Od pszczół w kosmosie po żywe czujniki: jak odczytujemy stres w kolonii

Pierwszy kosmiczny ul: eksperyment NASA z 1984 roku

W 1984 roku NASA wysłała w kosmos niewielką kolonię pszczół miodnych. Moduł B.E.M. (Bee Enclosure Module), pierwszy tego typu „kosmiczny ul”, pozwolił sprawdzić, czy owady społeczne potrafią funkcjonować w mikrograwitacji (stanie nieważkości). Celem badania było zrozumienie, jak pszczoły miodne przeżywają i zachowują się w takich warunkach oraz czy potrafią budować plastry w środowisku pozbawionym grawitacji.

Podczas misji STS-41-C prom Challenger przewoził B.E.M. – mały, przezroczysty ul z trzema ramkami i jedną ścianką z pleksiglasu, dzięki której astronauci mogli obserwować kolonię. W skład kolonii wchodziło około 3500 robotnic i jedna matka. Drugi, identyczny moduł z analogiczną kolonią pozostał na Ziemi jako grupa kontrolna. Został on poddany symulowanym warunkom startu promu w wirówce, aby naukowcy mogli porównać pszczoły, które spędziły siedem dni na orbicie, z tymi, które pozostały w warunkach ziemskiej grawitacji [1].

Co stało się z pszczołami miodnymi w mikrograwitacji

Na Ziemi pszczoły przez całe życie otrzymują jedną stałą informację: w którym kierunku działa grawitacja. Wykorzystują ją do orientacji w przestrzeni i budowania plastrów w charakterystycznym, sześciokątnym układzie. Co zatem stało się, gdy ta informacja zniknęła?

„Kosmiczne pszczoły” były zdezorientowane podczas prób lotu i zderzały się ze ściankami oraz ze sobą nawzajem. Mimo to, po około czterech dniach niektóre z nich nauczyły się poruszać i przestały uderzać w przeszkody. Kolonia również funkcjonowała dalej. Robotnice budowały plastry porównywalne z tymi w kolonii na Ziemi, z jedną różnicą w nachyleniu komórek. Wskazuje to wyraźnie na rolę grawitacji jako punktu odniesienia przy budowie plastrów. „Kosmiczna matka” złożyła na orbicie około 35 jaj. Niestety, żadne z nich nie przeżyło po powrocie na Ziemię, a przyczyna tego zjawiska nigdy nie została ustalona.

Być może najciekawsza obserwacja miała miejsce na Ziemi. W grupie „kosmicznej” znaleziono około 120 martwych pszczół, podczas gdy w grupie ziemskiej było ich prawie trzy razy więcej, bo około 350. Naukowcy zwrócili uwagę na różnice w strukturze wiekowej obu kolonii, więc nie można tego odczytywać po prostu jako efektu lotu. Jest to jednak dobry przykład tego, jak trudno interpretować dane z systemów żywych i dlaczego potrzebujemy rzetelnych, ciągłych pomiarów zamiast sporadycznych obserwacji.

Mimo upływu lat eksperyment pozostaje interesujący z dwóch powodów. Jest to wciąż jedno z niewielu bezpośrednich badań kolonii pszczół miodnych w kosmosie. Stawia też pytanie, na które wciąż nie ma pełnej odpowiedzi: czy kolonia może nie tylko przetrwać, ale i rozmnażać się w warunkach drastycznie odmiennych od tych, do których przygotowała ją ewolucja?

Kolonia pszczół jako superorganizm

Pojedyncza pszczoła jest niepozorna. Kolonia natomiast to system dziesiątek tysięcy osobników, które jako całość reagują na zmiany. Kolonia nie posiada centralnego „mózgu”. Decyzje, takie jak wybór miejsca na gniazdo [2], zmiana tempa zbieractwa czy reakcja na zagrożenie [3,4], wynikają z interakcji i komunikacji między robotnicami. Z tego powodu kolonię pszczół często opisuje się jako superorganizm – inteligentny system biologiczny, który monitoruje swój stan i dostosowuje zachowanie do warunków zewnętrznych.

