Οι μέλισσες και οι άνθρωποι είναι τόσο διαφορετικοί οργανισμοί όσο μπορεί κανείς να φανταστεί. Ωστόσο, παρά τις πολλές διαφορές τους, εκπληκτικές ομοιότητες με τους τρόπους που αλληλεπιδρούν κοινωνικά έχουν αρχίσει να αναγνωρίζονται τα τελευταία χρόνια. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign, βασιζόμενη στις προηγούμενες μελέτες τους, έχουν μετρήσει πειραματικά τα κοινωνικά δίκτυα των μελισσών και πώς αναπτύσσονται με την πάροδο του χρόνου. Ανακάλυψαν ότι υπάρχουν λεπτομερείς ομοιότητες με τα κοινωνικά δίκτυα των ανθρώπων και ότι αυτές οι ομοιότητες εξηγούνται πλήρως από τη νέα θεωρητική μοντελοποίηση, η οποία προσαρμόζει τα εργαλεία της στατιστικής φυσικής για τη βιολογία. Η θεωρία, που επιβεβαιώνεται σε πειράματα, υπονοεί ότι υπάρχουν μεμονωμένες διαφορές μεταξύ των μελισσών, όπως και μεταξύ των ανθρώπων.
Η μελέτη, η οποία μετρά την έκταση των ατομικών διαφορών στη δικτύωση μελισσών για πρώτη φορά, πραγματοποιήθηκε από τον πρώτο συγγραφέα φοιτητή της φυσικής Sang Hyun Choi, postdocs Vikyath D. Rao, Adam R. Hamilton and Tim Gernat, Swanlund Chair Chair of Physics Ο Nigel Goldenfeld (ηγέτης BCXT / GNDP) και ο Πρόεδρος Εντομολογίας Swanlund και διευθυντής της IGB Gene E. Robinson (GNDP). Η συνεργασία περιελάμβανε πειραματικές μετρήσεις της κοινωνικής συμπεριφοράς των μελισσών που εκτελέστηκαν από τους Χάμιλτον, Γκέρνατ και Ρόμπινσον, με ανάλυση δεδομένων από τον Ράο και θεωρητική μοντελοποίηση και ερμηνεία από τους Choi και Goldenfeld. Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν σε πρόσφατο άρθρο στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Science .
«Αρχικά, θέλαμε να χρησιμοποιήσουμε τις μέλισσες ως ένα βολικό κοινωνικό έντομο για να μας βοηθήσουν να βρούμε τρόπους για να μετρήσουμε και να σκεφτούμε περίπλοκες κοινωνίες», δήλωσε ο Goldenfeld. «Πριν από λίγα χρόνια, ο Gene, ο Tim, ο Vikyath και εγώ συνεργαστήκαμε σε ένα μεγάλο έργο που έβαζε« ραβδωτούς κώδικες» στις μέλισσες, ώστε να μπορούμε να παρακολουθούμε αυτόματα οπουδήποτε πήγαν στην κυψέλη, κάθε κατεύθυνση στην οποία έδειχναν και κάθε συνεργάτη αλληλεπίδρασης . Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαμε να χτίσουμε ένα κοινωνικό δίκτυο εγκαίρως, κάτι γνωστό ως χρονικό δίκτυο. “
Αυτή η μελέτη, που έγινε πριν από λίγα χρόνια, περιελάμβανε απεικόνιση υψηλής ανάλυσης μελισσών με barcode, με αλγόριθμους που ανιχνεύουν συμβάντα αλληλεπίδρασης χαρτογραφώντας τη θέση και τον προσανατολισμό των μελισσών στις εικόνες. Σε αυτές τις μελέτες, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στην τροφάλλαξη- την πράξη της μεταφοράς υγρών τροφίμων από στόμα σε στόμα – κατά τη μέτρηση των κοινωνικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μελισσών. Η τροφάλλαξη χρησιμοποιείται όχι μόνο για τη διατροφή αλλά και για την επικοινωνία, καθιστώντας το ένα πρότυπο σύστημα για τη μελέτη των κοινωνικών αλληλεπιδράσεων.
«Επιλέξαμε να δούμε την τροφάλλαξη γιατί μπορούμε να παρακολουθούμε με ακρίβεια τον τύπο της κοινωνικής αλληλεπίδρασης μελισσών», δήλωσε ο Τσόι. «Δεδομένου ότι οι μέλισσες συνδέονται φυσικά μεταξύ τους με επαφή με προβοσκίδα κατά τη διάρκεια της τροφαλαξίας, μπορούμε να πούμε αν εμπλέκονται στην πράξη ή όχι. Επιπλέον, κάθε μέλισσα φέρει ετικέτα, ώστε να μπορούμε να αναγνωρίζουμε κάθε άτομο που συμμετέχει σε κάθε εκδήλωση αλληλεπίδρασης.»
