W obliczu kurczących się kolonii pszczół naukowcy uzbrajają królowe w roboty i inteligentne ule

Napisane przez Farshad Arvin, Martin Stefanek i Tomasz Krajnik

Niezależnie od tego, czy chodzi o wiadomości, czy o malejącą liczbę stworzeń uderzających w przednią szybę, nie umknie Ci, że świat owadów jest w złym stanie.

W ciągu ostatnich trzech dekad globalna biomasa owadów latających spadła 75%. Jedną z najbardziej zauważalnych ofiar tego trendu jest najważniejszy na świecie zapylacz, pszczoła miodna. w Stanach Zjednoczonych Ameryki, Zginęło 48% rodzin pszczół miodnych Tylko w 2023 r., co czyni go drugim najbardziej śmiercionośnym rokiem w historii. Ta znacząca strata jest częściowo spowodowana zaburzeniem zapadania się kolonii (CCD), czyli nagłym zniknięciem pszczół. Z kolei kraje europejskie zgłosiły niższy, ale wciąż alarmujący poziom strat w koloniach. Od 6% do 32%.

Spadek ten powoduje, że wiele naszych podstawowych upraw spożywczych nie zostaje zapylonych, co stanowi zagrożenie dla naszego społeczeństwa bezpieczeństwo żywieniowe.

Obalamy mit science fiction o pszczołach-robotach

Co więc można zrobić? Dotacja Rola pestycydów w zaniku rodzin pszczółZazwyczaj sugerowane rozwiązania obejmują: Przejście z rolnictwa przemysłowego oraz w kierunku mniej pestycydów i bardziej zrównoważonych form rolnictwa.

Inni skłaniają się ku fantastyce naukowej, a niektórzy naukowcy wyobrażają sobie, że w końcu będziemy mogli zastąpić żywe pszczoły miodne pszczołami-robotami. Takie sztuczne pszczoły mogłyby wchodzić w interakcję z kwiatami niczym naturalne owady, utrzymując poziom zapylenia pomimo zmniejszającej się liczby naturalnych zapylaczy. Wizja sztucznych zapylaczy przyczyniła się do powstania genialnych projektów Roboty wielkości owadów zdolne do latania.

Tak naprawdę takie wynalazki skuteczniej uczą nas o wyobraźni inżynierów, niż ożywiają rodziny pszczół, więc szanse na ich realizację są bardzo nikłe. Po pierwsze, te sztuczne zapylacze muszą być wyposażone do czegoś więcej niż tylko lotu. Codzienne zadania zwykłych pszczół obejmują poszukiwanie roślin, identyfikację kwiatów, dyskretne wchodzenie z nimi w interakcję, lokalizowanie źródeł energii, unikanie potencjalnych drapieżników i radzenie sobie z niesprzyjającymi warunkami pogodowymi. Roboty będą musiały wykonywać wszystkie te czynności w środowisku naturalnym z bardzo wysokim stopniem niezawodności, ponieważ każdy robot działający nieprawidłowo lub brakujący może spowodować uszkodzenie i rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń. Po drugie, okaże się, czy nasza wiedza technologiczna jest w ogóle zdolna do wytwarzania takich wynalazków. Nie wspominając już o cenie roju robotów, które mogą zastąpić zapylanie zapewniane przez pojedynczą kolonię pszczół miodnych.

Wewnątrz inteligentnej komórki

Zamiast próbować zastępować pszczoły miodne robotami, nasze dwa najnowsze projekty finansowane ze środków UE sugerują, że roboty i pszczoły miodne faktycznie współpracują. Jeśli odniesie sukces, borykające się z trudnościami rodziny pszczół miodnych będą mogły zostać przekształcone w jednostki biohybrydowe składające się z komponentów biologicznych i technologicznych o uzupełniających się umiejętnościach. Mamy nadzieję, że wzmocni to i zabezpieczy wzrost populacji w koloniach, ponieważ więcej pszczół przetrwa surowe zimy i będzie produkować więcej zbieraczy, aby zapylać otaczające ekosystemy.

Pierwszy z tych projektów Hefeopolisbada, w jaki sposób złożone, zdecentralizowane podejmowanie decyzji w rodzinie pszczół miodnych wynika z technologii cyfrowej. Próby rozpoczęły się w 2019 r. i mają się zakończyć w marcu 2024 r., a technologię zademonstrowano w trzech ulach obserwacyjnych, w których każdy liczy 4000 pszczół, zamiast 40 000 pszczół w normalnej kolonii.

W tym inteligentnym domu dla pszczół miodnych grzebienie mają wbudowane czujniki temperatury i grzejniki, dzięki czemu pszczoły mogą cieszyć się idealnymi warunkami w rodzinie. Ponieważ pszczoły zwykle przebywają w cieplejszych miejscach, grzebienie umożliwiają nam również skierowanie ich w stronę różnych obszarów ula. Jakby tej kontroli było mało, ule wyposażone są także w system elektronicznych bramek monitorujących ruchy owadów. Obie techniki pozwalają nam określić, gdzie pszczoły przechowują miód i pyłek, a także kiedy opuszczają plastry, aby móc zebrać miód. Wreszcie, w inteligentnym ulu znajduje się tańcząca pszczoła-robot, która może kierować żerujące pszczoły w stronę obszarów zawierających rośliny do zapylenia.

