Введение
Вид пчел Bombus terrestris, или шмель бурохвостый (крупный земляной шмель), является одним из самых распространенных видов шмелей в Европе. Он широко используется для опыления в теплицах, поэтому встречается во многих странах и регионах, где не является местным видом, например, в Тасмании. Кроме того, это эусоциальное насекомое с перекрывающимися поколениями, разделением труда и совместным заботой о потомстве. Королева моногамна, то есть спаривается только с одним самцом. Рабочие особи B. terrestris запоминают цвета цветов и эффективно собирают нектар и пыльцу.
Bombus terrestris, the buff tailed bumblebee or large earth bumblebee, is one of the most numerous bumblebee species in Europe. It is one of the main species used in greenhouse pollination, and so can be found in many countries and areas where it is not native, such as Tasmania. Moreover, it is a eusocial insect with an overlap of generations, a division of labour, and cooperative brood care. The queen is monogamous which means she mates with only one male. B. terrestris workers learn flower colours and forage efficiently.
Таксономия и филогенетика
B. terrestris относится к отряду перепончатокрылых (Hymenoptera), который включает муравьев, пчел и ос. Семейство Apidae состоит исключительно из пчел. Он также относится к подсемейству Apinae. Внутри Apinae выделяют 14 трибовых линий, и B. terrestris входит в трибу шмелей (Bombini). Он принадлежит к роду Bombus, который включает только шмелей, и к подряду Bombus sensu stricto. Этот подрод содержит близкородственные виды, такие как Bombus affinis, Bombus cryptarum, Bombus franklini, Bombus ignitus, Bombus lucorum, Bombus magnus, Bombus occidentalis и Bombus terricola. Выделяют девять признанных подвидов: B. terrestris africanus, B. terrestris audax, B. terrestris calabricus, B. terrestris canariensis, B. terrestris dalmatinus, B. terrestris lusitanicus, B. terrestris sassaricus, B. terrestris terrestris и B. terrestris xanthopus, каждый из которых характеризуется уникальной окраской.
Описание и идентификация
B. terrestris – это пчелы, собирающие пыльцу, которые обычно питаются нектаром и пыльцой. Длина матки составляет от 20 до 22 мм, самцов – от 14 до 16 мм, а рабочих – от 11 до 17 мм. У рабочих белые кончики брюшка, и они выглядят почти так же, как рабочие белохвостого шмеля (B. lucorum), близкого родственника, за исключением того, что желтоватые полосы у B. terrestris в прямом сравнении темнее. У матки B. terrestris есть характерный светло-охристый кончик брюшка ("хвост"); эта область белая, как у рабочих у B. lucorum. B. terrestris уникальна среди других пчел тем, что у ее касты рабочих наблюдается значительная вариация в размерах, при длине груди от 2,3 до 6,9 мм и массе от 68 до 754 мг. Кроме того, этот вид одичал после того, как был завезен в качестве опылителя теплиц в страны, где он не является местным, и теперь считается инвазивным видом во многих из этих мест, включая Японию, Чили, Аргентину и Тасманию. Гнезда обычно располагаются под землей, например, в заброшенных норах грызунов. Колонии строят сотообразные гнезда с ячейками для яиц, в каждой из которых содержится несколько яиц. Матка откладывает ячейки с яйцами друг на друга. В среднем колония насчитывает от 300 до 400 пчел, при этом количество рабочих сильно варьируется.
Социальные касты
Как и у большинства социальных пчел, у B. terrestris выделяют три основных социальных кастовых деления. Это обеспечивает разделение труда и эффективное функционирование колонии. Королевы становятся главными самками, предназначенными для размножения в будущей колонии. В каждой колонии их только одна. Её единственная задача – откладывать яйца после основания гнезда. Эта судьба предопределяется для личинок, получающих больше пищи, имеющих более длительные стадии развития и более высокий уровень биосинтеза ювенильного гормона. Рабочие, полностью состоящие из самок, в основном занимаются сбором пищи, защитой колонии и уходом за растущими личинками. Обычно они стерильны на протяжении большей части жизненного цикла колонии и не выращивают собственное потомство. В отличие от королевы и рабочих, которые развиваются из оплодотворенных диплоидных яиц, трутни, или самцы пчел, рождаются из неоплодотворенных гаплоидных яиц. Трутни покидают колонию вскоре после достижения зрелости, чтобы найти себе пару вне гнезда. Спаривание – их единственная роль в колонии.
