Co mohou včely dělat?

Včely se nazývají superorganismy nejen proto, že jsou cool, ale také proto, že jedinci v jejich společenství fungují jako buňky mnohobuněčného organismu. Ve včelím superorganismu lze dokonce rozlišit tkáně a orgány – stejně jako u běžných zvířat, cizích radostem kolektivního života.

Včely jsou jedním z mála hmyzu, ke kterému má lidstvo dlouhodobý, vřelý vztah (obr. 1) [1]. Upřímně řečeno, důležitou roli zde sehrál med – jeden z nejkaloričtějších přírodních produktů. Existuje dokonce hypotéza, že právě tomuto dezertu vděčíme my, moderní lidé, za mozek, který spotřebovává energii. Naši předci se díky svým nástrojům naučili získávat med lépe než jiné opice a díky přijatým kaloriím si dokázali vyvinout větší mozek [2]. Nyní, když se naše mozky dostatečně vyvinuly, aby přemýšlely nad rámec jídla, díváme se na včely z více než jen utilitární perspektivy. Básníci obdivují pracovitost tohoto hmyzu a přírodovědci zase složitou strukturu společenstev, která některé druhy včel tvoří. Provázanost sociálního života úlu je taková, že se o něm často mluví jako o superorganismu.

kůže

Každý organismus má vnější vrstvu, která plní ochranné funkce: u bakterií a jednobuněčných eukaryot jsou to membrány a buněčné stěny, u mnohobuněčných živočichů je to kůže. Těžko si představit, že by něco podobného mohlo existovat v superorganismu složeném z desítek tisíc včel: ty se totiž vůči sobě volně pohybují, na rozdíl od buněk mnohobuněčného živého tvora. Přesto se ukazuje, že podobnou funkci mohou plnit i pro včelí společenství. bakterie žijící na stěnách úlu. Tyto mikroorganismy chrání obyvatele úlu a jejich zásoby před patogeny produkcí látek, které jsou pro ně toxické [3].

Smyslové orgány

“Oči” a “uši” úlu – Je skautské včely. Jak vědci nedávno zjistili, tuto funkci vykonávají určití členové komunity, kteří jsou obzvláště náchylní k hledání nových věcí. Zajímavé je, že skautské včely vyčnívají z řady i na genetické úrovni. V jejich mozku se liší aktivity některých genů spojených s přenosem nervových vzruchů prostřednictvím dopaminu, glutamátu a kyseliny γ-aminomáselné (GABA). Takže sloužit jako smyslové orgány pro nativní úl je osud určený na úrovni genů. Nicméně tím, že včely, které nepracují jako skauti, krmíte neurotransmitery nebo jejich předchůdci, můžete přinést jsou zvědavější a častěji létají při hledání potravy [4]. To se ale v přírodě samozřejmě neděje a povolání včely je dáno přirozenými hladinami neurotransmiterů.

Trávicí systém

Buňky trávicího systému, stejně jako všechny ostatní buňky těla, potřebují živiny. A tyto živiny kolem nich plují v hojnosti. Buňky trávicí soustavy však nespotřebovávají veškerou potravu, která se dostává do střev, ale spíše zajišťují rozklad a transport živin do krve pro výživu celého těla. Včely mají kromě svého „osobního“ trávicího systému – stejně jako ostatní mnohobuněční živočichové – speciální sekce (medové plodiny), které lze považovat za části „kolektivní žaludek“(v zahraniční literatuře se jim někdy říká – společenský žaludek) [5]. Tyto další „žaludky“ (obr. 2) vylučují speciální enzymy, které přeměňují nektar na med. Včely výsledný med samy nežerou, ale vyvracejí ho a přidávají do obecných zásob úlu. Díky takovým zásobám může kolonie přežít doby, kdy rostliny již vybledly. Jak běžné, tak „sociální“ žaludky včel obsahují speciální bakterie, které plní ochranné funkce. Mikrobiom osobních a „veřejných“ žaludků se liší [6]. To ostatně není překvapivé „Sociální“ žaludek je určen k produkci medu, ale ne pro jeho rozklad a transport živin do hemolymfy. A právě to dělá individuální trávicí systém včely. Proto se v „kolektivním“ a osobním žaludku liší podmínky (například pH), složení enzymů a soubory mikroorganismů.

Mezibuněčné interakce

Buňky mnohobuněčného organismu jsou neustále vedeny signály od sebe navzájem, aby nenarušily celkový plán struktury a práce. Jazykem buněčné komunikace jsou interakce ligand-receptor. Buňky na něm komunikují pomocí receptorů, které jsou připraveny spustit požadovaný proces v reakci na objevení se určitých molekul ligandu. Komunikační jazyk včel, které tvoří superorganismus – Je tanec. Včely pomocí pohybů osmičky předávají svým kolegům informaci o novém zdroji potravy (obr. 3). Směr je naznačen úhlem, pod kterým je osmička natočena ke směru slunce, délka tance udává vzdálenost a jeho intenzita udává bohatost nového zdroje potravy (cm. video níže)*. Tanec se nutně odehrává ve zvláštním kontextu – na „tanečním parketu“ uvnitř úlu. K podobnému rozpoznání stimulu v určitém kontextu dochází u mnohobuněčných organismů: například buňky imunitního systému dokážou rozpoznat antigeny pouze tehdy, když jsou spojeny s molekulami hlavního histokompatibilního komplexu. * — Článek “ vypráví o osobním a profesním životě Karla Frische, který rozluštil jazyk včelích tanců a za své etologické práce obdržel Nobelovu cenu.Tanec se včelami” [Pět].