«Στην προηγούμενη δουλειά μας, ρωτήσαμε πόσο καιρό περνούν οι μέλισσες μεταξύ των εκδηλώσεων όπου συναντούν άλλες μέλισσες και δείξαμε ότι αλληλεπιδρούν με έναν μη ομοιόμορφο τρόπο», δήλωσε ο Goldenfeld. «Ο Sang Hyun και εγώ πήραμε το ίδιο σύνολο δεδομένων, αλλά τώρα θέσαμε μια διαφορετική ερώτηση: Τι γίνεται με τη διάρκεια των συμβάντων αλληλεπίδρασης και όχι του χρόνου μεταξύ των αλληλεπιδράσεων;»
Κατά την εξέταση των μεμονωμένων αλληλεπιδράσεων, ο χρόνος που αφιερώθηκε κυμαινόταν από μικρές αλληλεπιδράσεις έως μακρές αλληλεπιδράσεις. Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, ο Τσόι ανέπτυξε μια θεωρία όπου οι μέλισσες παρουσίασαν ένα ατομικό γνώρισμα ελκυστικότητας που θα μπορούσε να εξομοιωθεί με την ανθρώπινη αλληλεπίδραση. Για παράδειγμα, οι άνθρωποι μπορεί να προτιμούν να αλληλεπιδρούν με φίλους ή μέλη της οικογένειας παρά με ξένους.
«Αναπτύξαμε μια θεωρία για αυτό με βάση μια πολύ απλή ιδέα: εάν μια μέλισσα αλληλεπιδρά με μια άλλη μέλισσα, μπορείτε να το σκεφτείτε ως ένα είδος« εικονικής άνοιξης »μεταξύ τους», δήλωσε ο Goldenfeld. «Η δύναμη της άνοιξης είναι ένα μέτρο του πόσο προσελκύονται μεταξύ τους, οπότε αν η άνοιξη είναι αδύναμη, τότε οι μέλισσες θα σπάσουν γρήγορα την άνοιξη και θα φύγουν, ίσως για να βρουν μια άλλη μέλισσα με την οποία να αλληλεπιδράσουν. Εάν το ελατήριο είναι δυνατό, μπορεί να παραμείνουν αλληλεπιδρώντας περισσότερο. Αποκαλούμε αυτήν τη θεωρητική περιγραφή ένα ελάχιστο μοντέλο , γιατί μπορεί ποσοτικά να συλλάβει το φαινόμενο του ενδιαφέροντος χωρίς να απαιτεί υπερβολικό και περιττό μικροσκοπικό ρεαλισμό. Οι μη φυσικοί συχνά εκπλήσσονται όταν μαθαίνουν ότι η λεπτομερής κατανόηση και οι προβλέψεις μπορούν να γίνουν με μια ελάχιστη ποσότητα περιγραφικών στοιχείων. “
Ο Goldenfeld εξήγησε ότι το μαθηματικό πλαίσιο για τη θεωρία τους προήλθε από έναν κλάδο της φυσικής που ονομάζεται στατιστική μηχανική, που αναπτύχθηκε αρχικά για να περιγράψει τα άτομα αερίου σε ένα δοχείο, και από τότε επεκτάθηκε ώστε να καλύπτει όλες τις καταστάσεις της ύλης, συμπεριλαμβανομένων των ζωντανών συστημάτων. Η θεωρία των Choi και Goldenfeld έκανε σωστές προβλέψεις για το πειραματικό σύνολο δεδομένων μελισσών που είχε συλλεγεί προηγουμένως.
Χάρη στην περιέργεια, η θεωρία εφαρμόστηκε στη συνέχεια σε ανθρώπινα σύνολα δεδομένων, αποκαλύπτοντας παρόμοια μοτίβα όπως και με το σύνολο δεδομένων μελισσών. Ο Τσόι και ο Γκόλντενφελντ εφάρμοσαν στη συνέχεια ένα οικονομικό μέτρο για τις ανισότητες πλούτου και εισοδήματος στον άνθρωπο – που ονομάζεται συντελεστής Gini – για να δείξουν ότι οι μέλισσες εμφάνισαν ανισότητες ελκυστικότητας στις κοινωνικές τους αλληλεπιδράσεις, αν και δεν ήταν τόσο διαφορετικές όσο οι άνθρωποι. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν μια εκπληκτική καθολικότητα των προτύπων κοινωνικών αλληλεπιδράσεων τόσο στις μέλισσες όσο και στους ανθρώπους.
