2023-07-30: Konstruowanie gniazd przez pszczoły i osy wskazuje na ewolucyjną optymalizację rozwiązywania problemów geometrycznych

niedziela, 30 lipca 2023

Strategia przebudowy komórek gniazd przez pszczoły i osy związana z koniecznością zwiększania części z nich dla potrzeb reprodukcyjnych jest bliska optymalnym rozwiązaniom geometrycznym. Odkrycie to przedstawione zostało w artykule w PLOS Biology 27 lipca 2023 roku.

Optymalnym rozwiązaniem dla stabilności gniazd u pszczół i os jest klasyczna siatka pól heksagonalnych. Problem pojawia się wraz z rozbudową kolonii i potrzebą powiększania niektórych komórek heksagonalnych. Dla samców i nowych królowych komórki muszą być większe niż komórki dla robotnic. Należy wówczas połączyć ze sobą niejednorodne sześciokąty w jednej siatce. Oznacza to potrzebę przebudowy gniazda w kolejnym cyklu reprodukcyjnym. W takich przypadkach najlepszym matematycznie modelem jest taki, który spełnia warunek triangulacji Delone. Powiększanie komórek powoduje, że nie wszystkie sąsiednie mogą być heksagonalne. Najlepsze rozwiązanie z matematycznego punktu widzenia jest wówczas, gdy pojawiają się pary komórek mających 7 i 5 ścian wąsiedzwtwie mniejszych i większych komórek heksagonalnych. Optymalizacja dotyczy minimalizacji kosztów związanych z wytworzeniem ścianek komórek, a więc minimalizacją strat przy wykorzystaniu kosztownego materiału, z którego są budowane. Owady tworzą te pary w taki sposób, że w jednej komórce heksagonalnej ubywa krawędzi, a w sąsiadującej komórka zwiększa się o jedną krawędź. Dzięki temu część sąsiednich komórek heksagonalnych może być większa. Nils Napp z Uniwersytetu Cornella, który był jednym z autorów artykułu zaprojektował matematyczny strategii tworzenia par komórek pięcio- i siedmiobocznych. Odkrył on, że przebudowywanie gniazd przez pszczoły i osy jest zbliżone do optymalnego rozwiązania geometrycznego.

Rozwiązania te pojawiają się niezależnie u os i pszczół, których drogi ewolucyjne rozdzieliły się około 180 milionów lat temu. Aby zbadać, jak radzą sobie z problemem rozbudowy gniazda, aby zmaksymalizować jego trwałość i powierzchnię magazynową, przebadano po 5 gatunków pszczół i os. Były to gatunki pszczół: pszczoły miodnej, pszczoły wschodniej, pszczoły olbrzymiej, pszczoły karłowatej i apis andreniformis oraz os: osy pospolitej, Vespula maculifrons, Vespula flavopilosa, Vespula shidai i Metapolybia mesoamerica. Oba rozwiązania były zbieżne, chociaż pszczoły i osy budują swoje gniazda z zupełnie innych materiałów. Dla pszczół jest to wosk wytwarzany z miodu, a dla os papier tworzony z miazgi, której podstawą jest drewno i woda.

Badania objęły czasochłonny pomiar 22 745 komórek wyekstrahowanych ze 115 fotografii gniazd. Przed pomiarem określono różnice dymorfizmu komórek dla robotnic i reproduktorów. W przypadku części gatunków dymorfizm prawie nie występował, u innych komórki rozrodcze były znacznie większe, nawet 2,7 raza w przypadku Apis andreniformis. Komórki nieheksagonalne nie występowały jedynie w przypadku gatunków, w których nie występował dymorfizm.

Źródła

Darren Incorvaia – How geometry solves architectural problems for bees and wasps – Science News, 27 lipca 2027
Michael L. Smith, Kevin J. Loope, Bajaree Chuttong, Jana Dobelmann, James C. Makinson, Tatsuya Saga, Kirstin H. Petersen, Nils Napp – Honey bees and social wasps reach convergent architectural solutions to nest-building problems – PLOS Biology 21(7): e3002211, 27 lipca 2027
Phie Jacobs – Bees and wasps solve geometry problem the same way – Science / AAAS, 27 lipca 2027
Michael L. Smith – Bees and wasps independently invent the same architectural tricks – phys.org / Auburn University College of Sciences and Mathematics, 27 lipca 2027