Биологи обнаружили, что пчелы — мастера ферментации мира насекомых

Удивительные ферментационные способности целлофановых пчел

Целлофановые пчелы, научно известные как Colletes spp., – это удивительные существа, играющие жизненно важную роль в опылении. Недавно исследователи обнаружили, что микробиом этих пчел богат ферментативными бактериями, что делает их «мастерами пивоварения» в мире насекомых. Это невероятное открытие проливает свет на уникальные способы питания потомства этих пчел и может иметь значительные последствия для их здоровья и экосистем, в которых они живут.

Процесс ферментации у пчел-целлофанов

Исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Microbiology, показывает, что целлофановые пчелы создают жидкую пищу для своего потомства в своих подземных гнездах. В расплодных ячейках, где хранится эта пища, преобладают бактерии лактобациллы, известные своей ролью в ферментации таких продуктов, как йогурт, квашеная капуста и закваска. Высокая активность этих бактерий в пище целлофановых пчел позволяет предположить, что они обеспечивают необходимыми питательными веществами развивающихся личинок.

Пища целлофановых пчел также содержит более высокую биомассу бактерий, чем у других видов пчел. Об этом свидетельствует сильный ферментативный запах, исходящий из их расплодных ячеек. Эти микропивоварни с преобладанием лактобацилл в гнездах целлофановых пчел могут иметь решающее значение для их общего здоровья и благополучия.

Спонтанная ферментация и симбиоз у пчел-целлофанов

Интересно, что для создания своего уникального источника пищи целлофановые пчелы используют стратегию, известную как «спонтанная ферментация». Вместо того чтобы использовать специальные стартовые культуры, передаваемые из поколения в поколение, они полагаются на дикие штаммы бактерий лактобацилл, которые обычно встречаются в цветах. Это говорит о том, что симбиоз на основе ферментации может развиваться без одомашнивания, что позволяет этим пчелам создавать оптимальную среду для процветания бактерий.

Этот удивительный процесс заставил исследователей предположить, что целлофановые пчелы превратились из травоядных во всеядных. Хотя большинство из 20 000 известных видов пчел получают питание из нектара и пыльцы, целлофановые пчелы также получают пользу от важной роли лактобактерий в их рационе.

Важность изучения микробиомов насекомых

Открытие ферментативных возможностей целлофановых пчел подчеркивает необходимость дальнейшего изучения микробиомов насекомых. Насекомые играют важнейшую роль в экосистемах по всему миру, однако их микробиомы часто игнорируются в пользу более привычных животных, таких как птицы и млекопитающие.

Понимая сложные взаимодействия между микробами и их хозяевами-насекомыми, ученые могут получить ценные сведения о биологии этих важных существ и экосистемах, в которых они обитают. Эти знания могут помочь в работе по охране природы и обеспечить более глубокое понимание сложных взаимоотношений, существующих в мире природы.

Сотрудничество и поддержка исследования

Это новаторское исследование стало результатом совместных усилий ученых из различных институтов, включая Корнельский университет, Смитсоновский институт тропических исследований, Калифорнийский университет в Риверсайде, Университет штата Колорадо и Университет Аризоны. Финансовую поддержку исследованию оказали Национальный научный фонд, Министерство сельского хозяйства США и Фонд Саймонса.

Заключение

Замечательное открытие ферментативных микробиомов целлофановых пчел дает увлекательное представление об уникальной биологии этих важных опылителей. Используя бактерии лактобациллы в процессе, сходном с ферментацией в продуктах питания, эти пчелы превратились из травоядных во всеядных, получая пользу от богатого и разнообразного рациона, который поддерживает развитие их потомства. Это исследование подчеркивает необходимость дальнейшего изучения микробиомов насекомых для лучшего понимания их роли в экосистемах и их потенциального применения в различных областях,

University of California – Irvine

Пчёлки очень любят мёд

Пчелы и рамка с сотами из мастики (мастер-класс) Олька я

Мёд – какой может быть, как выбирать, как проверять, свойства и применение

Генетический переключатель делает глаза пчел маленькими, а трутней – большими

Гибель колоний медоносных пчел в США связана с клещами, экстремальной погодой, пестицидами

