Prikken of niet steken? Een alarmferomoon speelt een beslissende rol in de bereidheid van bijen om te steken - en hun groepsgrootte, zoals wetenschappers van de Universiteit van Konstanz nu hebben aangetoond

Zoals het gezegde luidt:"Je kunt meer vliegen vangen met honing dan met azijn." Honingbijen willen echter liever niets vangen, maar hun honing trekt talloze roofdieren naar de kolonie. Sommige, zoals vliegen, zijn vrij gemakkelijk af te schrikken. Andere roofdieren zijn veel groter dan de bijen en klaar om talloze honingbijsteken te accepteren voor de zoete voedingsstoffen. Om ze af te weren, moeten de honingbijen samenwerken in een collectieve steekaanval.

Deze defensieve reactie wordt meestal geïnitieerd door tijdelijk gespecialiseerde honingbijen, waakbijen genaamd. Ze bewaken de omgeving van de kolonie. Als ze een groot dier detecteren dat dicht bij de kolonie komt, reageren de waakbijen ofwel door de indringer te steken, of door hun angel te extruderen en hun vleugels uit te spreiden, soms terwijl ze de korf in rennen waar hun nestgenoten zijn.

"In beide gevallen veroorzaakt hun gedrag het vrijkomen van het steekalarmferomoon, een complex geurmengsel dat rechtstreeks op de angel wordt gedragen", zegt neurobioloog Morgane Nouvian.

Dit chemische signaal wekt nabijgelegen honingbijen op en rekruteert ze naar de plaats van de verstoring. Daar beslissen ze of ze al dan niet deelnemen aan de verdedigingspoging door het roofdier te steken of anderszins lastig te vallen. Daarom speelt het steekalarmferomoon een grote rol in de verdedigingsreactie van de kolonie. Maar speelt de groepsgrootte ook een rol?

Interdisciplinair onderzoek onderzoekt hoe omstandigheden de defensieve reacties van individuele bijen beïnvloeden

Een interdisciplinaire samenwerking tussen vroege onderzoekers - de bioloog Dr. Morgane Nouvian en computerwetenschapper Junior Professor Tatjana Petrov van het Center for the Advanced Study of Collective Behaviour aan de Universiteit van Konstanz - ontwikkelde een model en methodologie om te kwantificeren hoe de respons op het alarm feromoon evolueert tijdens een defensieve gebeurtenis, voor een bepaalde groepsgrootte. De resultaten zijn gepubliceerd in PLOS Computational Biology op 15 september 2022.

"Ons biologische doel is om het effect te bestuderen dat de omgevingsomstandigheden hebben op de defensieve reactie van individuele bijen", zegt de laatste auteur Morgane Nouvian. In dit werk richtte het onderzoeksteam zich op de impact van groepsgrootte, aangezien eerdere studies hebben aangetoond dat deze factor agressieve reacties bij sociale insecten kan beïnvloeden.

"Het aanpakken van dit biologische doel opende nieuwe uitdagingen voor de computerwetenschap", zei Petrov. "Het begrijpen van sociale feedback - hoe het collectieve gedrag zich aanpast aan veranderingen in groepsgrootte - vereist het omgaan met complexe modellen en beperkte experimentele gegevens, en dus het integreren van modelgebaseerde en gegevensgestuurde methodologieën."

Tweeledige onderzoeksaanpak

De auteurs observeerden eerst het gedrag van groepen bijen die werden geconfronteerd met een nep-roofdier, een roterende dummy, en kwantificeerden hun defensieve reactie door simpelweg het aantal stingers te tellen dat in de dummy was ingebed aan het einde van een proef. Daarna stelden ze een wiskundig model voor van de groepsdynamica, dat op transparante wijze de waarschijnlijke keuze van een enkele bij om te steken bij een gegeven alarmferomoonconcentratie koppelt aan de collectieve uitkomst die in het experiment werd waargenomen.

Het extraheren van het gedrag van individuen uit gegevens op groepsniveau is op verschillende niveaus een interessant probleem vanuit het oogpunt van informatica. "Ten eerste lijden modellen van groepsgedrag die elke mogelijke sociale context van een individu opsommen onder de combinatorische explosie van staten, maar ook onder een groeiend aantal modelparameters", zegt Tatjana Petrov. "Bovendien vereisen veel bronnen van onzekerheid, zoals gerandomiseerde keuzes van individuen, onbekende parameters of beperkte gegevenssteekproeven, nieuwe methoden om onzekerheid te kwantificeren."

Bijen wegen mee in hun sociale context bij het nemen van de beslissing om te steken

De samenwerking tussen computerwetenschappers en neurobiologen geeft beide partijen een nieuwe kijk op onderzoek. "Wat de computationele kant betreft, hebben we een nieuwe methode voorgesteld om individueel gedrag uit bevolkingsgegevens te extraheren", zegt Petrov. "Daarvoor hebben we op unieke wijze state-of-the-art formele methoden en statistische gevolgtrekking gecombineerd."

Een door de auteurs gecreëerde softwaretool integreert modulair alle stappen van het analyseproces. De software, ontwikkeld en onderhouden door promovendus Matej Hajnal, maakt het mogelijk om te focussen op de biologische vraag, met enerzijds een duidelijke modelinterpretatie en anderzijds onzekerheidskwantificering.

"Aan de biologische kant leveren we bewijs dat bijen wegen in hun sociale context bij het nemen van de beslissing om te steken", zegt Nouvian. "We komen tot dit bewijs door onze analyse op elke groepsgrootte afzonderlijk uit te voeren en vervolgens de dosis-responscurve te vergelijken met het verkregen alarmferomoon." De auteurs laten zien dat rekrutering minder effectief wordt naarmate de groepsgrootte toeneemt, en dus sociale inhibitie een rol speelt bovenop alarmferomooncommunicatie.

"Onze methodologie richt zich op een specifiek sociaal fenomeen bij honingbijen, maar het kan ook worden gezien als proof-of-concept voor de huidige uitdaging om de black-box-modellen van waargenomen collectief gedrag te 'openen' en interpreteerbare gedragshypothesen op het niveau van individuen', zegt Petrov. Ze verwacht dat haar aanpak kan worden toegepast op een reeks andere biologische systemen. "Met betrekking tot een bredere toepassing van onze aanpak hebben we al nieuwe computationele uitdagingen geïdentificeerd, vooral met betrekking tot het bieden van schaalbaarheid en onzekerheidskwantificering in het geval van bijvoorbeeld grote populaties, onnauwkeurige metingen en een rijkere cognitieve capaciteit van individuen." + Verder verkennen

Stekken of niet steken? Hoe bijen verdedigingsgedrag organiseren