Biorąc pod uwagę małą skalę eksperymentu, nie można wyciągnąć wniosków na temat tego, jak bardzo nasze techniki przyczyniają się do zapobiegania stratom pszczół. Nie ulega jednak wątpliwości, że to, co do tej pory widzieliśmy, napawa optymizmem. Możemy śmiało stwierdzić, że nasze inteligentne ule pozwoliły rodzinom przetrwać ekstremalne mrozy zimą w sposób, który w innym przypadku nie byłby możliwy. Dokładna ocena liczby pszczół uratowanych dzięki tym technikom wymagałaby rozszerzenia badania na setki rodzin.

Rozpieszczanie królowej pszczół

Nasz drugi projekt finansowany ze środków UE, RoboRoyale, koncentruje się na królowej pszczół miodnych i jej pszczołach podwórkowych, w tym przypadku robotach stale monitorujących Jej Królewską Wysokość i wchodzących w interakcję.

Do 2024 roku wyposażymy każdy ul w grupę sześciu robotów wielkości pszczół, które będą opiekować się i karmić królową pszczół miodnych, wpływając na liczbę składanych przez nią jaj. Niektóre z tych robotów będą wyposażone w maleńkie pompki mleczka pszczelego do karmienia, inne natomiast będą wyposażone w kompatybilne mikrosiłowniki do ich pielęgnacji. Roboty te zostaną następnie połączone z większym ramieniem wyposażonym w kamery na podczerwień, które będzie stale monitorować królową i jej otoczenie.

Jak potwierdza zdjęcie po prawej i poniżej, udało nam się już z powodzeniem wprowadzić ramię robota do żywej kolonii. Tam stale monitorował królową i ustalał jej miejsce pobytu za pomocą bodźców optycznych.

Symulowanie pszczół robotnic

Istnieje nadzieja, że ​​w drugiej fazie roboty i ramiona robotyczne wielkości pszczół będą w stanie naśladować zachowanie pszczół robotnic, w przypadku których samice nie mają zdolności do rozmnażania się, opiekowania się królową i karmienia jej mleczkiem pszczelim. Bogaty w wodę, białka, węglowodany, tłuszcze, witaminy i minerały, ten składnik odżywczy wydzielany przez gruczoły robotnic umożliwia królowej złożenie do tysięcy jaj dziennie.

Robotnice biorą także udział w czyszczeniu królowej, co polega na jej lizaniu. Podczas tych interakcji zbierają część feromonów królowej i rozprowadzają je po całej kolonii, gdy przemieszczają się po ulu. Obecność tych feromonów kontroluje wiele zachowań kolonii i ostrzega kolonię o obecności królowej. Na przykład, jeśli umrze królowa, należy szybko wychować nową królową z jaja złożonego przez zmarłą królową, pozostawiając kolonii jedynie wąskie okno czasowe na reakcję.

Wreszcie uważa się, że pszczoły robotnice mogą również pełnić funkcję przewodników dla królowej, prowadząc ją do składania jaj w określonych komórkach plastra. Rozmiar tych komórek może określić, czy królowa składa diploidalne czy haploidalne jajo, w wyniku czego pszczoła rozwija się albo w trutnia (samca), albo w pszczołę robotnicę (samica). Podjęcie tych obowiązków sterujących może mieć wpływ na całą stopę reprodukcji stawki.

Jak roboty mogą zapobiegać kanibalizmowi pszczół

Może to mieć inny cnotliwy skutek: zapobieganie kanibalizmowi.

W trudnych czasach, takich jak długie okresy deszczu, pszczoły muszą zadowolić się zjedzeniem niewielkiej ilości pyłku. Zmusza to je do karmienia młodych larw starszych larw, aby starsze larwy miały przynajmniej szansę na przeżycie. Dzięki RoboRoyale będziemy nie tylko starali się zmniejszyć ryzyko wystąpienia takiego zachowania, ale także określimy zakres jego występowania w normalnych okolicznościach.

Ostatecznie roboty umożliwią nam pogłębienie wiedzy na temat bardzo złożonych procesów regulacyjnych w rodzinach pszczół miodnych dzięki nowym procedurom eksperymentalnym. Spostrzeżenia uzyskane w ramach tych nowych kierunków badawczych będą niezbędne do lepszej ochrony tych cennych owadów społecznych i zapewnienia odpowiedniego zapylania w przyszłości – jest to przedsięwzięcie wysokiego ryzyka dla bezpieczeństwa żywnościowego.

Ten artykuł jest efektem współpracy z The Conversation HoryzontDziennik Unii Europejskiej dotyczący badań i innowacji.

Farshad Arvin jest członkiem Wydziału Informatyki Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii. Badania Farshada Arvina są finansowane głównie z programów UE „Horyzont 2020” i „Horyzont Europa”.

Martin Stefanik jest członkiem Instytutu Biologii Uniwersytetu w Grazu. Otrzymał dofinansowanie z unijnych programów H2020 i Horyzont Europa.

Tomas Krajnik jest członkiem Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE). Badania Tomasa Krajnika są finansowane głównie ze środków programu Unii Europejskiej H2020 oraz Czeskiej Narodowej Fundacji Nauki.

Tagi: C- Badania i innowacje