Разгадка тайны эволюции мозга медоносной пчелы

Медоносные пчелы – удивительные существа, со сложной социальной структурой и невероятными методами общения, такими как знаменитый «танец виляния». Недавнее исследование, проведенное учеными Токийского университета и Японской национальной организации по изучению сельского хозяйства и продовольствия (NARO), позволило глубже понять эволюцию мозга медоносных пчел, сравнив его с более примитивным мозгом пилильщиков. В этой статье мы обсудим результаты исследования, последствия для понимания эволюции мозга и потенциальное применение для изучения поведения других видов.

Важность клеток Кеньона и тел грибов

Клетки Кеньона (КК) – это тип нейронных клеток, обнаруженных в грибовидных телах мозга насекомых. Эти грибовидные тела отвечают за обучение, память и сенсорную интеграцию. В 2017 году исследователи обнаружили, что количество подтипов KC в мозге насекомых увеличивается по мере поведенческой диверсификации у насекомых порядка Hymenoptera. Однако эволюционный процесс, лежащий в основе развития этих подтипов, остался неизвестным.

Сравнение совок и медоносных пчел

Чтобы понять эволюцию подтипов КС, исследователи сравнили структуры мозга двух видов Hymenoptera: одиночной репной пилильщицы и социальной медоносной пчелы. У пилильщика один подтип КС, а у медоносной пчелы – три. Анализируя профили экспрессии генов подтипов KC у обоих видов, исследователи поставили перед собой цель раскрыть эволюционную связь между этими двумя видами насекомых.

Эволюционные пути подтипов KC

Удивительно, но каждый из трех подтипов KC у медоносной пчелы демонстрировал схожие профили экспрессии генов с единственным подтипом KC у пилильщика. Это указывает на то, что многочисленные подтипы КС у медоносных пчел произошли от одного многофункционального предкового подтипа КС в результате процесса функциональной сегрегации и специализации.

Связь поведения с функциями предковых КС

Для дальнейшего изучения общих предковых функций KC между пилильщиками и медоносными пчелами исследователи обучили пилильщиков ассоциировать запаховый стимул с вознаграждением, что похоже на обычный тест поведения медоносных пчел. Затем они манипулировали геном CaMKII в личинках пилильщиков, который связан с формированием долговременной памяти у медоносных пчел. Когда личинки пилильщиков превратились во взрослых особей, их способности к долговременной памяти были нарушены, что говорит об общей роли гена CaMKII у обоих видов.

Последствия для понимания эволюции мозга

Это исследование проливает свет на эволюционный процесс развития подтипов KC в мозге насекомых, давая ценное представление о сложностях функционирования мозга и поведения. Несмотря на значительные различия между мозгом насекомых и млекопитающих, существуют также общие функциональные и архитектурные особенности. Это исследование может способствовать лучшему пониманию эволюции высших функций мозга и поведения у более сложных животных, включая человека.

Будущие исследования и применение

В настоящее время исследователи заинтересованы в изучении эволюции подтипов КС, связанных с конкретными видами социального поведения, такими как танец виляния медоносной пчелы. Это поможет выяснить, применима ли модель, предложенная в данном исследовании, к эволюции других видов поведения, а также даст представление о нейронной основе социального поведения у насекомых, животных и людей.

Заключение

Исследование эволюции мозга медоносной пчелы позволило получить увлекательные сведения о развитии высших мозговых функций и поведения у насекомых порядка Hymenoptera. Сравнивая подтипы KC у медоносных пчел и пилильщиков, исследователи выявили процесс функциональной сегрегации и специализации от единого, многофункционального предкового подтипа KC. Такое понимание эволю ции мозга насекомых может внести вклад в наши знания о более сложных животных, что потенциально может привести к усовершенствованию их мозга. Поскольку исследователи продолжают изучать тонкости эволюции мозга медоносной пчелы и нейронные основы социального поведения, мы можем обнаружить дополнительные связи и приложения к изучению других видов. Эта новаторская работа не только расширяет наше понимание мира насекомых, но и открывает новые пути для изучения загадок функционирования мозга и поведения во всем животном мире.