Жизненный цикл
Одинокая королева, вылупившаяся из покинутой колонии, запускает цикл колонии, спариваясь с самцом и находя гнездо. Она остаётся в этом гнезде на зиму, а весной откладывает небольшую партию диплоидных (женских) яиц. После вылупления она заботится о личинках, кормя их нектаром и пыльцой. Когда личинки вырастают, они окукливаются, и примерно через две недели появляются первые рабочие особи. Это называется фазой инициации колонии. Эта первая фаза может длиться различное время у *Bombus terrestris*, после чего наступает переломный момент, и королева начинает откладывать неоплодотворенные яйца, из которых развиваются самцы. Новые королевы иногда выступают в роли рабочих и помогают вырастить новое поколение королев. В это время они ежедневно покидают гнездо в поисках пищи, в процессе чего могут спариваться. В конечном итоге они находят место для выкапывания "гибернакулума", где впадают в спячку до следующей весны, когда они выходят, ищут пищу – прежде всего для развития яичников – и вскоре приступают к поиску места для основания нового гнезда. (В более тёплом климате они могут пропустить стадию спячки.) Почти всегда старая колония погибает, и если место свободно от паразитов, одна из новых королев возвращается и использует его повторно.
Система скрещивания
B. terrestris – вид, спаривающийся с одним самцом. Спаривание с несколькими самцами могло бы обеспечить пользу в виде генетического разнообразия среди потомства, но это не происходит ни у этого вида, ни у каких-либо других, кроме наиболее развитых социальных пчел. Отсутствие многократного спаривания у маток B. terrestris может быть частично связано с помехами со стороны самцов. Самцы B. terrestris закупоривают половой тракт самки липким выделением во время спаривания, что, по-видимому, снижает способность самки успешно спариваться с другими самцами в течение нескольких дней. Однако самцы медоносных пчел также закупоривают репродуктивный тракт самки, но это не дает результата; медоносные пчелы спариваются десятки раз во время одного брачного вылета. Несмотря на то, что гетерогенность колонии может приносить генетические преимущества от полиандрической системы спаривания, шмели, вероятно, также являются моноандрическими из-за социальных ограничений, рисков, связанных с многократным спариванием, и филогенетической инерции, поскольку предковые пчелы спаривались только с одним самцом. Поиск нескольких партнеров может быть энергетически затратным и подвергать матку повышенному риску хищничества. Кроме того, хотя матки могут предпочитать многократное спаривание для обеспечения большего генетического разнообразия и жизнеспособного потомства, рабочие особи более тесно связаны с полными сестрами, чем с полусестрами по отцу.
Половое соотношение
Из-за изменчивости момента перехода от производства рабочих особей к производству самцов в колониях B. terrestris, наблюдается разное соотношение полов в разных гнёздах. Колонии с ранним переходом имеют значительно меньшее количество будущих маток по сравнению с самцами (1:17.4), что может давать им конкурентное преимущество при спаривании с более поздно появляющимися матками. В колониях с поздним переходом пола меньше самцов и более сбалансированное соотношение полов – 1:1:3, что указывает на контроль королевы над колонией (она предпочитает соотношение 1:1, поскольку имеет одинаковую степень родства как с сыновьями, так и с дочерьми). Рабочие особи, напротив, предпочитают соотношение 3:1, так как они более тесно связаны друг с другом, чем со своей матерью. Хотя численность колоний с ранним и поздним переходом обычно сбалансирована в популяции, в одном исследовании была выявлена общая тенденция к преобладанию самцов, что привело к общему соотношению полов 1:4 (самки к самцам). Это необычно для моногамных социальных насекомых, у которых обычно наблюдается соотношение полов 3:1, свидетельствующее о контроле рабочих особей над колонией. B. terrestris часто не соответствует стандартным прогнозам относительно соотношения полов, основанным на эволюционной теории и теории гаплодиплоидии.
Удаление королевы
Королева пчел может контролировать оогенез у рабочих пчел, подавляя выработку ювенильного гормона (JH) у рабочих, который регулирует развитие яйцеклеток. У рабочих пчел *Bombus terrestris* без матки железы аллата, секретирующие JH, были заметно увеличены по сравнению с рабочими пчелами с маткой. Концентрация JH также была выше в гемолимфе рабочих пчел без матки. Это позволяет предположить, что присутствие матки достаточно, чтобы предотвратить откладывание яиц рабочими, что помогает ей поддерживать генетический контроль над расплодом колонии. Механизм, посредством которого матка вызывает такое поведение, вероятно, связан с феромонами.