Dzięki temu kolonia nieustannie „rozmawia” na kilku kanałach jednocześnie. Jej dźwięk zmienia się wraz z aktywnością, temperaturą, przygotowaniami do rojenia czy utratą matki. Pszczelarze często rozpoznają charakterystyczny dźwięk kolonii, która straciła matkę, lub matki komunikującej się z robotnicami. Poprzez wibracje plastrów podczas dobrze opisanego tańca wywijanego, zwiadowczynie przekazują kierunek i odległość do źródła pokarmu. Za pomocą sygnałów chemicznych, takich jak feromony matki i alarmowe czy zapach czerwiu i pokarmu, pszczoły koordynują życie kolonii.

Pszczoły jako żywe czujniki

Dla badacza wszystkie te sygnały to ogromna szansa. Gdy zmienne wewnątrz ula są mierzone w sposób ciągły i nieinwazyjny, kolonia staje się źródłem danych – zarówno o sobie samej, jak i o środowisku, w którym żyje. Mówi nam znacznie więcej niż sporadyczne przeglądy. W tym sensie pszczoły działają jak żywe czujniki swojego otoczenia.

W Apisense wyszliśmy z założenia, że zrozumienie reakcji kolonii na stres nie wymaga wysyłania jej w kosmos. Wystarczy uważnie słuchać sygnałów biologicznych, które wysyła kolonia, i poprawnie je interpretować. Jak zmienia się temperatura w trakcie sezonu? Czy pszczoły zachowują się inaczej podczas fal upałów? Co dzieje się z poziomem LZO, gdy w pasiece pojawia się szerszeń? Zbieramy takie dane z około 3000 uli na całym świecie, a dedykowane modele są trenowane do rozpoznawania różnych problemów poprzez analizę wzorców. System działa, ale jego dokładność silnie zależy od tego, jak dużo mamy jasno opisanych danych. Mówiąc prościej: im więcej danych, tym lepszy system.

Hipergrawitacja: matki pszczele w wirówce

Kolejny eksperyment związany z kosmosem przeprowadzono w 2019 roku na wirówce w Wojskowym Instytucie Medycyny Lotniczej w Warszawie. W badaniu, którego współautorem był jeden z nas [5], matki pszczele wraz z obstawą zostały poddane profilowi przyspieszenia startującej rakiety. Po eksperymencie wszystkie matki z grup testowych i kontrolnych przeniesiono do pasieki doświadczalnej w celu dalszej obserwacji.

Wyniki są ostrożne, ale intrygujące. Po przyspieszeniu składanie jaj przez matki testowe rozbiegło się w dwóch kierunkach: niektóre składały ich więcej, inne mniej, podczas gdy matki kontrolne utrzymały podobne tempo. W koloniach testowych czerwie trutowy pojawił się wcześniej i w większej ilości, co może wskazywać na problemy z przechowywanym nasieniem. Zimowanie kolonii nie zostało zakłócone.

Przyspieszenie to jasno określony bodziec stresowy, a reakcję na niego można śledzić w sygnałach kolonii. Pomiary sygnałów wewnątrz ula podczas takiego eksperymentu mogłyby pokazać, które zmienne są najbardziej dotknięte, gdy pszczoły miodne są wystawione na ekstremalne warunki. Znając to, moglibyśmy lepiej interpretować dane z innych kolonii. Podobnie jak w 1984 roku, pytanie brzmi nie tylko, ile pszczół przeżyło, ale jak kolonia jako system zareagowała i czy odzyskała równowagę.

Inteligencja biologiczna: odczytywanie stresu kolonii, zanim pojawią się objawy

Biological Intelligence to podejście, w którym sygnały wytwarzane przez żywy system traktuje się jako dane o jego stanie, zamiast polegać wyłącznie na czujnikach mierzących otoczenie. Czujniki to tylko ucho. Chodzi o to, by nauczyć się odczytywać to, co komunikuje sama kolonia: zmiany w dźwięku, wibracjach i zapachu, które wyprzedzają widoczne objawy problemów.

Dlaczego reakcja na stres jest tak cenna? Zdrowa kolonia ma swój własny „wzorzec reakcji”, czyli charakterystyczny sposób reagowania na zakłócenia i powracania do równowagi. Gdy kolonia jest osłabiona, chora lub ma niedobory zapasów, wzorzec ten może ulec zmianie: reakcja może być silniejsza, dłuższa lub bardziej chaotyczna. Porównując reakcje na kontrolowany stres, taki jak przyspieszenie w wirówce, z tym, co dzieje się w pasiekach podczas chłodów, upałów, działania pestycydów czy chorób, można trenować algorytmy tak, aby rozpoznawały wczesne oznaki zagrożenia.