V důležitých situacích, kdy je třeba učinit kolektivní rozhodnutí (například výběr místa pro nový úl), včelí komunita funguje jako jediná neuronová síť (obr. 4). V tom je rozdíl mezi superorganismem a běžnými mnohobuněčnými: v těle toho druhého se nikdo nebude ptát na názor svalové buňky nebo jaterní buňky, jak dál žít, a vývoj řešení je výsadou výhradně neuronů. Ve včelách rozhodují všichni členové komunity. Za prvé, skautské včely přinášejí signály, které „aktivují“ neuronovou síť o potenciálních umístěních úlů, která se jim líbí. Aktivační signál je stejná „osmička“, která slouží k označení nového zdroje potravy. Signály mohou přesvědčit ostatní včely, aby přiletěly na místo a také „hlasovaly“ pro” Taková vlna vzrušení prochází populací, ale může být zpomalena speciálními stop signály, které dávají včely, které jsou odpůrci určitého místa (například pokud preferují jiné). Hmyz vysílající signál stop udeří do hlavy včely tančící aktivační signál. V důsledku toho jsou vlny excitace procházející „včelí neuronovou sítí“ na některých místech blokovány. Rozhodnutí je učiněno, když intenzita signálů „pro“ určité místo dosáhne určité hranice [10].

Kmenové buňky

Buňky mnohobuněčného organismu se objevují jako výsledek dělení kmenových buněk a nové včely se objevují jako výsledek reprodukce královny a několika samců. Úl neustále potřebuje nové včely, protože jednoduché dělnice žijí asi měsíc. Královna má proto hodně práce: snáší několik tisíc vajec denně. Včela vyroste díky určité dietě v královnu – je krmena mateří kašička (neboli mateří kašička). Ve skutečnosti se jím krmí všechny larvy do tří dnů věku, ale poté už jen kandidátky na královnu. Složení mateří kašičky je komplexní: obsahuje cukry, aminokyseliny, bílkoviny a vitamíny. A to se zatím neví co přesně těchto složek je rozhodující pro vývoj včely v královnu. Víme ale, že k takové přeměně stačí ovlivnit epigenom – snížit úroveň metylace včelího genomu*. Pokud je pomocí RNA interference potlačena aktivita DNA metyltransferázy 3 u včel, promění se v matky, i když jsou krmeny jako jednoduché dělnice [11]. To znamená, že u budoucích dělnic je práce „královských“ genů potlačena metylací DNA v raných fázích vývoje. * — Zajímavé je, že včely byly prvním hmyzem, který objevil metylační systém, který plně odpovídá systému obratlovců. Zda jiný hmyz má podobný systém je stále kontroverzní [12]. Včelí královny se také liší od včelích dělnic na genetické úrovni.: Oba mají speciální sady genů, které fungují aktivněji. Zajímavé je, že podle bioinformatických studií prošly aktivní geny pracujících jedinců přísnější selekcí než aktivní geny královen. Síla genové selekce je určena porovnáním počtu synonymních a nesynonymních substitucí ve dvou variantách tohoto genu, které se nahromadily při divergenci sekvencí od společného předka. Pokud se synonymní substituce vyskytují častěji než nesynonymní, dochází ke stabilizační selekci, řízené pro uchování aktuální verze. Pokud se naopak častěji vyskytují nesynonymní substituce, znamená to, že je řízen výběr řízení pro změnu studovaný gen. Geny specifické pro včelí dělnice nebo matky byly s větší pravděpodobností předmětem řízené selekce než stabilizační selekce a tato selekce byla silnější u včelích dělnic. Včely dělnice se ale nereprodukují a nepředávají své geny, takže jejich genetický materiál ovlivňuje pouze jejich vlastní kvalitu práce. Ukazuje se, že v jistém smyslu je pro úl ještě důležitější než „kvalita práce“ královny [13].