University of Tokyo

Как пчёлы создают соты: биологические секреты

Медоносные пчёлы живут большими семьями, насчитывающими тысячи особей, и совместно трудятся над созданием и поддержанием сложной структуры — сот. Основная функция сотов — хранение мёда, пыльцы и выращивание потомства. Ячейки сот различаются по размеру: крупные предназначены для трутней (самцов), мелкие — для рабочих пчёл.




Рабочие пчёлы вырабатывают воск специальными восковыми железами, расположенными на нижней стороне брюшка. Воск выделяется в виде крошечных чешуек, которые пчёлы пережёвывают и формируют в соты при помощи мандибул. Воск — чрезвычайно энергозатратный материал: на производство одного килограмма воска требуется примерно восемь килограммов мёда.

Процесс создания мёда также уникален: пчёлы собирают нектар и перерабатывают его в мёд, используя собственные ферменты, которые расщепляют сложные сахара. После этого пчёлы помещают переработанный нектар в ячейки и активно машут крыльями, испаряя лишнюю влагу и превращая жидкость в густой мёд.

Поддержание порядка в улье — ещё одна важная задача. Рабочие пчёлы регулярно очищают соты от мусора, погибших или больных особей, а также регулируют температуру и влажность, обеспечивая оптимальные условия для развития потомства и сохранности запасов мёда.

Геометрия сот: идеальный баланс прочности и экономичности

Соты состоят из идеально правильных шестигранных ячеек, которые плотно прилегают друг к другу без промежутков. Именно шестиугольник обеспечивает оптимальное сочетание прочности и минимального расхода материала. Такая форма позволяет максимально эффективно использовать пространство, при этом минимизируя количество затрачиваемого воска.




Математически доказано, что шестиугольная форма сот — наиболее эффективный способ покрыть плоскость с минимальным периметром. Это утверждение, известное как «гипотеза о медовых сотах», было сформулировано ещё древнеримским учёным Марком Теренцием Варроном в 36 году до нашей эры, а окончательно доказано математиком Томасом Хейлсом в 1999 году.

Соты имеют и сложную трёхмерную геометрию: дно ячеек образовано тремя ромбовидными гранями, сходящимися под углами около 120 градусов. Несмотря на незначительные естественные отклонения от идеала, такая конструкция максимально устойчива и экономична.

Иногда пчёлы вынуждены строить неправильные ячейки (пяти- или семиугольные), чтобы соединить участки с разными размерами ячеек. Исследования показывают, что эти «нестандартные» решения не случайны, а служат эффективным способом решения пространственных задач без необходимости перестройки уже построенных ячеек.

Температура воска при строительстве сот также играет важную роль: оптимальный диапазон составляет примерно от 33,6 до 37,6 градусов по Цельсию. Пчёлы поддерживают эту температуру за счёт тепла собственных тел, что обеспечивает оптимальные физические свойства воска.

Пчелиные соты как вдохновение для инженерных решений

Уникальные свойства сот — высокая прочность, лёгкость и экономичность материала — вдохновляют инженеров и учёных на создание аналогичных конструкций в самых разных областях. Шестиугольная структура активно применяется в авиации, автомобилестроении, судостроении, строительстве мостов и зданий, а также в упаковочной промышленности и в акустических материалах для поглощения звука.




Современные технологии, такие как 3D-печать и компьютерное моделирование, позволяют создавать сложные сотоподобные структуры из композитных материалов, керамики и металлов. Эти разработки находят применение в литий-ионных аккумуляторах, солнечных батареях и суперконденсаторах благодаря высокой площади поверхности, низкой плотности и эффективной передаче энергии.

Исследования в области материаловедения показывают, что соты могут значительно повысить энергоэффективность и экологичность конструкций. Учёные работают над упрощением технологий производства, улучшением энергетических характеристик и снижением воздействия на окружающую среду.

