Střípky z vědy: Rojení, část II.

Dutina stromu

V této části se podrobněji zaměříme na způsob, jakým se vyrojené včely rozhodují o novém bydlišti. První část tohoto miniseriálu, která je celkovým přehledem celého procesu rojení, si můžete přečíst zde, třetí část pak zde.

Jak se včely rozhodují

Rojení je fenomén, který má nekonečně aspektů. Je na pohled fascinující, je to symbol vitality včel a můžeme ho zkoumat i vědecky. Máme to štěstí, že rojení je otevřené okno do fungování včelstva, v tomto případě do jeho kolektivního rozhodování při hledání nového domova.

Když se na jaře včelstvo rojí, přibližně tři čtvrtiny dělnic se starou matkou hromadně opustí hnízdo, kde zanechají dílo, plod i nové matky, takže i toto značně oslabené včelstvo má čas i podmínky pro doplnění stavu a pokračování svého (při značné dávce štěstí) nekonečného života.

Vyrojený oblak včel během asi 20 minut usedne na blízkou větev (či jinam) a začne náročný proces rozhodování o novém domově. Výkonným prvkem je četa několika stovek pátraček, které se rozletí do všech směrů prohledávat dutiny stromů a jiná potenciálně vhodná místa k uhnízdění. Výsledkem je několik, v průměru kolem deseti kandidátů. Samozřejmě záleží na konkrétním místě, kulturní krajina s intenzivním hospodařením a vysoké zavčelení nabídku snižuje.

Vrátivší se pátračky informují o svém objevu kývavým (osmičkovým) tancem, stejně jako při oznamování zdroje snůšky. Verbují tak nové pátračky, které zatím žádný zdroj nenalezly. Pokud tyto rekrutky cíl naleznou a posoudí jako přijatelný, k tanci se přidají. Když se tyto skupinky po nějaké době shodnou, jaké místo bude nejlepší, roj se zvedne a pátračky jej dovedou do cíle.

Obrázek 1: Časové snímky nalezených cílů a stavu rozhodovacího procesu. Písmena A – I označují nalezená potenciálně vhodná místa k uhnízdění. Délka šipky odpovídá vzdálenosti cíle (viz měřítko). V závorce je počet pátraček, které označují daný cíl. Vidíme, že bodem zlomu je druhý den, kdy mezi sebou soutěží dva rovnocenné cíle (B a G). Brzy však začne silně převažovat cíl G a proces je již nezvratný

Výzkum chování roje

Klasické práce, které se zabývají procesem rozhodování v roji, pocházejí z pera německého vědce M. Lindauera. Přestože první z nich již oslavila šedesáté narozeniny, zjištění v nich uvedená odolala zkoušce času. Tématem se zabývali i velikáni oboru jako Karl von Frisch nebo Richard Dawkins. Po letech a s využitím moderní techniky se pokusil ověřit a rozšířit dosud známá fakta Thomas Seeley. Použil kontinuální videozáznam, který umožnil sledovat tance jednotlivých pátraček v průběhu času. Poprvé jsme tak získali nejen přehled o chování včelstva jako celku, ale mohli jsme identifikovat, jak se průběžně vyvíjí chování každé pátračky zvlášť.

Výběr nového hnízda probíhá přibližně takto:

  • Na pátrání se podílí postupně několik stovek jedinců, nikoli však současně. Včely, které určité místo oznamují dříve, postupně odpadají, takže současně můžeme vidět tančit maximálně několik desítek včel
  • Potenciální místa pro usazení včely objevují postupně, pořadí nálezu však nemá vliv na vítězného kandidáta. Zajímavé také je, že většina nalezených míst bývá poměrně vzdálená od původního hnízda
  • Z počátku panuje v tancích velká diverzita, každá skupinka ohlašuje svůj nález. Postupně však jedno z míst začne silně převažovat, až nastane úplná jednota. Také se zvýší počet tančících včel i intenzita a délka tanců (tzv. crescendo). Během hodiny pak roj vzlétne

Moderní výzkum

Tato zjištění jsou již známa delší dobu, referoval o nich již M. Lindauer. T. Seeley závěry potvrdil, avšak přinesl hlubší pohled na způsob, jakým vzniká konsensus, a to díky možnosti individuálního sledování jednotlivých pátraček. Jeho pozorování můžeme shrnout:

