Материал производила отдельная каста рабочих пчел
Биологи и материаловеды из Египта, Германии, Китая, США и Швеции в эксперименте с медоносными пчелами показали, что соты, в которых развиваются будущие королевы, состоят из особого воска. В отличие от материала обычных сот, этот воск мягче и более проницаем, а температура плавления у него выше. Его производит отдельная группа рабочих пчел: они имеют более высокую температуру температуру грудной клетки. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Личинок пчел, из которых получатся королевы, на протяжении всего развития выкармливают маточным молочком — секретом глоточных желез пчел-кормилиц, который богат уникальными белками и жирными кислотами. Личинки рабочих особей получают маточное молочко только в первые три дня после вылупления, а затем их переводят на мед и пергу. Считается, что именно состав маточного молочка обеспечивает формирование репродуктивной самки. Например, оно содержит белок MRJP1, или Royalactin, который, как показано ранее, инициирует развитие яичников будущей королевы. Впрочем, другой эксперимент показал, что развитие у личинки репродуктивных признаков происходит и под действием другого белка — бычьего сывороточного альбумина. Позднее ученые выяснили, что одного лишь белка недостаточно — тоже играют роль количество и вязкость маточного молочка, а еще — форма маточника — выводковой камеры, в которой развивается личинка.
Команда ученых во главе с Ван Кай (Kai Wang) из Института пчеловодства Китайской академии сельскохозяйственных наук решила проверить, отличаются ли химические и физические свойства сот, где развиваются рабочие и репродуктивные особи медоносных пчел (Apis mellifera). Под электронным микроскопом воск из камер королев был более рыхлым, и в нем виднелись отдельные чешуйки, тогда как воск из камер рабочих был плотным и компактным, а чешуйки были спрессованы. Химический состав воска маточников и воска рабочих сот был схож, однако воск маточника содержал меньше алканов и восковых эфиров и был обогащен ненасыщенными жирными кислотами — олеиновой, линолевой и α-линоленовой. Из 129 летучих соединений 20 были уникальны для воска маточника, а 9 — для воска сот, где развивались рабочие особи. Физические свойства тоже различались: воск маточников был менее твердым и плотным, легче сминался и рвался, плавился при более высокой температуре, а также был более проницаем и быстрее испарял влагу.
После химического и физического анализа авторы взяли воск из сот для личинок рабочих, добавили туда графит и дали пчелам для переработки — чтобы те построили из него новые выводковые камеры. Так авторы хотели узнать, как много старого воска пчелы используют для строительства камер, и отличается ли их стратегия от того, будет это обычная камера или маточник. Оптическая плотность графита в контрольном воске составила 120, в сотах для будущих рабочих пчел — 96, а в маточниках — 74. То есть при строительстве маточников пчелы добавляли больше нового воска.
Затем ученые обнаружили, что маточники строят определенные рабочие особи: они моложе, а температура их грудной клетки выше — 39,7 градуса, тогда как у строителей сот для рабочих — 36. Транскриптомы строителей простых сот и маточников тоже различались: у тех, кто строил выводковые камеры для королев, уровни экспрессии 250 генов были выше, а 863 — ниже. Эти гены отвечали в том числе за синтез воска и метаболизм жирных кислот.
В конце концов, чтобы проверить, действительно ли воск маточника необходим для развития репродуктивных самок, ученые заменили восковые колпачки на их выводковых камерах на колпачки из воска других маточников или сот рабочих, инкубировали их и спустя неделю оценили выживаемость и развитие куколок. Эксперимент повторяли трижды. Куколки под колпачками из воска сот для рабочих были на 30 процентов легче контрольных (с колпачком, который оставили как есть) и тех, кто развивался под колпачком из воска других маточников. Выживаемость их также была ниже: в контрольной группе выжило 75–80 процентов куколок, а в группе с маточными колпачками — 61–75 процентов, а в группе с колпачками из простого воска — 38–50 процентов. Затем тот же эксперимент повторили на китайской восковой пчеле (Apis cerana), и результаты были такими же.
Ученые заключили, что особый воск маточника, который производит отдельная каста рабочих пчел, — необходимое условие для нормального развития королевы. Даже при кормлении маточным молочком репродуктивные самки нуждаются в особенной физико-химической среде.
Ранее ученые обнаружили, что язык шмелиной королевы хуже собирает нектар, чем язык рабочей самки.