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蚂蚁应用抗生素比人类早五千万年
文/奇云
1、研究者发现蚂蚁和细菌的共生关系
蚂蚁是世界上三大“社会性昆虫”（蚂蚁、白蚁和蜜蜂）之一，看似弱不禁风，随时有丧命、灭种之虞，却是人类的“老前辈”。
在人类尚未出现的数千万年前，它们已经以十分进化的社会化生活型态，占据了广大的地表。从波罗的海沿岸捡到的嵌着蚂蚁遗骸的琥珀化石来看，蚂蚁至少有五千万年的历史，事实上它们的祖先可以追溯到1亿多年前的中生代。
随着环境和历史的变迁，躯体庞大的恐龙早已灭绝，而身躯细小的蚂蚁依靠集体的力量生存、繁衍，成为地球上数量最多、分布最广的生物。据估计，生活在地球上的蚂蚁应有两万种以上，目前已命名的蚂蚁多达九千多种。
大自然的神奇正在于此，所谓“物竞天择，适者生存”，所有生物都在环境不断变化的道路上进行着进化竞赛，失败者注定被淘汰，而胜利者则可享受继续生存的权利。
这类人类的“小邻居”究竟有何特殊，竟能熬过这千万年来严苛的地球环境剧变，成为目前堪与人类相抗衡的地表优势物种之一？
2006年1月6日，美国著名的《科学》（Science）杂志发表了美国威斯康辛大学-麦迪逊分校细菌学家卡梅隆·柯里（Cameron R. Currie ）领导的一个国际性研究小组的论文。
研究者声称，研究发现了蚂蚁和细菌的共生关系：从五千万年前开始，以真菌为生的蚂蚁就进化出自己的抗生素，可以让它们类似于蘑菇的真菌作物不受病虫害侵袭。 这一发现， 或许会为蚂蚁家族兴旺发达提供一些佐证。
2、蚂蚁用自有“药品柜”向作物撒抗生素
研究者通过对一种名叫“真菌蚂蚁”（Attine）的蚂蚁身上的白色斑点进行研究，得出上述结论。这些蚂蚁将近200种。不同的“真菌蚂蚁”依靠种植不同的真菌类蘑菇来作为唯一的食物来源。所以这些蚂蚁费很大心思来照顾它们的“蘑菇园”，包括利用各种植物、种子及幼虫粪便来施肥。
卡梅隆·柯里研究小组利用扫瞄电子显微镜仔细研究几种“真菌蚂蚁”（Attine），发现这些蚂蚁的嘴巴和前肢上隐藏着许多细小的腺窝，里面充斥着一种能产生抗生素的细菌。这些腺窝有一些细小的孔通向蚂蚁身体外部，这样它们就可以将抗生素传播给作物。抗生素可以杀死会使作物生病的寄生虫，从而确保它们主人的食物来源不受破坏。而通过这些特殊的腺体，这些细菌不仅从蚂蚁身上获取营养，也搭上了蚂蚁的顺风车。
研究者称，许多其他生物身上也有很多“共生者”。一些鲜艳的鱿鱼带有“会发光的”寄生菌（bioluminescent），有些植物身上也寄生着对抗害虫的寄生菌。但这种蚂蚁腺窝的特殊结构使得它们的这种共生关系更加精益求精。研究者发现，一些近缘的不种植真菌的蚂蚁身上则没有腺窝，也没有寄生菌。
3、让人类拍案惊奇的“农业专家”
美国的《科学》杂志在此之前还报道了对“蚂蚁农业”进行研究的结果。研究表明，蚂蚁拥有比人类更悠久的“农耕”经验。蚂蚁从事农业已有五千万年的历史，这比人类从事农业才一万年的历史要长得多了。
蚂蚁的农作物是类似于蘑菇的真菌，在蚁穴中培育。科学家一共发现了553种蚂蚁种植的真菌。和人类种庄稼一样，蚂蚁也懂得施肥，肥料是它们自己的排泄物。蚂蚁也懂得“除草”，它们不仅会将与真菌作物竞争的其他野生菌类的孢子拣出来搬走，而且竟会利用自身制造的抗生素作为“农药”，以抑制有害的野生菌类生长。
科学家们研究了中美洲热带丛林中的切叶蚁（Acromyrmex echinatior）的生活习性，发现大约有百分之十五的热带森林中植物的叶子被切叶蚁搬入蚁穴中作为培育蘑菇的原料。蚁穴通常极大，深入地下几米深，部分成没有数小室，宛如迷宫。
科学家曾发现一个修筑了6年之久的蚁穴，有1920个小蚁室，挖掉了40吨泥土才建成，内住4.4万只蚂蚁。估计这群蚁咬掉附近的叶子有6吨之多。
