Пчёлы и осы независимо изобретают одинаковые архитектурные решения

На первый взгляд шестиугольные ячейки, строимые медоносными пчёлами и общественными осами, могут показаться похожими, но они значительно различаются. Пчёлы строят из воска, а осы — из бумаги. Пчёлы строят свои двусторонние соты вертикально, а осы — односторонние соты горизонтально (то есть отверстие каждой ячейки смотрит вниз).

Шестиугольные ячейки у этих двух групп имеют независимое эволюционное происхождение. Подобно тому, как акулы и киты имеют схожий план строения тела из-за водной среды, пчёлы и осы строят шестиугольные ячейки, потому что эта форма максимизирует прочность и площадь хранения, минимизируя строительные материалы.

Но что происходит, когда невозможно построить идеально шестиугольные ячейки? Исправляют ли пчёлы и осы свои строительные проблемы одинаковым способом?

У части видов пчёл и ос рабочие особи строят два разных размера шестиугольников. Меньшие ячейки используются для выведения рабочих особей, а большие — для выведения репродуктивных особей: трутней и маток. Эта разница в размерах создаёт архитектурную проблему: как расположить шестиугольники двух разных размеров в одном листе сот?

Чтобы определить, как разные виды решают одну и ту же архитектурную задачу, исследователям понадобились изображения гнёзд, включающие как рабочие, так и репродуктивные ячейки в одних сотах.

Их работа под названием «Медоносные пчёлы и общественные осы достигают конвергентных архитектурных решений проблем строительства гнёзд» была опубликована 27 июля 2023 года в журнале PLOS Biology.

Ведущий автор доктор Майкл Л. Смит, доцент кафедры биологических наук Обернского университета и аффилированный член Института поведения животных Общества Макса Планка, связался с исследователями по всему миру для получения потенциальных изображений. Затем они использовали специально разработанное программное обеспечение для извлечения метрик отдельных ячеек из 22 745 индивидуальных ячеек.

У некоторых видов, например Metapolybia mesoamerica, рабочие и репродуктивные ячейки одинакового размера, поэтому архитектурного препятствия не было. У других видов, например Apis andreniformis, репродуктивные ячейки могут быть в 2,7 раза больше рабочих, что создаёт серьёзную строительную проблему — как эффективно объединить эти совершенно разные шестиугольники?

Рассмотрев 10 видов, исследователи обнаружили, что по мере увеличения масштаба строительной проблемы (разницы в размерах между рабочими и репродуктивными ячейками) рабочие особи начинали включать нешестиугольные ячейки. Эти неправильные ячейки в основном были 5- и 7-сторонними, но они всегда строились парами: 5-сторонняя ячейка на стороне рабочих, за которой следовала 7-сторонняя ячейка на репродуктивной стороне.

Эта закономерность наблюдалась у всех видов пчёл и ос, которым нужно было преодолеть разницу в размерах ячеек. Для группы насекомых, известных своими шестиугольными ячейками, это само по себе было интересно, поскольку показало, что все они полагаются на одни и те же нешестиугольные конфигурации.

Затем исследователи построили математическую модель, которая предсказывала, исходя из разницы в размерах ячеек, сколько нешестиугольных ячеек должно быть включено в переходную зону между рабочими и репродуктивными ячейками. Удивительно, но некоторые виды постоянно показывали результат лучше ожидаемого.

При более тщательном исследовании учёные увидели, что эти виды также включали ячейки промежуточного размера в переходную область. Ячейки промежуточного размера оставались шестиугольными, но позволяли насекомым «разделить разницу» и превратить переход в размере ячеек в серию более мелких переходов, не требующих нешестиугольных ячеек.

Эти же строительные приёмы были использованы у всех исследованных видов пчёл и ос. Несмотря на разделение более чем 179 миллионами лет эволюции, использование разных строительных материалов и независимое происхождение шестиугольных ячеек, все эти виды пришли к абсолютно одинаковому решению этой масштабируемой архитектурной проблемы.

«Как только мы смогли нанести все данные на график, результаты были поразительными — можно было увидеть, как пчёлы и осы использовали ячейки промежуточного размера для создания постепенного перехода, но и насколько последовательно нешестиугольные ячейки были расположены в сотах», — сказал Смит.

Эта работа имеет значение для понимания того, как коллективные системы могут строить адаптивные и устойчивые структуры без централизованного контроля. Не существует единой пчелы или осы-«архитектора», строящей всю структуру; вместо этого сотни или даже тысячи особей вносят свой вклад в конечный продукт.