Wyobraź sobie, że masz do składowania ładunek o kształcie przypominającym walec. Musisz upchnąć jak najwięcej takich walców na jak najmniejszej powierzchni, a jednocześnie dbać o to, aby nie uległy one uszkodzeniu – to bardzo delikatne walce i każdy musi mieć własną komórkę. Otrzymujesz pustą ramę, która ma stać się regałem magazynowym. To od ciebie zależy, jaki kształt przyjmą półki. Na co się zdecydujesz?
Nasz logiczny umysł, przyzwyczajony do wojaży po sklepach wielkopowierzchniowych, podrzuca pomysł na prostopadłościany. Ale wtedy zostaje sporo niewykorzystanej przestrzeni w każdej komórce. Do ładunku w kształcie walca o wiele lepiej nadają się nieco większe walce – tylko że wówczas marnujemy przestrzeń na styku walców. Geometria ma na to perfekcyjne rozwiązanie: graniastosłup sześciokątny. Jak to możliwe, że na identyczny pomysł wpadły pszczoły, niedysponujące wiedzą matematyczną? Skąd te sprytne owady orientują się, że muszą budować takie właśnie komórki? Zapnij pasy, bo odpowiedź na to pytanie może zmienić wyobrażenia na temat pszczół.
Jak pszczoły budują swój plaster?
Zacznijmy od tego, że pszczoły miodne chowane we współczesnych pasiekach w zasadzie w ogóle nie budują plastrów od podstaw. Aby zaoszczędzić im pracy i umożliwić skupienie się na dostarczaniu nektaru oraz przetwarzaniu go na miód, pszczelarze już dawno wpadli na pomysł podkładania pszczołom gotowej węzy. To plaster naturalnego wosku pszczelego z obustronnie wytłoczonymi zaczątkami komórek – jeszcze nie gotowe komórki, ale wyraźne naprowadzenie robotnic na to, w jaki sposób można budować dalej. W efekcie pszczoły robią dokładnie to, o co nam chodzi: wytwarzają więcej komórek przeznaczonych dla samic (czyli robotnic), niż komórek przeznaczonych dla samców (czyli trutni). Zdarza się również tzw. dzika zabudowa, kiedy to pszczoły samodzielnie dokładają kolejne „oczka” po bokach plastra, ale ten naddatek jest szybko usuwany przez pszczelarzy. W efekcie architektoniczny geniusz pszczół trochę się marnuje. Ale czy aby na pewno?
Już Darwin zachwycał się precyzją, z jaką pszczoły produkowały taśmowo perfekcyjne komórki o kształcie graniastosłupów sześciokątnych. W przeciwieństwie do walcowatych komórek wytwarzanych przez trzmiele heksagony są niezwykle ergonomiczne i stanowią dowód albo na potęgę instynktu, albo na wyjątkową inteligencję pszczół. Albo na wielkie oszustwo.
Jak się okazuje, pszczoły wcale nie budują komórek o sześciokątnej podstawie. Układają one plastry wosku wokół siebie, tworząc w ten sposób… walce. Na dodatek walce te nie zawsze są perfekcyjne. Młoda pszczoła na pewno sięga do pokładów swojego instynktu, ale na kształt i solidność komórek oraz plastrów przekładają się jej osobiste doświadczenia. Innymi słowy: pszczoła buduje komórki na wzór tej, w jakiej sama się wychowała. Jeśli z jakiegoś powodu nie była ona idealna, to wzorzec ten będzie powielany.
No dobrze, ale skąd w takim razie sześciokątny? Za czary przeobrażające walec w graniastosłup sześciokątny odpowiada magia, według której prawideł żyjemy na co dzień – czyli fizyka. Pod wpływem panującego w ulu ciepła komórki ścieśniają się i przybierają najbardziej ergonomiczny kształt heksagonalny.
Kształtowanie komórek plastra przez temperaturę
Grubość ścianek komórek plastra wynosi 0,07 mm i jest niemal idealnie równa na długości kilku centymetrów. Kąt między ściankami komórki to 120°, a dno stanowią trzy perfekcyjne romby, które wraz z przylegającymi fragmentami dna trzech komórek z drugiej strony plastra, idealnie wypełniają przestrzeń między warstwami w plastrze. Nie jest tak jednak od samego początku.
Obserwując pszczoły odbudowujące plaster zauważono, że początkowo powstające komórki bardzo przypominają te budowane z celulozy przez osy. Wnętrze jest podobne do rurki, a dno jest półkoliste. Jak więc komórki osiągają ostateczny, osławiony idealny kształt?
Wyjaśnienia zacząć trzeba od właściwości wosku. Jest on mieszaniną ponad 300 organicznych substancji chemicznych. Nie ma stałej (jak ciała krystaliczne) temperatury topnienia. Wraz ze wzrostem temperatury staje się coraz bardziej plastyczny, aż do osiągnięcia stanu płynnego. Pod względem budowy fizycznej bardziej przypomina ciecz niż ciało stałe. Jest tzw. przechłodzoną cieczą (tak jak szkło).