Научные исследования архитектуры сот

Современные исследования раскрывают тонкости строительного поведения пчёл. Например, исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что пчёлы адаптируют наклон, размер и форму ячеек, эффективно используя неправильные формы в переходных зонах между участками с разными размерами ячеек. Это подчёркивает их способность постепенно изменять форму ячеек, не разрушая уже построенные структуры и экономя ресурсы.




Исторически известны исследования швейцарского энтомолога Франсуа Губера, который ещё 200 лет назад предположил, что пчёлы используют промежуточные ячейки для объединения сот. Даже Чарльз Дарвин восхищался пчелиными сотами, считая их образцом природной экономии и эффективности.

Образовательные возможности изучения сот

Исследование геометрии сот — прекрасная тема для образовательных проектов и экспериментов. Например, школьники могут на практике сравнить, насколько эффективно различные геометрические фигуры (круги, квадраты, треугольники и шестиугольники) заполняют пространство.




Такие эксперименты не только демонстрируют математические принципы, лежащие в основе сот, но и помогают понять биологическую и энергетическую эффективность природных решений.

Широкое распространение сотоподобных структур в природе

Шестиугольные структуры встречаются не только в ульях. Подобные формы можно найти в строении графена, панцирях черепах, крыльях стрекоз и многих других природных объектах. Эти примеры подтверждают универсальность и эффективность природных решений, которые продолжают вдохновлять на инновации в самых разных отраслях науки и техники.




Таким образом, пчелиные соты — это не просто жилище насекомых, а уникальный пример гениальности природы, который человечество успешно перенимает для решения сложных инженерных и научных задач.

Иерархия и специализация: основа пчелиного общества

Пчелиная семья представляет собой высокоорганизованное сообщество, жизнь которого подчинена строгим правилам иерархии и специализации. Это не хаотичное скопление насекомых, а сложная социальная система, где каждая особь играет определенную, жизненно важную роль. Структура улья специализирована и иерархична, что позволяет колонии функционировать как единый, слаженный организм.




Без четкого распределения обязанностей и подчинения общему порядку выживание семьи было бы невозможным. Именно эта внутренняя организация обеспечивает пчелам поразительную эффективность в сборе ресурсов, защите гнезда и воспроизводстве потомства. Каждая пчела с рождения принадлежит к определенной касте и выполняет функции, диктуемые потребностями колонии и ее собственным физиологическим состоянием.

Возрастная лестница задач: карьера рабочей пчелы

Наиболее ярко принципы организации труда проявляются в жизни рабочих пчел – самой многочисленной касты в улье. Их жизненный путь представляет собой последовательную смену различных видов деятельности, напрямую связанную с возрастом. Эта система, известная как возрастной полиэтизм, позволяет максимально эффективно использовать возможности каждой пчелы на разных этапах ее жизни. Молодые особи начинают свою «карьеру» с выполнения работ внутри улья, постепенно переходя к более сложным и рискованным задачам за его пределами по мере взросления. Такая система не является абсолютно жесткой; она обладает гибкостью и способна адаптироваться к изменяющимся условиям. Например, при резкой потере летных пчел более молодые особи могут раньше приступить к сбору нектара, или наоборот, при нехватке кормилиц старые пчелы могут вернуться к выкармливанию личинок.

Внутренние работы: молодость в сердце улья

Первые дни жизни рабочей пчелы проходят в самом центре гнезда. Только что вышедшая из ячейки, она еще слаба и не способна к сложным действиям. Ее первые обязанности – чистка ячеек, подготовка их для откладки яиц маткой или складирования меда и пыльцы. По мере созревания и развития специальных желез пчела переходит к следующим этапам. Она начинает участвовать в кормлении личинок, сначала более старших – кашицей из меда и перги, а затем и самых молодых – особым маточным молочком, вырабатываемым ее железами. В этот период пчелы также занимаются строительством и ремонтом сотов, используя воск, выделяемый их восковыми железами. Они принимают нектар от пчел-сборщиц, обрабатывают его и складируют в ячейки. Важной функцией молодых пчел является и уход за маткой – они кормят ее, чистят, обеспечивая всем необходимым для непрерывной кладки яиц. Кроме того, молодые особи участвуют в поддержании микроклимата в улье, вентилируя его взмахами крыльев для регулирования температуры и влажности.