Подавление рабочих
Хотя королева контролирует большую часть откладывания яиц и развития личинок в колонии, вероятно, что работницы играют гораздо более значительную роль в контроле над откладыванием яиц, чем считалось ранее. Доминирующие работницы часто подавляют откладывание яиц молодыми работницами. У рабочих низкий уровень ювенильного гормона и развития яичников на ранних стадиях жизненного цикла колонии, а также после точки конкуренции. Рабочие, помещенные в колонии с маткой и без нее, испытывают схожий уровень подавления со стороны сородичей во время точки конкуренции, что указывает на ключевую роль контроля работниц над другими членами гнезда на более поздних стадиях жизненного цикла колонии. Это позволяет предположить, что репродуктивное развитие рабочих будет наиболее интенсивным между ранней стадией развития и точкой конкуренции в колонии.
Алоэтизм
Пчелы B. terrestris проявляют аллоэтизм, заключающийся в том, что пчелы разных размеров выполняют различные задачи. Такое поведение наиболее часто наблюдается в процессе сбора корма. Более крупные пчелы чаще встречаются за пределами гнезда, собирая нектар и пыльцу, и возвращаются с большими объемами этих ресурсов. Вероятно, более крупные пчелы способны выдерживать большие перепады температур, избегать хищничества и преодолевать большие расстояния, что дает им селективное преимущество. Четко выраженные социальные роли, основанные на морфологии, также могут быть полезны для особей в колонии, повышая эффективность ее работы. Мелких пчел можно выращивать с меньшими затратами и использовать для работы внутри гнезда, в то время как лишь некоторые личинки получают достаточное питание, чтобы вырасти в крупных пчел, собирающих корм.
Способность к ориентированию
B. terrestris обладает впечатляющей зоной расселения, где пчелы, перемещенные из своих гнезд, способны переместить колонию с расстояния до 9,8 км. Однако возвращение часто занимает несколько дней, что указывает на то, что B. terrestris, вероятно, использует знакомую растительность и естественные ориентиры для поиска гнезда. Это может быть длительным процессом, если отдельная пчела находится за пределами обычной зоны кормодобычи гнезда. Другое исследование показало, что эти пчелы способны находить дорогу обратно в гнездо с расстояния до , хотя большинство добывают корм в пределах 5 км от гнезда. Одно исследование методом мечения и повторного отлова показало, что среднее расстояние кормового облета составляет приблизительно 663 м. Самцы пчел также имеют больший радиус полета, чем рабочие пчелы, вероятно, потому, что они удаляются от гнезда на большее расстояние в поисках самок. Радиус полета самцов варьируется от 2,6 до 9,9 км. Если самцы также участвуют в опылении, это может увеличить ранее прогнозируемые диапазоны распространения пыльцы, основанные на поведении рабочих пчел во время полета.
Учиться
Шмели и медоносные пчелы крайне чувствительны к врожденному предпочтению синего и желтого цветов. Не имея опыта обучения, они часто посещают только те цветы, которые естественно их привлекают. Однако, общепринято считать, что пчелы учатся посещать более щедрые нектаром цветы, когда опыт связывает вознаграждение с цветом лепестков. Это было продемонстрировано на примере B. terrestris, где пчелы, обученные на искусственно окрашенных цветах, при тестировании с набором цветов выбирали оттенок, схожий с тем, на котором они были обучены. Если пчел тестировали с цветами, значительно отличающимися от тех, на которых они обучались, они посещали цветы, наиболее соответствующие их врожденным цветовым предпочтениям. Помимо идентификации определенных цветов для сбора корма, было показано, что молодым рабочим пчелам необходимо осваивать сложные двигательные навыки для эффективного сбора нектара и пыльцы с цветов. Развитие этих навыков может занимать несколько дней, поскольку память не всегда сохраняется идеально изо дня в день, а иногда ухудшается в течение ночи. Даже внутри одного вида различные популяции демонстрируют разную степень врожденного предпочтения синего цвета и внутривидовую вариативность скорости обучения при выполнении задач на ассоциацию. Это справедливо для двух подвидов B. terrestris: B. terrestris dalmatinus и B. terrestris audax. Исследование предполагает, что шмели способны к мотивационным компромиссам.
