Att sticka eller inte sticka? Ett larmferomon spelar en avgörande roll för bins vilja att sticka – och deras gruppstorlek, som forskare från universitetet i Konstanz nu har visat

Som ordspråket säger, "Du kan fånga fler flugor med honung än vinäger." Honungsbin vill dock helst undvika att fånga något, men deras honung lockar många rovdjur till kolonin. Vissa, som flugor, är ganska lätta att avskräcka. Andra rovdjur är mycket större än bina och redo att ta emot många honungsbistick för de söta näringsämnena. För att avvärja dem måste honungsbina slå sig samman till en kollektiv stickattack.

Denna försvarsreaktion initieras vanligtvis av tillfälligt specialiserade honungsbin, kallade skyddsbin. De övervakar kolonins omgivning. Om de upptäcker ett stort djur som kommer nära kolonin, reagerar vaktbina antingen genom att sticka inkräktaren eller genom att sticka ut sin sticka och blåsa med vingarna, ibland medan de springer in i kupan där deras bokamrater är.

"I båda fallen orsakar deras beteende frisättningen av stinglarmferomonet, en komplex luktblandning som bärs direkt på stinger", säger neurobiolog Morgane Nouvian.

Denna kemiska signal väcker närliggande honungsbin och rekryterar dem till platsen för störningen. Där bestämmer de sig för om de ska delta eller inte i den defensiva insatsen genom att sticka eller på annat sätt trakassera rovdjuret. Därför spelar stinglarmferomonet en viktig roll i kolonins defensiva reaktion. Men spelar gruppstorlek också någon roll?

Tvärvetenskaplig studie undersöker hur förhållanden påverkar de defensiva reaktionerna hos enskilda bin

Ett tvärvetenskapligt samarbete mellan forskare i tidiga karriärer – biologen Dr Morgane Nouvian och datavetaren juniorprofessor Tatjana Petrov från Center for the Advanced Study of Collective Behavior vid University of Konstanz – utvecklade en modell och metod för att kvantifiera hur lyhördheten för larmet feromon utvecklas under en defensiv händelse, för en given gruppstorlek. Resultaten publicerades i PLOS Computational Biology den 15 september 2022.

"Vårt biologiska mål är att studera effekten som omgivande förhållanden har på det defensiva svaret hos enskilda bin", säger sista författaren Morgane Nouvian. I detta arbete fokuserade forskargruppen på effekten av gruppstorlek, eftersom tidigare studier har funnit att denna faktor kan påverka aggressiva reaktioner hos sociala insekter.

"Att ta itu med detta biologiska mål öppnade upp för nya utmaningar för datavetenskap," sa Petrov. "Förstå social feedback - hur det kollektiva beteendet anpassar sig till förändringar i gruppstorlek - kräver att man hanterar komplexa modeller och begränsade experimentella data, och därmed integrera modellbaserade och datadrivna metoder."

Tvådelad forskningsmetod

Författarna observerade först beteendet hos grupper av bin som konfronterades med ett falskt rovdjur, en roterande attrapp, och kvantifierade deras defensiva reaktion genom att helt enkelt räkna antalet stingers inbäddade i dockan i slutet av en rättegång. Därefter föreslog de en matematisk modell av gruppdynamiken, som på ett transparent sätt kopplar det probabilistiska valet av ett enstaka bi att sticka vid en given larmferomonkoncentration, till det samlade resultatet som observerades i experimentet.

Att extrahera individers beteende från data på gruppnivå är ett intressant problem ur datavetenskaplig synvinkel på flera nivåer. "För det första lider modeller av gruppbeteenden som räknar upp varje möjlig social kontext för en individ av den kombinatoriska explosionen av stater, men också av ett växande antal modellparametrar," säger Tatjana Petrov. "Dessutom kräver många källor till osäkerhet som randomiserade val av individer, okända parametrar eller begränsad dataurvalsstorlek nya metoder för att kvantifiera osäkerhet."

Bina väger i sitt sociala sammanhang när de fattar beslutet att sticka

Samarbetet mellan datavetare och neurobiologer ger båda sidor ett nytt perspektiv på forskning. "På den beräkningsmässiga sidan föreslog vi en ny metod för att extrahera individuellt beteende från befolkningsdata", säger Petrov. "För detta ändamål kombinerade vi på ett unikt sätt toppmoderna formella metoder och statistisk slutledning."

Ett mjukvaruverktyg skapat av författarna integrerar modulärt alla steg i analysprocessen. Mjukvaran, utvecklad och underhållen av doktoranden Matej Hajnal, gör det möjligt att fokusera på den biologiska frågan, samtidigt som den har en tydlig modelltolkning å ena sidan och osäkerhetskvantifiering å andra sidan.

"På den biologiska sidan ger vi bevis för att bin väger i deras sociala sammanhang när de fattar beslutet att sticka," säger Nouvian. "Vi kommer fram till detta bevis genom att köra vår analys på varje gruppstorlek separat och sedan jämföra dos-responskurvan med larmferomonet som erhållits." Författarna visar att rekryteringen blir mindre effektiv när gruppstorleken ökar, och därmed spelar social hämning en roll ovanpå larmferomonkommunikationen.

"Vår metod tar upp ett specifikt socialt fenomen hos honungsbin, men det kan också ses som proof-of-concept för den nuvarande utmaningen att "öppna" black-box-modellerna för observerat kollektivt beteende och tillhandahålla tolkningsbara beteendehypoteser på nivån av individer", säger Petrov. Hon förväntar sig att hennes tillvägagångssätt kan tillämpas på en rad andra biologiska system. "När det gäller en bredare tillämpning av vårt tillvägagångssätt har vi redan identifierat nya beräkningsutmaningar, särskilt när det gäller att tillhandahålla skalbarhet och kvantifiering av osäkerhet vid till exempel stora populationer, oprecisa mätningar och en rikare kognitiv kapacitet hos individer." + Utforska vidare

Att sticka eller inte sticka? Hur bin organiserar försvarsbeteenden