Внешний мир: зрелость и риск

Примерно к середине своей жизни, когда восковые и кормовые железы начинают атрофироваться, рабочая пчела переходит к работам вне улья. Сначала это могут быть охранные функции – защита летка от врагов и пчел-воровок из других семей. Затем наступает самый ответственный и опасный период – сбор ресурсов. Пчелы становятся фуражирами: они вылетают из улья в поисках нектара, пыльцы, воды и прополиса. Эта работа требует не только физической выносливости, но и способности к навигации, запоминанию источников корма и передаче информации другим сборщицам с помощью сложных «танцев». Работа вне улья сопряжена с многочисленными опасностями – хищниками, непогодой, риском заблудиться. Именно поэтому на нее отправляются более старые пчелы, чей вклад во внутриульевые работы уже не так велик, а потенциальная потеря менее критична для семьи.

Разделение труда: ключ к эффективности колонии

Четкое разделение труда является краеугольным камнем успешного существования пчелиной колонии. Оно обеспечивает максимальную эффективность выполнения всех необходимых задач, от воспроизводства до обеспечения пропитанием и защиты. Каждая группа пчел, занятая определенным видом деятельности, вносит свой незаменимый вклад в общее благосостояние.




Наличие специалистов в каждой области – будь то уборка мусора, вентиляция гнезда, выкармливание расплода, строительство сотов или сбор нектара – позволяет выполнять все эти функции одновременно и с высоким качеством. Если бы каждая пчела пыталась делать все сразу, производительность резко упала бы, поставив под угрозу выживание всей семьи. Система специализации, основанная преимущественно на возрасте, но допускающая гибкость, является результатом миллионов лет эволюции и доказывает свою непревзойденную эффективность.

Особые роли: матка и трутни

Помимо огромной армии рабочих пчел, в улье присутствуют особи с совершенно особыми функциями, определяющими само существование и будущее колонии. Это матка и трутни.

Королева улья: источник жизни

Матка, или королева, является единственной полноценной самкой в семье, способной к воспроизводству потомства. Ее основная и практически единственная роль – откладка яиц, из которых развиваются все остальные члены колонии: рабочие пчелы, новые матки и трутни. В период активного медосбора плодовитая матка способна откладывать до 2000 яиц в сутки, что превышает ее собственный вес. Она постоянно окружена свитой рабочих пчел, которые кормят ее высокопитательным маточным молочком, чистят и ухаживают за ней, создавая оптимальные условия для кладки яиц. Матка выделяет особые феромоны («маточное вещество»), которые служат химическим сигналом, объединяющим семью, подавляющим развитие яичников у рабочих пчел и информирующим всех о ее присутствии и состоянии. Потеря матки – тяжелейший удар для семьи, ставящий под угрозу ее дальнейшее существование.

Трутни: краткая миссия продолжения рода

Трутни – это самцы пчел, развивающиеся из неоплодотворенных яиц. Их единственная функция в жизни колонии – спаривание с молодой маткой во время ее брачного вылета. У трутней отсутствуют приспособления для выполнения каких-либо работ в улье: у них нет жала для защиты, хоботка нужной длины для сбора нектара, корзиночек на лапках для сбора пыльцы или восковых желез для строительства сотов. Всю свою недолгую жизнь они проводят в ожидании вылета молодой матки, потребляя при этом значительное количество кормовых запасов, собранных рабочими пчелами. После спаривания, которое происходит в воздухе, трутень погибает. Тех же трутней, которым не удалось спариться, к осени или при наступлении бескормицы рабочие пчелы изгоняют из улья, так как они становятся ненужной обузой для семьи. Их краткая жизнь полностью подчинена задаче продолжения рода и обеспечения генетического разнообразия.