«Είναι προφανές ότι τα ανθρώπινα άτομα είναι διαφορετικά, αλλά δεν είναι τόσο προφανές για τις μέλισσες», είπε ο Τσόι. «Επομένως, εξετάσαμε την ανισότητα στο επίπεδο δραστηριότητας των μελισσών με τρόπο ανεξάρτητο από τη θεωρία μας για να επιβεβαιώσουμε ότι οι εργάτες μελισσών είναι πράγματι διαφορετικοί. Προηγούμενη δουλειά που πραγματοποιήθηκε στην ομάδα μας έχει χρησιμοποιήσει τον συντελεστή Gini για να ποσοτικοποιήσει την ανισότητα στη δραστηριότητα ζωοτροφών μελισσών, οπότε πιστεύαμε ότι αυτή η μέθοδος θα λειτουργούσε επίσης για να εξετάσει την ανισότητα στη δραστηριότητα τροφάλλαξης ».
«Η εύρεση τόσο εντυπωσιακών ομοιοτήτων μεταξύ των μελισσών και των ανθρώπων προκαλεί το ενδιαφέρον για την ανακάλυψη καθολικών αρχών της βιολογίας και των μηχανισμών που τις διέπουν», δήλωσε ο Robinson.
Τα ευρήματα των ερευνητών υποδηλώνουν ότι οι πολύπλοκες κοινωνίες μπορεί να έχουν εκπληκτικά απλές και καθολικές κανονικότητες, οι οποίες μπορούν δυνητικά να ρίξουν φως στον τρόπο που οι ανθεκτικές και ανθεκτικές κοινότητες αναδύονται από πολύ διαφορετικούς κοινωνικούς ρόλους και αλληλεπιδράσεις. Οι ερευνητές προβλέπουν ότι η ελάχιστη θεωρία τους θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε άλλα ευ κοινωνικά έντομα, δεδομένου ότι η θεωρία δεν περιλαμβάνει χαρακτηριστικά για τη μέλισσα.
Σε μελλοντικές μελέτες, οι ίδιες τεχνικές από τη στατιστική μηχανική μπορούν να εφαρμοστούν για να κατανοήσουν τη συνοχή των κοινοτήτων μέσω καλά χαρακτηρισμένων αλληλεπιδράσεων ζευγαριού, ανέφεραν οι Choi και Goldenfeld.
«Αυτό ήταν το πρώτο μου έργο μετά την ένταξή μου στην ομάδα του Nigel και χρειάστηκε πολύς χρόνος για να βρω τον σωστό τρόπο προσέγγισης του προβλήματος», δήλωσε ο Τσόι. «Ήταν διασκεδαστικό και δύσκολο να δουλέψεις σε ένα τέτοιο διεπιστημονικό έργο. Ως φοιτητής φυσικής που μελετά βιολογικά συστήματα, δεν περίμενα ποτέ να χρησιμοποιήσω έννοιες από τα οικονομικά. “
«Ήταν πολύ συναρπαστικό να δούμε πόσο απλές φυσικές ιδέες θα μπορούσαν να εξηγήσουν ένα φαινομενικά περίπλοκο και διαδεδομένο κοινωνικό φαινόμενο και επίσης να δώσουν κάποιες οργανικές ιδέες», δήλωσε ο Goldenfeld. «Ήμουν πολύ περήφανος για τον Sang Hyun που έχω την επιμονή και τις γνώσεις για να το καταλάβω. Όπως όλες οι διεπιστημονικές επιστήμες, αυτό ήταν ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα να λυθεί, αλλά απίστευτα συναρπαστικό όταν όλα ενώθηκαν. Αυτό είναι το είδος της προόδου που προκύπτει από τη συνύπαρξη διαφορετικών επιστημόνων στο ίδιο εργαστήριο – στην περίπτωση αυτή το Carl R. Woese Institute for Genomic Biology. “
Παραπομπή: «Οι μεμονωμένες παραλλαγές οδηγούν σε παγκόσμια και διαμορφωμένα πρότυπα κοινωνικής συμπεριφοράς» των Sang Hyun Choi, Vikyath D. Rao, Tim Gernat, Adam R. Hamilton, Gene E. Robinson και Nigel Goldenfeld, 30 Νοεμβρίου 2020, Πρακτικά: Εθνική Ακαδημία Επιστημών .