Ограничения точности выбора пищи
Хотя пчелы обладают высокой способностью к различению, они все же ограничены величиной разницы в оттенках, необходимой для корректного выполнения этих тестов. Вероятность ошибок при распознавании цветов у B. terrestris возрастает, когда цветочные пигменты расположены близко друг к другу в цветовом спектре. Это может негативно сказаться на эффективности опыления, если пчелы посещают разные виды цветов с похожими, но различными цветами, что возможно компенсировать только уникальной формой цветков.
Социальное обучение
Хотя пчелы часто собирают нектар в одиночку, эксперименты демонстрируют, что молодые фуражиры могут быстрее научиться определять, какие цветы дают больше всего нектара, когда кормятся вместе со взрослыми пчелами. У особей *B. terrestris* наблюдается более быстрый процесс обучения при посещении незнакомых, но дающих вознаграждение цветов, если они видят, как сородич собирает нектар с того же вида. Открытие этого типа ассоциативного обучения дает новое представление о поведении пчел и может дополнять обучение посредством ассоциации цвета и вознаграждения.
Паразиты в кошачьих норах
B. terrestris является объектом паразитизма со стороны B. bohemicus, кукушки-пчелы, практикующей гнездовой паразитизм, которая проникает в ульи B. terrestris и захватывает репродуктивное доминирование у матки-хозяина, откладывая собственные яйца, о которых заботятся рабочие пчелы-хозяева. Другим гнездовым паразитом является пчела B. vestalis. Оба этих вида распространены в различных регионах Европы. Отличие B. bohemicus от B. vestalis заключается в том, что первая паразитирует на нескольких видах шмелей, а B. vestalis – исключительно на B. terrestris.
Микроспоридийные паразиты
Распространенным микроспоридианским паразитом, инфицирующим кишечник различных видов шмелей, включая B. terrestris, является Nosema bombi. N. bombi может вызывать медленно развивающуюся болезнь и негативно сказываться на жизнеспособности шмеля-хозяина. Исследование, проведенное Манликом и др. (2017), показало, что распространенность инфекции N. bombi значительно варьируется во времени и связана с генотипами митохондриальной ДНК у B. terrestris.
Влияние поиска пищи на резистентность
Поиск пищи считается энергетически затратным, и существует вероятность, что особи, проводящие больше времени на поиске пищи, несут потери для своей общей приспособленности. Например, B. terrestris часто подвержена паразитизму конноповидных мух в Центральной Европе, и было высказано предположение, что особи, занимающиеся сбором пищи, могут страдать от более высокой частоты встречаемости паразитов из-за возросших метаболических затрат на полёт. Это было продемонстрировано на популяции, в которой рабочие особи, занимающиеся поиском пищи, демонстрировали значительно более низкий уровень инкапсуляции экспериментального яйца паразита по сравнению с не занимающимися поиском пищи рабочими особями. Это позволяет предположить, что у собирателей пищи ослаблена иммунная система из-за повышенных энергетических расходов и они могут быть более восприимчивы к паразитам-мухам.
Влияние полиандрии на резистентность
В то время как B. terrestris – вид, спаривающийся лишь однажды, полиандрическая система потенциально могла бы быть выгодна, поскольку это позволило бы достичь большей генетической изменчивости для устойчивости к заболеваниям. Соответственно, искусственное увеличение числа партнеров, которых получает матка B. terrestris посредством искусственного осеменения, показало, что повышенная генетическая изменчивость у ее потомства обеспечивает большую устойчивость к наиболее распространенному паразиту шмелей – Crithidia bombi. Это неожиданно, так как иммунитет должен ослабевать в условиях ограниченных пищевых ресурсов для экономии энергии. Возможно, инкапсуляция является неотъемлемой характеристикой шмелей, или иммунитет слишком сложен, чтобы его можно было охарактеризовать исключительно на основе измерений инкапсуляции.
Угрозы болезней
Вирус деформированного крыла (DWV) обычно является патогеном медоносных пчел, вызывающим уменьшение и скручивание крыльев, что делает особей нежизнеспособными. Предполагается, что этот вирус распространился на B. terrestris, и в 2004 году до 10% пчелиных маток, выращенных в Европе в коммерческих целях, были обнаружены мертвыми с деформированными крыльями. Это было подтверждено как DWV, когда в колониях B. terrestris была обнаружена РНК DWV. Это может свидетельствовать о том, что DWV является патогеном с широким спектром хозяев среди пчел, или, возможно, он недавно начал заражать новых хозяев после передачи от медоносных пчел.