Żeby zrozumieć, jak to wpływa na kształt komórek, pozostawmy na chwilę ul i przyjrzyjmy się … bańkom mydlanym. Na kształt bańki wpływać będzie w największym stopniu skład chemiczny płynu użytego do ich wytwarzania. Jeżeli wydmuchamy bańkę zbyt małą, nadmiar cieczy z niej spłynie, natomiast zbyt duża bańka pęknie. Siły napięcia powierzchniowego cieczy i ciśnienia spowodują, że będzie ona mieć najmniejszą możliwą powierzchnię ścianek w stosunku do objętości i powstanie z najmniejszej możliwej ilości cieczy – oto potęga ergonomii przyrody.
A co się dzieje, gdy zetknie się kilka baniek? Będą optymalizować swój kształt, korzystając z możliwości zmniejszania powierzchni i ilości cieczy koniecznej do zamknięcia powietrza wewnątrz. Gdy wokół jednej bańki ułożonej na powierzchni zaczniemy układać kolejnych sześć, kształt tej wewnętrznej zacznie przypominać komórkę plastra pszczelego.
No dobrze, ale przecież bańki są zamknięte a komórki plastra – otwarte. Czy zatem w ogóle można je porównać? Otóż siły kształtujące bańki działają nie tylko na kształty zamknięte. Gdy w płynie do bąbelków zanurzymy czworościan i sześcian, wydawałoby się, że błonki cieczy powinny zamknąć poszczególne ścianki figur. Dzieje się jednak inaczej: kształt błon cieczy jest najmniejszą możliwą powierzchnią łączącą krawędzie figury.
Im bardziej złożona figura, tym kształty błon stają się coraz bardziej skomplikowane i fascynujące.
Czas wracać do naszego plastra. Po uformowaniu komórek w „zgrubnej” postaci (czyli tej przypominającej rurkę), pszczoły gromadzą się nad fragmentem plastra i, pracując mięśniami, podnoszą temperaturę swoich ciał, podgrzewając jednocześnie wosk.
Gdy osiąga on temperaturę 37-40°C, staje się bardzo plastyczny, niemal płynny i komórki zaczynają zmieniać swój kształt – podobnie jak stykające się bańki mydlane. Siły napięcia wewnątrz wosku rozciągają ścianki, zmieniając kształt dna komórek. Przybierają one swój idealny kształt.
Rolę „ramek”, na których kształtują się komórki, pełnią ich krawędzie, wyraźnie grubsze od ścianek wewnętrznych. Stabilizują i wzmacniają one strukturę plastra. Pełnią też ważną rolę w komunikacji między pszczołami wewnątrz ula, ale to już temat na inny artykuł.
Budowa komórek pszczelich – perfekcja nie tylko w kształcie
Pomysłowość pszczół sięga jeszcze dalej. Jeśli przyjrzeć się komórkom naprawdę z bliska, dostrzeżemy, że ich zakończenia są skierowane minimalnie ku górze. W ten sposób pszczoły zabezpieczają płynny nektar czy miód przed wylewaniem się z plastra. W przypadku pszczół miodnych, które nie dostały węzy jako wzorca (bo np. żyją w dziupli, w barci albo w biodynamicznym ulu snozowym, do którego wkłada się wyłącznie beleczki), pierwsze rzędy komórek są nieco inne – solidniejsze, niczym fundament przemyślanej budowli. Podczas analizy imponujących gniazd pszczół dzikich dostrzeżemy natomiast konstrukcje przypominające beleczki i wsporniki, mające za zadanie utrzymać rozrastające się, ciężkie plastry.
Naukowcy nie byliby sobą, gdyby poprzestali na zachwytach nad geniuszem natury. Kolejni badacze poddawali próbom budowalny zmysł pszczół. Zaczął się długi festiwal utrudniania życia pszczole miodnej, zakończony spektakularnym sukcesem owadów.
Wśród testów znalazły się m.in.:
- uniemożliwianie budowy plastra od góry: pszczoły zaczynały budować od dołu, w formie konstrukcji wieżowej, odwracając pewne czynności tak, aby pasowały do nowych warunków;
- uniemożliwianie budowy zarówno od góry, jak i od dołu: niewzruszone pszczoły budowały plastry w bok;
- uniemożliwianie budowy zarówno od góry, jak i od dołu oraz pokrycie jednej ze ścian ula szkłem: pszczoły dostrzegły trudność, zanim dotarły do przeciwległej ściany i w porę odwracały konstrukcję o 90°;
- uniemożliwianie budowy zarówno od góry, jak i od dołu, pokrycie jednej ze ścian ula szkłem i przenoszenie szkła po tym, jak pszczoły zmieniły kierunek budowy: pszczoły za każdym razem odpowiednio wcześniej manewrowały plastrem, tworząc fantazyjne, ale w pełni funkcjonalne struktury. Przez cały czas pszczoły, niczym wytrwali inżynierowie budownictwa, brały poprawkę na zgięcie – komórki po zewnętrznej stronie były 2-3 razy szersze, niż standardowo.