切叶蚁因其可以切割树叶而得名，人们也曾错误地认为切割下的树叶就是它们的食物，但其实它们食物获得的过程要复杂得多，切割树叶只是第一步。
切叶蚁与其它蚁类一样，也是社会分工极强的群居动物。在这其中，强壮的工蚁负责切割树叶；工蚁通过尾部的快速震动使牙齿产生电锯般的切割力，将叶子切成小块，而后将切好的叶片背回它们的地下“宫殿”。
树叶运回蚁穴后，由园丁蚁负责后续的育菇工作。树叶要经过园丁蚁的清洁和整理，而后被一排排紧凑地堆砌起来，固定在适宜的位置。随后，园丁蚁将自身的分泌物涂抹在叶片上，这些分泌物富含多种酶类，能将叶片鞣化；使其表面形成粘液层。粘液层中富含多种营养物质，是天然的培养基，园丁蚁再在其上“播种”少量自己培育的真菌。
接下来是菌丝的生长阶段，园丁蚁会将自己的粪便作为肥料喷洒在叶片上；菌丝的生长速度很快，蘑菇可能在几天内就会钻出叶浆，慢慢长大。蘑菇顶部会分泌出黏液，黏液中富含各种营养，切叶蚁会来到这里吸吮黏液；释放出表层黏液后，蘑菇顶部会慢慢变硬，那里则积聚了许多蛋白质，此时蛋白质就成为了切叶蚁的美食。
这就是切叶蚁“种”蘑菇的整个过程，它们一生唯一的食物就是这些真菌！
切叶蚁只种一种蘑菇，这相当于人类的单一作物制，虽然开始时产量高，但重复种几季以后很容易遭受虫害侵袭，人类是采用轮作不同作物来解决问题的。与切叶蚁同族的另一些品种的蚂蚁也采用轮作法，它们经常改换所培育的蘑菇菌种，有时还会驯化一些野生菌种。切叶蚁不进行轮作，原因是它们认定了一种特殊的菌种，具有膨胀的菌冠，极富营养。康乃尔大学和美国农业部的生物学家采用基因分析法，确定了切叶蚁所种的菌种源于两千三百万年前的单一菌株，从未换过品种，却能延续至今，秘密何在？
这个谜由多伦多大学一位名叫居里（Ｃ Ｒ Ｃurrie） 的博士研究生解开了。居里花费了三年时间，对包括切叶蚁在内的二十二种蚂蚁进行了仔细的观察。
他发现，为了使种下的真菌能快速生长，蚁穴内的环境是非常适宜菌类生长的，这也为其他杂菌的生长创造了有利的条件。在整个菌的种植过程中，切叶蚁主要面对两方面的困难，其一是怎样保证种下的真菌不被其他杂菌污染；其二就是在被众多菌类团团包围的环境中怎样保护自身不被细菌或真菌侵染。
为了避免环境中的杂菌污染种植的蘑菇，切叶蚁的嘴巴和前肢上进化出了许多细小的腺窝，腺窝中充斥着一种可以产生链酶素的寄生菌；这些腺窝有相应的细小孔道能通向切叶蚁身体外部，从而将链霉素分泌在菌丝周围。相关研究证明，不同地域的切叶蚁还会根据周围环境中有害病菌种类，自动调整所分泌的链霉素的有效成分。如果分泌的链霉素不能将杂菌杀死，切叶蚁会将被杂菌污染的蘑菇挑出，并将这些蘑菇背到远离蚁穴的地方丢弃。
切叶蚁虽然时刻被各类病原菌所包围，但令人惊讶的是它们身上竟然没有任何病菌存在。它们是如何保持如此高的清洁度的呢？原来，切叶蚁选择了与一种假诺卡氏菌属的细菌“共生”。这种细菌如盔甲般附着于切叶蚁的体表，一旦切叶蚁被病原体侵入，这层细菌铸成的盔甲就会分泌抗生素，从而帮助了蚂蚁抵抗入侵的病原体和霉菌。
雨林中运送叶片的切叶蚁大军
每当切叶蚁分群时，蚁后将蘑菇菌种含在口中，连同随身的会分泌链霉素的细菌带到新穴传种，所以切叶蚁的单一品种的蘑菇农场能延续至今，历千万年而不衰。
2017年发表于《英国皇家学会学报B》的一项研究中，研究人员分析了119种现代蚂蚁的DNA。它们来自不同的栖息地，有着不同的行为模式；有“低级”的植菌蚂蚁，也有“高级”的植菌蚂蚁。
“低级”的植菌蚂蚁仍然延续着祖先的农业模式，在相对简单的巢穴里种植野生的真菌。“高级”的植菌蚂蚁通常种植被驯化的真菌，它们的社会也惊人地复杂。
研究人员发现，最早的“蚂蚁农民”可能在大约6000万年前就出现在了南美洲潮湿的热带雨林中。但与先前的猜测相反的是，最早的“高级”植菌蚂蚁很可能生活在较干旱的草原地区。大约3000万年前，地球刚刚经历了一次气候变冷，导致许多地区的森林变成了草原，高级植菌蚂蚁就是这时候从其他真菌培植蚁中分化出来的。
