 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 está ocorrendo uma divisão de trabalho muito interessante e também há uma comunicação claramente complexa: as formigas usam vários feromônios diferentes para falar entre si e organizar o ataque. E há várias decisões que a colônia deve tomar durante o curso do ataque. É um comportamento incrivelmente rico e há muitas perguntas que poderíamos fazer no futuro e estamos preparando as bases para isso. “