Dlaczego zdrowie kolonii ma znaczenie dla rolnictwa

Dla branży AgTech ma to konkretne znaczenie. Pszczoły zapylają blisko trzy czwarte najważniejszych upraw spożywczych, przynajmniej w części [6], więc zdrowie pszczelich kolonii to także zdrowie łańcucha dostaw żywności. Monitorowanie oparte na sygnałach biologicznych może skrócić czas między pojawieniem się problemu a reakcją pszczelarza oraz ograniczyć liczbę niepotrzebnych inspekcji, które same w sobie stresują kolonię.

Z orbity z powrotem do ula: nasze kolejne kroki

Cztery dekady minęły od lotu Challengera, ale pytanie pozostaje to samo: jak żywy system radzi sobie, gdy znikają warunki, do których się przystosował? Różnica polega na tym, że dziś możemy na nie odpowiedzieć nie tylko poprzez liczenie martwych pszczół, ale poprzez ciągłe śledzenie sygnałów, za pomocą których kolonia komunikuje swój stan, adaptuje się i podejmuje decyzje.

Taki jest cel naszych badań w Apisense: zrozumieć, jak żywe systemy się komunikują, jak reagują i co zmienia się pod wpływem stresu. Kosmos to laboratorium graniczne, ale prawdziwym polem zastosowań pozostaje ul. Nasze kolejne kroki wynikają z tego założenia:

• Rozbudowa i opis naszego zbioru danych. Każdy dobrze udokumentowany przypadek upału, chłodu, choroby czy presji szerszeni z 3000 monitorowanych przez nas uli pomaga naszym modelom odróżnić normalną reakcję na stres od tej niebezpiecznej.
• Pomiar kolonii podczas kontrolowanego stresu, a nie tylko po nim. Rejestrowanie sygnałów wewnątrz ula podczas eksperymentów, takich jak użycie wirówki, pokazałoby, które zmienne reagują najpierw i jak szybko kolonia wraca do równowagi.
• Porównanie kontrolowanego stresu z rzeczywistymi pasiekami. Dopasowanie reakcji z eksperymentów do tego, co obserwujemy w terenie, da nam wzorce odniesienia dla zdrowych i osłabionych kolonii, co stanie się podstawą do wcześniejszego ostrzegania pszczelarzy.

I kto wie, może pewnego dnia nasze eksperymenty z wirówką pomogą w prawdziwej pozaziemskiej pasiece, zapylającej uprawy w marsjańskiej szklarni.

Bibliografia

1. Vandenberg, J.D.; Massie, D.R.; Shimanuki, H.; Peterson, J.R.; Poskevich, D.M. Survival, Behavior and Comb Construction by Honey Bees, Apis Mellifera, in Zero Gravity Aboard NASA Shuttle Mission STS-13. Apidologie 1985, 16, 369-384.
2. Perdriau, B.S.; Myerscough, M.R. Making Good Choices with Variable Information: A Stochastic Model for Nest-Site Selection by Honeybees. Biol. Lett. 2007, 3, 140-143, doi:10.1098/rsbl.2006.0599.
3. Russell, S.; Barron, A.B.; Harris, D. Dynamic Modelling of Honey Bee (Apis Mellifera) Colony Growth and Failure. Ecol. Modell. 2013, 265, 158-169, doi:10.1016/j.ecolmodel.2013.06.005.
4. Khoury, D.S.; Barron, A.B.; Myerscough, M.R. Modelling Food and Population Dynamics in Honey Bee Colonies. PLoS One 2013, 8, 1-7.
5. Stasiowska, D.; Kolasa, M. Hypergravity Impact on Fertility of Apis Mellifera Carnica Queens - Case Study. Microgravity Sci. Technol. 2024, 36, doi:10.1007/s12217-024-10111-1.
6. FAO. Why Bees Matter. The Importance of Bees and Other Pollinators for Food and Agriculture. 2018.

‍