  • Jednou z otázek bylo, zda včely, které oznamují nezvolené hnízdo, přestanou v průběhu času tančit, či zda změní tanec na zvolený cíl. Odpověď (možná překvapivě) zní, že většinou platí první varianta. Pouze menší část pátraček (cca 15 %) tanec změní, většina tančit přestane
  • Zajímavým zjištěním také je, že mnoho pátraček ustane v tanci i tehdy, pokud nalezly „správnou“ dutinu. Zdá se, že jde o obecný mechanismus, kdy každá včela dříve či později s tancem ustane bez ohledu na kvalitu nalezeného cíle

Obrázek 2: Činnost jednotlivých pátraček v průběhu času. Oranžová čára označuje aktivní zapojení do rozhodovacího procesu, šedá tečkovaná čára označuje čas, během kterého včely, které v tanci ustaly, již neprováděly žádné tance. Kolečka označují souhrnně tance pro všechna místa, která nakonec nebyla zvolena, červeně jsou označeny tance pro zvolené hnízdo.

Z 26 včel, které zpočátku oznamovaly „nesprávné“ místo:

  • 0 % pokračovalo až do konce
  • 27 % změnilo oznamované místo
  • 73 % přestalo tančit

Ze 47 včel, které zpočátku oznamovaly „správné“ místo:

  • 60 % pokračovalo až do konce
  • 0 % změnilo oznamované místo
  • 40 % přestalo tančit

Dobře je vidět lavinovitý nárůst počtu nových rekrutek od poloviny druhého dne, kdy došlo ke zlomu v rozhodovacím procesu

Proč pátračky nevydrží tančit?

Důvody, proč pátračky ustávají v tanci, jsou externí a interní. Externími důvody může být vzájemná interakce dvou pátraček. Pokud dělnice, která oznamuje méně kvalitní dutinu, narazí na kolegyni, která tančí intenzivněji (větší amplituda kmitů zadečku, rychlejší obcházení osmiček), působí to na její vlastní tanec tlumivě. Byl pozorován také „stop-signál“ (krátká vibrace 350 Hz s narážením hlavou do druhé pátračky). Naopak setkání s pátračkou, která oznamuje stejnou dutinu, působí excitačně, signál je posílen.

Interní důvody mohou spočívat přímo v neurofyziologii včely, kdy v průběhu času klesá motivace k tanci. To zvyšuje rychlost a zabraňuje zablokování rozhodovacího procesu, kdy by několik skupin pátraček tvrdošíjně oznamovalo přibližně stejně kvalitní obydlí. Přirozeným úbytkem dělnic z těchto konkurenčních skupinek pak převládne ta, která dokáže získat více nových rekrutek, které pak ke konci lavinovitě přibývají a proces již nelze zvrátit. Zdá se, že pro celý rozhodovací proces jsou tyto interní důvody nejdůležitější.

Rozhodovací strategie


Studium rozhodovacích procesů je jedna z disciplín psychologie. Studuje se zejména v lidské společnosti (například nákupní chování), srovnání s rozhodovacím procesem u ostatních živočichů však může pomoci oddělit kulturní vlivy od obecných neurofyziologických procesů.

Volba mezi několika alternativami má několik podob. Rozhodování včel je hodně podobné lidskému způsobu výběru při nakupování. Posuzované objekty (ať již dutina nebo kávovar) mají jasně definovatelné parametry, které se dají objektivně posoudit. Můžeme postupovat různě náročnými (ale zároveň různě rychlými) způsoby:

  • Beru první nalezený objekt, který uspokojí mé požadavky. Je to rychlý způsob, ale je možné, že nevyberu to nejlepší, protože dříve nalezené mě uspokojí a dále již nehledám
  • Vylučovací metoda. Zvolím nejdůležitější kritérium, zvolím určitou hranici a vyloučím všechny kandidáty, které jí nedosáhnou. Poté zvolím méně důležitý parametr a takto postupuji, dokud mi nezbyde vítězný objekt
  • Vážená aditivní strategie. Jedná se o časově nejnáročnější způsob, kdy je třeba posoudit všechny parametry, každému přidělit váhu (důležitost) a takto získat „bodovou hodnotu“ každého objektu. Vítězem je pak kandidát s nejvyšším skóre

Jakou strategii volí včely?

Zdá se, že včely se řídí právě poslední strategií. Jak už bylo řečeno, jde o nejnáročnější způsob, ale poskytuje nejlepší výsledek. Lze tedy říci, že je vysoká pravděpodobnost, že včely najdou a vyberou to nejlepší hnízdo, které se v jejich okolí nachází.

