Жалят или нет? Как пчёлы организуют оборону

Междисциплинарная команда исследователей из Университетов Констанца и Инсбрука изучила, как пчёлы принимают решение ужалить и организуют коллективную защиту от хищников. Их исследование, опубликованное в BMC Biology, объединило поведенческие эксперименты с инновационным теоретическим моделированием на основе проективного моделирования. Оно показывает, что отдельные пчёлы решают, жалить или нет, на основе наличия и концентрации феромона тревоги. Учёные предполагают, что каждая пчела имеет изменчивую вероятность ужаления, определяемую как минимум двумя внутренними порогами концентрации феромона: для начала и для прекращения атаки. Вычислительное моделирование также показало, как несколько факторов среды, такие как частота атак хищников и их разнообразие, вероятно, повлияли на эволюцию феромонной коммуникации в защитном поведении медоносных пчёл.

Высокая концентрация феромона тревоги как сигнал "стоп"

При атаке на улей пчёлы колонии запускают скоординированную контратаку. Важным стимулом для начала преследования и ужалений является феромон тревоги, который пчёлы несут на своём жале. При атаке феромон распространяется либо активно — пчёлами-охранниками, либо автоматически при ужалении — мобилизованными "солдатами". Таким образом, он несёт информацию не только о наличии угрозы, но и о масштабе контратаки колонии. "Чем больше пчёл ужалило нарушителя, тем больше феромона тревоги было высвобождено с каждым ужалением и тем выше его локальная концентрация", — поясняет доктор Морган Нувьян, биолог из Констанца и соавтор исследования.

Наблюдая за индивидуальными реакциями западных медоносных пчёл (Apis mellifera) из трёх колоний на макет хищника с использованием разных концентраций натурального и синтетического феромона, учёные выявили, что агрессивность (вероятность ужаления) сначала растёт с увеличением концентрации феромона, достигает пика, но при высоких концентрациях снова падает до низкого уровня.

Впервые снижение агрессивности при высоких концентрациях феромона было продемонстрировано в контролируемых экспериментальных условиях. "Одна из возможных функций этого 'останавливающего' эффекта — избежать чрезмерного ужаления и ненужных жертв при атаке уже побеждённого нарушителя", — предполагает Нувьян.

"Суперорганизм" как единица эволюции

У социальных насекомых эволюционный отбор часто действует на уровне группы, а не отдельной особи. "Поскольку колония функционирует как единый 'суперорганизм', поведение отдельных особей можно понять только через коллективный результат, в который они вносят вклад", — отмечается в исследовании.

Для анализа результатов учёные использовали вычислительное моделирование на основе Проективного Моделирования — подхода, разработанного соавтором профессором Хансом Бригелем. В их агент-ориентированной модели каждый агент (пчела) имеет ограниченный набор воспринимаемых сигналов (концентрация феромона, сигнал об уходе хищника) и действий (жалить или не жалить). Ответы отдельных пчёл и правила взаимодействия между ними не предопределены, а "эволюционируют" в ходе многих циклов симуляции (поколений коллектива) с помощью подкрепления на групповом уровне: решения, полезные для коллектива в определённых условиях среды, усиливаются.

Проверка модели

Моделирование с разными параметрами позволило сделать прогнозы о влиянии факторов среды на защитное поведение:

• Колонии адаптируются к самому сильному хищнику в их окружении. Колонии, сталкивающиеся в основном со слабыми хищниками (мыши, жабы), с меньшей вероятностью будут жалить при высокой концентрации феромона, чем колонии, часто встречающие сильных хищников (медведи).
• Модель подтвердила гипотезу об эволюции высокой агрессивности "африканских пчёл" (подвид Apis mellifera). Симуляция предсказала, что популяции, страдающие от высокой частоты нападений и хищников, устойчивых к множественным ужалениям (например, медоеды), развивают более сильные защитные реакции.

Следующие шаги

"Следующим шагом будет сбор эмпирических данных от реальных пчёл в Африке для проверки результатов", — говорит Нувьян.

Ещё одно направление — моделирование более разнородной популяции пчёл, включающей как минимум два типа особей: охранников и рекрутов. "В текущей модели все пчёлы следовали одинаковому процессу принятия решений. Обучение модели с двумя разными типами агентов и сравнение с экспериментальными данными будет очень интересным", — добавляет профессор Томас Мюллер. В целом, подход высоко универсален и может быть применён к другим задачам и видам, предоставляя ценный новый инструмент для изучения эволюции коллективного поведения.