Взаимодействие с другими видами
Самки пчелиных мотыльков (Aphomia sociella) предпочитают откладывать яйца в гнездах шмелей. Личинки A. sociella вылупляются и питаются яйцами, личинками и куколками, оставленными шмелями без присмотра, иногда уничтожая значительные части гнезда, прокладывая ходы в поисках пищи.
Инвазивные виды
Хотя B. terrestris родом из Европы, он был интродуцирован как опылитель в теплицы во многих чужеродных экосистемах. Присутствие B. terrestris становится причиной экологической обеспокоенности во многих регионах, где он не является местным видом. В Японии он классифицируется как "инвазивный чужеродный вид". В 2004 году этот шмель был признан "ключевым угрожающим фактором" Научным комитетом Департамента окружающей среды штата Новый Южный Уэльс. Этот вид был интродуцирован в Чили в 1998 году. С тех пор он распространился на территорию Аргентины и перемещается со скоростью около 275 км в год. Его распространение наносит вред популяциям Bombus dahlbomii, единственного вида шмелей, обитающего в южной части Южной Америки (Патагония, южный Чили и Аргентина). Популяции Bombus terrestris способствовали резкому и значительному сокращению численности Bombus dahlbomii посредством конкуренции и занесения/передачи патогенов. Bombus ruderatus, пчела, интродуцированная ранее в 1982 году, также серьезно пострадала. Считается, что причиной является паразит Apicystis bombi, переносимый шмелями B. terrestris, но не оказывающий негативного влияния на них самих.
Развитие колонии в изменяющейся среде
В умеренных широтах наблюдаются переменчивый климат и условия окружающей среды в течение смены сезонов. Недостаток доступной пищи из-за этих непредсказуемых обстоятельств часто негативно сказывается на росте колонии, размножении и устойчивости к паразитам. В неблагоприятных условиях с ограниченным количеством пищи, немногочисленные рождающиеся рабочие особи оказываются меньше среднего размера. Однако, похоже, что B. terrestris хорошо адаптирована к изменяющейся среде, поскольку рост колонии выше при переменных условиях кормления, чем при стабильных. Рабочие особи и репродуктивные самки также имеют больший вес при переменном обеспечении пищей по сравнению со стабильной доступностью пищи. Это может свидетельствовать об адаптивной стратегии увеличения запасов, чтобы пережить дни, когда трудно найти корм. Исследование, опубликованное в 2015 году, показало, что пчелы предпочитают растворы, содержащие неоникотиноиды, даже несмотря на то, что потребление этих пестицидов приводит к общему снижению потребления пищи. Данная работа указывает на то, что обработка цветущих культур такими пестицидами представляет серьезную угрозу для пчел, собирающих нектар и пыльцу.
Коммерческое использование
С 1987 года B. terrestris разводится в коммерческих целях для использования в качестве опылителя в европейских тепличных хозяйствах, особенно томатов – работа, которая ранее выполнялась вручную. B. terrestris коммерчески разводят в Новой Зеландии с начала 1990-х годов, и сейчас его используют как минимум в Северной Африке, Японии, Корее и России, при этом мировой объем торговли колониями шмелей, вероятно, превышает 1 миллион гнезд в год. Однако в Корее некоторые выбирают Bombus ignitus вместо уже зарекомендовавшего себя коммерческого опылителя Bombus terrestris из-за опасений конкуренции или генетического загрязнения в результате скрещивания с местными видами шмелей. Кроме того, был введен запрет на импорт B. terrestris в Северную Америку, что привело к повышенному интересу к другим видам, таким как B. impatiens. Тем не менее, B. terrestris остается ключевым коммерческим опылителем в Европе, что побудило исследователей изучать влияние сельскохозяйственных земель на фуражировку и выживание этого вида. Монокультуры снижают биоразнообразие в сельскохозяйственных районах и, вероятно, уменьшают количество цветущих растений, доступных для опыления. В результате B. terrestris демонстрирует более интенсивный рост гнезд в пригородных районах, чем на сельскохозяйственных угодьях, поскольку местные пригородные сады поддерживают большее разнообразие растений, служащих пищей для пчел. Сельское хозяйство оказывает значительное влияние на многих шмелей и является причиной широкого сокращения численности ряда видов. Однако B. terrestris по-прежнему широко распространен, вероятно, потому, что он способен осуществлять фуражировку на очень больших расстояниях, что делает его менее чувствительным к изменениям биоразнообразия и состояния окружающей среды.