史密森尼国家自然历史博物馆的昆虫学研究员泰德·舒尔茨（Ted Schultz）表示，更原始一些的植菌蚂蚁所种植的真菌能在野外生存，但只能生活在潮湿的环境中。这意味着，当蚂蚁所在的环境变得干燥时，它们种植的真菌虽然存活了下来，但只能生活在蚁穴中。由于这些真菌再也没有法与野生品种进行杂交，它们得以独立演化，成为最早的农作物。
低级的植菌蚂蚁的巢穴结构和社会构成通常都很简单。2007年，《社会性昆虫》（Insectes Sociaux）期刊上发表的一项研究分析了一种低级培植蚁（Mycetophylax simplex）的蚁穴结构和部落大小。研究统计了巴西南部两个地点的55个蚁穴。
蚂蚁巢穴简单纵面图
科学家在巴西境内挖掘出了一个可以生存数百万只蚂蚁的巨大蚁穴
这个庞大的蚂蚁地下之城有大量的大道、小径和菌圃，科学家认为这是世界上最大的蚂蚁巢穴之一。
这些蚁穴全部藏在地下，只有一个出入口。大多数蚁穴包含两个巢室，位于离入口4.0到32.5厘米的地下。巢室接近锥形，一个在上，一个在下。也有少数蚁穴有一个或三个巢室。一般来说，越深的巢室越大，并且同一个蚁穴中下方的巢室通常比上方的巢室更宽敞。用来种植真菌的菌圃都位于巢室的地上。一个蚁穴里平均有264只工蚁，最少也有67只，最多能到610只。
相比之下，高级真菌培植蚁的蚁穴深达数米，一个蚁穴中可包含数千个巢室，生活着几百万只蚂蚁。它们不仅照料苗圃，还非常注重维护自身和其他巢室的清洁，以免让真菌感染病害。此外，它们还能产生抗生素，保护菌圃不受寄生真菌或病原体的污染。
这些蚂蚁已经和真菌形成了相互依赖的关系——这些真菌没有法在蚁穴外独立生存，它们是蚂蚁幼虫唯一的食物来源，也是成年蚂蚁重要的营养来源。当没有其他食物来源时，菌圃里的真菌能满足蚂蚁最基本的营养需求。就连离开巢穴，去建立新部落的处女蚁后，也总会带上一点儿真菌。
4、“蚂蚁抗生素”有助研发新药
科学家对蚂蚁的研究已有一百多年的历史。蚂蚁的消化系统具有很强的杀菌能力，有人用菲律宾的一种姬蚁作实验，让它吃含霍乱菌的食物，9小时后将蚂蚁研碎，在显微镜下观察，未见有活霍乱菌存在。另一种大蚁食进斑疹伤寒立克次体后，从其排出的粪便中再也找不到活的立克次体。
可见，蚂蚁消化道中的消化液及蚁酸具有消毒杀菌作用，澳大利亚麦克利大学的贝蒂教授经过多年研究后宣称，蚂蚁之所以很少染病，是因为蚂蚁分泌的白蜡状物质中含有抗生素，可以有效地控制蚁群中的传染病。最新研究还证实，这种“蚂蚁抗生素”，可以帮助人体抵抗多种致病的微生物，在对付真菌感染和金黄色葡萄菌方面作用特别明显。
最让人惊讶的是，蚂蚁将抗生素作为一种耕种手段已经有五千万年的时间，而这项发现也提出了这样一个问题：这些抗生素在寄生虫体内并没有经过明显的抗性进化，为什么它们还能继续发挥作用呢？
众所周知，人类使用的抗生素自从五十年前被发明以来，由于长期滥用，许多抗生素的效果都受到抗药性的限制，目前在对抗疾病方面已变得不如当年那样有效。科学家目前也在研究新的抗生素，或设法更有效使用老的抗生素。如果蚂蚁已经进化出了解决这一问题的办法，其貌不扬的蚂蚁也许会对人类有所帮助。
更妙的是：人类所用的抗生素多次使用后会使病菌产生抗药性而导致药性减弱，但蚂蚁所用的抗生素却并未产生抗药性。这使得药物学家既羡又妒，因为对付抗药性是目前医药界急需解决的重大问题之一，专家们至今仍没有良策。卡梅隆·柯里研究小组的研究人员发现，蚂蚁身上的抗生素不但是蚂蚁赖以战胜自然环境的凭藉，亦是人体抗生素的主要来源，今后应可研发出新一代的抗生素，更有效地治愈人类的疾病。（全文终）
备注：本文主要参考本人发表在2006年2月8日出版的《北京科技报》第18版（整版）的文章《已有千万年的历史：蚂蚁利用抗生素胜过人类》。
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