Jaké parametry včely při výběru hnízda posuzují? Jde minimálně o šest kritérií:

  • objem dutiny
  • výška vstupu od země
  • velikost vstupu
  • směr vstupu vzhledem se světovým stranám
  • relativní výška vstupu vzhledem ke dnu dutiny
  • přítomnost plástů od předchozího včelstva

Rozhodování o místě usazení roje je jedním z nejnázornějších příkladů funkce včelstva jako celku. Jednotlivá včela s minimální mozkovou kapacitou nemá žádnou možnost aplikovat váženou aditivní rozhodovací strategii, kterou roj používá. Tato možnost vzniká až v superorganismu včelstva. Proces rozhodování nemá žádnou centrální autoritu, je zcela distribuovaný a je postaven na základním fungování jednotlivých včel pátraček ve spojení s jejich vzájemnou interakcí (excitace, inhibice a propagace signálu).

Výsledkem je potom schopnost používat tu nejsložitější z rozhodovacích strategií. Organismus včelstva navíc disponuje výhodou volného spojení jedinců, což mu umožňuje rozprostřít prostorovou síť, která zajistí dokonalé ovládnutí okolí a efektivní nalezení všech potenciálně výhodných dutin. O budoucí domov je tedy ve včelstvu dobře postaráno.

Hlavní zdroj: Seeley, T.D. and S.C. Buhrman 1999. Group decision making in swarms of honey bees. Behav. Ecol. Sociobiol. 45: 19-31.

3 komentáře

  1. Tomáš Ivanský Reagovat

    Michale,
    téma otevřené tímto článkem je z pohledu matematiky i teorie algoritmů extrémně zajímavé. Jak dosáhnout pokročilého chování celku/roje prostřednictvím velkého množství entit s relativně jednoduchými pravidly chování – teorie decentralizovaných samo-organizujících systémů. Ač se to nezdá, tak s velmi podobným typem problému začala zápolit nejprve fyzika někdy v 19. století, kdy se hledaly modely, poskytující rozumné výstupy při přechodu mezi částicí (molekulou apod.) a kontinuem (třeba kapalinou) – míním klasickou fyziku (nikoliv kvantovou, ale to je asi jasné, když pišu 19. století).
    Už vůbec klasifikace problému. Jedná se o deterministický nebo stochastický problém? Jestliže něco víme o pravidlech chování/interakcí jednotlivých entit můžeme z tohoto vyvozovat pravidla chování skupiny/roje? A naopak – pokud jsme identifikovali nějaký typ chování roje, jsme schopni stanovit pravidla chování/interakcí jednotlivých včel? Vzhledem ke komplexitě problému a omezenosti lidské mysli nahlížíme na problém roje z různých stran, různými metodami. Zdá se, že každá z cest dává rozumné výstupy pro jiný aspekt chování roje:
    – Pravděpodobnostní modely – sběr potravy, přenos komunikace v roji, učení roje
    – Teorie automatů – kooperace uvnitř roje, klasifikace a řešení problémů
    – Soustavy diferenciálních rovnic – účení, shlukování, feromonová komunikace
    – Dynamické systémy – stabilita roje, populační dynamika apod.

    Pro mě osobně je velmi zajímavá oblast, která zkoumá problematiku prostřednictvím skupin “inteligentních” agentů. Jednoduše řečeno – agent je jednotka jejíž chování je jednoduše algoritmicky popsáno (tabulkou, funkcí, programem). Formou simulace chování skupiny těchto agentů lze omezeně sledovat jak se transformují jednoduchá pravidla chování agenta do pravidel chování skupiny agentů. Už končím neboť pro nematematika asi text krkolomný, pro matematika suchopárné povidání o matematice bez matematiky. Ale téma, téma je velmi zajímavé, bohužel komplexní. Včelky, ty malé mršky člověka vyučí pokoře velmi rychle.

    Radostné Vánoce.
    Tomáš.

  2. Pingback: Chacharistánské kalendárium-prosinec 2018 - Včelaři sobě

  3. miloslav hříbek Reagovat

    je nekde vedecka prace rojeni a jeho cetnost v datech ? tj pvni treba prvniho kvetna a posledni …a 
    pote pocet roju v datech jestli je to gausova krivka nebo jak to je statisticky – dik – korelace k pocasi a korelace k datumu napr

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *