Пчелиный метаорганизм и его обычный год

В современной биологии считается, что семья медоносной пчелы (лат. Apis mellifera) живёт как единый организм. А если пересчитать все нейроны всех пчёл в улье, то получится от 30 до 60 миллиардов. Для сравнения, у человека около 86 миллиардов. Так что некоторые учёные рассматривают улей как нейросеть или метаразум.

Эту революционную концепцию впервые сформулировал биолог Уильям Уилер. Внутри пчелиного супертела существует чёткое разделение ролей, напоминающее строение многоклеточного животного. Репродуктивная система — это единственная плодовитая матка и мужские особи, трутни. Они отвечают за размножение и передачу генов. Соматические клетки: тело составляют десятки тысяч бесплодных рабочих пчёл. Они обеспечивают метаболизм, питание, вентиляцию, обогрев и защиту всей колонии.

В пчелиной семье нет центрального мозга или правительства. Матка никому не отдаёт приказов: улей функционирует как децентрализованная система, где локальные решения принимаются индивидуальными пчёлами на основе обратной связи, сигналов-феромонов, акустического и тактильного контакта. Ни одна пчела, включая матку, не способна выжить в одиночку вне этого социума.

Иерархия улья

Главное свойство пчелиного улья — возрастной полиэтизм. Это означает, что профессия пчелы строго зависит от её биологического возраста. Молодая пчела начинает карьеру с простейших домашних дел и постепенно, по мере изменения своего тела, переходит к более сложным и опасным задачам.

Переход от одной работы к другой регулируется работой гормонов. Молодая пчела физиологически настроена работать внутри улья и кормить детей. Со временем маятник качается в другую сторону, ювенильный гормон резко возрастает и буквально перестраивает мозг пчелы, отключая ульевые железы и превращая её в смелого исследователя-фуражира.

Старшие пчёлы контролируют младших. Взрослые фуражиры выделяют пахучее вещество, передавая его молодым пчёлам изо рта в рот при обмене кормом (трофаллаксисе), фуражиры тормозят созревание молодёжи. Если фуражиры гибнут на полях, приток феромона падает, и молодые пчёлы экстренно взрослеют, спасая улей от голода.

В конце жизни крылья старых пчёл-фуражиров истираются от сотен километров полётов, а их тела изнашиваются. Пчёлы демонстрируют социальный иммунитет. Одной из самых ярких его форм становится альтруистическое самоудаление. Если пчела чувствует, что заболела опасной инфекцией, например, кишечным паразитом ноземой или вирусом деформации крыла, она инстинктивно прекращает общение с сёстрами. Она уходит подальше от яслей с расплодом и добровольно улетает в изгнание.

Если бы старые пчёлы умирали в гнезде, их тела разлагались бы внутри, становясь источником опасных инфекций и спор грибов. Больная пчела избавляет своих сестёр-чистильщиц от тяжёлого труда по выносу её наружу. Если же она слишком слаба и не уходит сама, пчёлы-чистильщицы считывают её изменившийся запах и сами выставляют беднягу за дверь.

С точки зрения классической теории эволюции Чарльза Дарвина, смерть бесплодной пчелы оправдана, ведь все пчёлы — это одна семья. Спасая улей ценой своей жизни, пчела гарантирует выживание и процветание своих генов в новых поколениях.

Пчелиный календарь

Жизнь пчелиного сверхорганизма подчинена природному календарю. У него есть периоды покоя, бурного развития и заготовки запасов на зиму. В отличие от шмелей, у которых зимует только оплодотворённая матка, или одиночных ос, засыпающих на зиму, пчелиная семья не впадает в спячку. Они остаются активными, бодрствующими и поддерживают тепло в улье круглый год.

Как только осенью температура воздуха опускается ниже +14 градусов Цельсия, пчёлы начинают собираться в плотный шар внутри улья — зимний клуб. Снаружи пчёлы образуют защитный слой. Они прижимаются друг к другу головами внутрь улья, а их пушистые тельца создают мощный теплоизоляционный барьер. Если температура отдельной пчелы упадёт ниже +5,5 градуса, у неё наступит холодовое оцепенение. Чтобы этого не произошло, в клубе работает постоянная ротация: замерзающие пчёлы с поверхности медленно уползают внутрь, а согретые пчёлы из ядра занимают их место. Внутри клуба расположено ядро: это рыхлая центральная зона, где температура при отсутствии расплода поддерживается на уровне около +25 градусов.

Пчёлы греют себя сами за счёт холостого дрожания своих мощных грудных летательных мышц. Они отключают крылья от скелета и заставляют мышцы вибрировать с частотой до 200 Гц. При этом углеводы из съеденного мёда превращаются в тепло. Уже в конце января и начале февраля центр клуба разогревается до +35 градусов. Матка, ориентируясь на изменение долготы дня, начинает откладывать первые яйца.

Наконец-то тепло

Весной, при первом потеплении, пчёлы совершают первый долгожданный вылет — очистительный облёт. Они очищают организм от накопившихся за долгую зиму продуктов обмена и разминают затёкшие крылья. А затем начинается быстрый рост расплода, трутни выполняют своё предназначение, детские сады в улье работают в полную силу.

Матка — бьющееся сердце колонии. Эта крупная, изящная пчела живёт невероятно долго по меркам насекомых, от трёх до пяти лет. Её единственная задача откладывать до 1500–2000 яиц в день. Матка постоянно выделяет королевский феромон, который разносится пчёлами по всему улью и оповещает всех о её хорошем здоровье.

В ульях созревают трутни, коренастые мужские особи. У них удивительное генетическое происхождение: они развиваются из неоплодотворённых яиц, откладываемых маткой. Этот процесс называется гаплоидным партеногенезом. Фактически у трутня есть только мама и дедушка (папа-трутень матки), но нет отца, а сам он несёт лишь одинарный набор хромосом.

Трутень европейской медоносной пчелы (Apis mellifera). © USGS Bee Inventory and Monitoring Lab (CC BY 2.0); Andrea Fabiani Ph (CC BY-SA 4.0) 

Трутни намного крупнее обычных рабочих пчёл, у них огромные глаза, соприкасающиеся на затылке, чтобы видеть матку в небе. У них полностью отсутствует жало, они беззащитны. Они не могут собирать нектар с цветов самостоятельно и питаются только готовым мёдом в улье. Они не выполняют в гнезде никакой домашней работы, но помогают поддерживать нужную температуру улья.

Главная задача трутня — найти молодую матку в небе и спариться с ней. Весной и в начале лета трутни вылетают из ульев и собираются на высоте от 10 до 40 метров в особых местах. Туда же прилетают и матки. Спаривание происходит прямо в воздухе на бешеной скорости. Победивший в гонке трутень погибает мгновенно, но за ним с маткой спаривается следующий. За такой брачный вылет одна самка спаривается с 10–20 трутнями.

После завершения брачного периода оплодотворённая матка возвращается домой и уже через несколько дней приступает к откладке яиц, больше никогда не покидая улей ради спаривания. В следующий раз матка вылетит из гнезда только во время роения. О роении мы ещё расскажем.

Вырастить трутня очень дорого: личинка трутня съедает в три раза больше корма, чем рабочая. Летом в улье живут сотни трутней, но с приближением осени и холодов они превращаются в опасную обузу, проедающую запасы мёда на зиму. Рабочие пчёлы перестают кормить взрослых трутней маточным молочком и не пускают их к открытому мёду. Затем они кусают трутней за крылья, тащат их к выходу и выпихивают на улицу. Охрана на летке больше не пускает их обратно. Пчёлы вскрывают ячейки с трутневым расплодом, съедают личинок для экономии белка, а куколок выбрасывают.

Как работают пчелиные ясли

Летом работает детский сад улья: это зона расплода. Личинки и куколки здесь абсолютно беспомощны: они не умеют двигаться, добывать пищу и греть себя сами. Роль нянек в этом детском саду выполняют молодые пчёлы в возрасте от 4 до 13 дней. В этот период их жизни у них максимально развиты глоточные и челюстные железы. Они едят пергу (пыльцевой хлеб) и превращают содержащиеся в ней белки в целебное маточное молочко.

Личинки ведут с нянями активный диалог с помощью химических сигналов. Эти вещества работают как детские капризы и крики. Молодые личинки выделяют много летучего газа, который легко распространяется по улью и сообщает о том, что их аппетит утоляется нормально. Сил нянь хватает, поэтому больше взрослых пчёл летит на поля за свежим нектаром и пыльцой. 