Diferenciace

Buňky těla, oddělené od kmene, obvykle procházejí řadou stádií diferenciace, získávají specializaci. Podobnou cestou procházejí i včely. Pro začátek se včely rozdělí na královnu a všechny ostatní. Všichni tito ostatní začínají svou kariéru jako chůvy. Tato práce je relativně jednoduchá a bezpečná, protože ošetřovatelky včel nemusí opouštět úl. Chůvy krmí larvy a všemožně se o ně starají. V určitém okamžiku je čas, aby mladá včela opustila úl a začala shánět potravu. Tento moment „diferenciace“ je regulován feromony, které uvolňují dospělé včely dělnice. Pokud je takových feromonů hodně, znamená to, že je tam hodně včelích dělnic, takže mladá včela zatím nemusí spěchat, aby „dospěla“, ale pokračovala v bezpečnější práci jako chůva. Ale pokud z nějakého důvodu začne úl ztrácet mnoho dělnic (například jsou otráveny pesticidy), mladé včely zahájí programy dospívání předčasně. Takové „předčasně vyspělé“ včely častěji umírají během výprav za potravou, což zase stimuluje ještě mladší včely k produkci potravy [14]. Tato „řetězová reakce“ může být zodpovědná za záhadná úmrtí včelích úlů, kdy zjevně zdravá společenství s dobrými zásobami potravy náhle úplně vymřou. Včely dělnice mají různé specializace – některé preferují sběr pylu, jiné zase nektar. Ukazuje se, že tento rozdíl určuje i genetika: vědci nedávno zjistili, že specializaci včel ovlivňuje gen Vg (vitelogenin) [15]. Pokud je tento gen vypnutý, včela bude raději sbírat nektar než pyl [16]. Zajímalo by mě co vitelogenin je zodpovědný za vývoj vajíček, ale zároveň funguje nejen u matek, ale i u včelích dělnic. I když v tom druhém se jeho aktivita s věkem snižuje. Vědci naznačují, že tento gen se podílí na utváření celého souboru znaků spojených s rozmnožováním a péčí o potomstvo a že pokles jeho aktivity je zodpovědný za změnu z chůvy na práci mimo úl. Pravda, proč ovlivňuje i preferenci pylu či nektaru, není jasné.

Vývoj

Ne všechny druhy včel mají tak složitou sociální strukturu, aby se jejich společenstva dala nazvat superorganismy. Existují také druhy včel, které vedou samotářský způsob života, a včely s rudimentární socialitou, které tvoří společenstva pouze fakultativně. V naději, že najdou „geny společnosti“, vědci nedávno porovnávali genomy včel s různými úrovněmi sociálního vývoje. Porovnejte. a nenašli jediný genetický recept na socialitu. Včely, které vyvinuly progresivní společenstva, měly společné pouze komplikace genové regulace. To se očekávalo – vždyť k tomu, aby na základě jednoho genomu vznikaly včely s různými profesemi a také aby jedinci vedli složitý společenský život, je potřeba doladit práci genů. Ale sady genů, jejichž regulace se změnila, byly odlišné u včel, které si nezávisle vyvinuly složitou socialitu. Existuje tedy mnoho způsobů, jak vytvořit superorganismus [17]. I když se včely dostaly do vyspělé společnosti různými cestami, pak cesty k ní pro jiné organismy (například mravence nebo nahé krtonožky) byly určitě jiné. Kdo ví, jaká komplexní společenství příroda vytvoří za dalších pár set milionů let?

Literatura

DeWeerdt S. (2015). Beeline. Příroda. 521, S50–S51;
Crittenden A. (2011). Význam konzumace medu pro evoluci člověka. Jídlo a Foodways.19, 257-273;
Katsnelson A. (2015). Mikrobiom: Hádanka ve včelím střevě. Příroda. 521, S56;
Liang Zh., Nguyen T., Mattila H. R., Rodriguez-Zas S. L., Seeley T. D., Robinson G. E. (2012). Molekulární determinanty skautského chování u včel. Věda. 335, 1225-1228;
Gould J. (2015). Seznamte se s našimi hlavními opylovači. Příroda. 521, S48-S49;
Anderson KE, Sheehan TH, Eckholm BJ, Mott BM, DeGrandi-Hoffman G. (2011). Vznikající paradigma zdraví včelstva: mikrobiální rovnováha včely medonosné a úlu (Apis mellifera). Insectes Sociaux. 58, 431-444;
Tanec se včelami;
Co ovlivňuje intenzitu genetické rekombinace?;
Elementy: „Neurochemický základ vyhledávacího chování je podobný u včel a savců“;
Seeley TD, Visscher PK, Schlegel T, Hogan PM, Franks NR, Marshall JAR (2012). Stop signály poskytují křížovou inhibici v kolektivním rozhodování pomocí rojů včel. Věda. 335, 108-111;
Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. (2008). Nutriční kontrola reprodukčního stavu u včel prostřednictvím metylace DNA. Věda. 319, 1827-1830;
Wang Y. Jorda M., Jones PL, Maleszka R., Ling X., Robertson HM et al. (2006). Funkční CpG metylační systém u sociálního hmyzu. Věda. 314, 645-647;
http://biomolecula.ru#;
http://biomolecula.ru#;
Elementy: „Byl identifikován gen regulující dělbu práce u včel“;
Nelson CM, Ihle KE, Fondrk MK, Page RE Jr., Amdam GV (2007). Gen vitelogenin má četné koordinační účinky na sociální organizaci. PLoS Biol. 5 (3), e62. dva: 10.1371/journal.pbio.0050062;
Na cestě do vyspělé společnosti včely překonávaly různé genetické trny.