Gdy zdesperowani (a tak naprawdę coraz bardziej zafascynowani) naukowcy obłożyli całe wnętrze ula szkłem, pszczoły ostatecznie zdecydowały się na przyczepianie plastrów do jego śliskiej powierzchni. Podczas trwania jednego z eksperymentów, zimowe zmiany temperatur doprowadziły do naderwania się jednego z tak zawieszonych plastrów. Przebudzone pszczoły nie tylko wzmocniły ten konkretny plaster, dobudowując kilka filarów, ale też prewencyjnie wykonały identyczną pracę przy każdym z pozostałych plastrów.
Celem tych eksperymentów była odpowiedź na pytanie, czy pszczołami kieruje sam instynkt, czy też może przejawiają one jakiś typ inteligencji. Wyniki przemawiają raczej za tym drugim. Co prawda nie można wykluczyć, że natura wyposażyła pszczoły w schematy postępowania na każdy przypadek, ale jest to bardzo mało prawdopodobne z uwagi na niewielki rozmiar mózgu. To trochę tak, jak z czytaniem: jego nauczenie się wymaga inteligencji, ale jest znacznie efektywniejsze, niż wkuwanie treści książek na pamięć.
Pszczoły podbijają kosmos
Przyjdzie ten dzień, gdy jakaś grupa śmiałków zostanie zapisana na kartach historii jako pierwsza ekspedycja, która zbudowała domy poza Ziemią. Zapewne mało kto weźmie wówczas pod uwagę, że tytuł pierwszych ziemskich kolonizatorów, wznoszących budowle w kosmosie, jest już zarezerwowany dla… pszczół. Ale po kolei.
Poza ludźmi, w kosmos wysłaliśmy już wiele zwierząt. Jako pierwsze z przestrzeni pozaziemskiej powróciły Biełka i Striełka (co rzuca smutny cień na historię sławnej Łajki). Z suczkami podróżowały również myszy, muszki owocówki, bakterie oraz rośliny (głównie w postaci nasion). W tej ekipie na szczególne znaczenie zasługują muszki owocówki. Te niepozorne owady są dla genetyków tzw. organizmami modelowymi: dzielą z ludźmi aż 75% genów odpowiedzialnych za rozwój chorób u ludzi, a ponadto błyskawicznie się rozmnażają, dzięki czemu możemy obserwować mutacje genetyczne w akcji w kolejnych pokoleniach. Nic więc dziwnego, że naukowcy zapragnęli poznać wpływ nieważkości czy promieniowania kosmicznego na te małe bohaterki. Z czasem przyszła pora na wysyłanie w kosmos innych owadów, m.in. ochotkowatych (podobnych do komarów, których larwy rozwijają się w środowisku wodnym), ale także pszczół miodnych.
Po raz pierwszy pszczoły opuściły ziemską atmosferę w 1982 r. Astronauci zaobserwowali, że miały one spore problemy z lataniem. Kolejny raz pszczoły znalazły się na pokładzie promu Challenger, w 1984 r., dwa lata przed jego ostatnim, katastrofalnym startem. Przez cały tydzień pszczoły znajdowały się w stanie zerowej grawitacji. Nie przeszkodziło im to w budowie plastra, który miał standardowe wymiary i był w pełni funkcjonalny, choć dosyć oryginalny: nie zawsze zachowywał on geometrię, przez co część komórek skierowana była równolegle do podłoża w momencie startu/lądowania. Identyczne wyniki dał eksperyment powtórzony w 1987 r.
Aż na Międzynarodową Stację Kosmiczną dotarły natomiast pszczoły dzikie – miesierki lucernówki. Doświadczenie było o tyle ciekawe, że zaprojektował je zespół złożony z uczennic szkół wyższych ze stanu Illinois w USA. Pszczoły dotarły na stację na pokładzie statku zaopatrzeniowego Dragon Cargo w 2018 r. Tym razem badane było zachowanie pszczół wybudzonych z hibernacji w warunkach zerowej grawitacji.
Jaki jest sens przeprowadzania takich eksperymentów? Jak na ten moment – czysto teoretyczny, ale niezwykła zdolność pszczoły miodnej do budowania perfekcyjnych plastrów nawet w skrajnie ekstremalnych warunkach może być wskazówką nie tylko dla kosmicznych, ale przede wszystkim dla ziemskich pszczelarzy czy bartników.
Konsultacja merytoryczna: Paweł Pszczółkowski
Bibliografia:
- Bees in Space!, https://www.sciowa.org/about-sci/sci-blog/general-sci/bees-in-space/
- L. Chittka, Pszczoły. Krótki lot w głąb niezwykłych umysłów, Copernicus Center Press, Kraków 2023
- R. Conrad, Bees in Space, Bee Culture, 20/2019, https://www.beeculture.com/bees-in-space/
- Student Spotlight: High School Girls Sent Live Bees to the Space Station, https://issnationallab.org/education/student-spotlight-high-school-girls-sent-live-bees-to-the-space-station/