По мере роста личинки начинают выделять тяжёлый, нелетучий личиночный феромон. Этот сигнал означает, что аппетит вырос и личинкам нужно больше еды. Пчёлы-няни улавливают этот феромон через тактильный контакт. Он действует как приказ. У нянь физиологически увеличиваются глоточные железы, они начинают потреблять больше белка и круглосуточно производят тонны свежего корма. Няни откладывают своё взросление и вылеты из улья.

Роение: деление сверхорганизма пополам

Рой медоносных пчёл. © [Alan]/flickr.com (CC BY-SA 2.0) 

Июнь и июль — это время триумфа сверхорганизма, так называемый «главный взяток». Пчелиная семья увеличивается до 50 000–60 000 особей. Режим дня подчинён сбору нектара и пыльцы. Координация между полевыми сборщицами и ульевыми приёмщицами происходит автоматически: если нектар поступает быстрее, чем его успевают забирать, фуражиры с помощью особых сигналов (например, трепещущего танца) мобилизуют домашний персонал на разгрузку.

Когда улей переполняется, королевский феромон матки разбавляется в огромной массе пчёл и больше не доходит до самых дальних уголков улья. Почувствовав это, пчёлы строят крупные, похожие на арахис ячейки — маточники. В них будущих маток выкармливают чистым маточным молочком. Роение — это способ размножения пчелиной семьи как единого сверхорганизма. Колония, которая никогда не роится, не передаёт свои гены дальше и в эволюционном смысле заходит в тупик. Тем не менее, роение происходит далеко не в каждом улье и не каждый год. Это зависит от погоды, количества еды и здоровья колонии.

Великий вылет

Старую матку сажают на жёсткую диету, прекращая кормить маточным молочком. Её брюшко уменьшается, она худеет на 30–40% и восстанавливает способность к полёту. Перед вылетом улей гудит от особых звуков. Происходит «пение» маток: так они перекликаются, чтобы не столкнуться раньше времени и не подраться. Рабочие пчёлы используют вибрационные сигналы для разогрева мышц друг друга. Наконец раздаётся сигнал «бег с жужжанием», на старт! Старая матка со взрывным облаком из половины населения улья (около 15 000–20 000 пчёл) вылетает наружу. Они прививаются плотным живым клубом на ветке дерева неподалёку.

Около 5% пчёл в клубе — опытные разведчицы. Они разлетаются во все стороны в поисках нового дома, оптимальный объём должен быть около 40 литров. Вернувшись, разведчицы начинают исполнять на поверхности живого клуба виляющий танец. Сила и энергичность танца показывают качество найденного места. Другие разведчицы летят проверить адрес, возвращаются и тоже включаются в танец. Когда достигается демократический кворум (около 80% разведчиц согласуют один адрес), весь рой срывается с ветки и летит заселять новое жилище. В новом доме опытная матка тут же продолжает свою работу — откладывает яйца.

Иногда в рое находится сразу несколько молодых, девственных маток. По прибытии на место нового улья они сражаются между собой, чтобы осталась только одна королева.

В старом же улье остаётся молодая матка. Первым делом она разыскивает остальные маточники и убивает соперниц жалом сквозь восковые стенки. Затем она вылетает на спаривание с трутнями, возвращается, и пчелиный улей продолжает свою долгую жизнь.

Замыкая круг

К концу лета матка сокращает откладку яиц. Сверхорганизм готовится к зиме и выводит особое поколение — зимних пчёл, или пчёл-долгожителей. Они должны прожить не 30 дней, а 6–8 месяцев, чтобы сберечь улей зимой и выкормить весной новое поколение. Зимние пчёлы не расходуют силы на выкармливание личинок в конце лета. Они съедают огромное количество перги, благодаря чему у них развивается мощное жировое тело (аналог печени и запасов жира у людей). Их тело наполнено белком вителлогенином, который укрепляет их иммунную систему и защищает клетки от старения. 

С наступлением осени зимние пчёлы формируют плотный клуб вокруг матки, прямо под кормовыми запасами мёда, обеспечивая семье успешную зимовку, и жизненный цикл повторяется.

Изредка пчёл можно увидеть и в зимнем антураже. © Colby Stopa/flickr.com (CC BY-SA 2.0)