O včelích tanečcích, orientaci a robotech

Včela medonosná (Apis mellifera) je jedním z nejstarších živočichů využívaných člověkem. Včela a informace o jejím chovu se objevují již na sumerských tabulkách či v textech starých Egypťanů. Na neobyčejně zajímavou schopnost včel sdělit si navzájem místo, na němž je k nalezení dostatek vhodné potravy, upozornil již Aristotelés (...jak jsem jen nesnášel všechny ty přednášky začínající: Již staří Řekové...). Neuvažoval však o mechanizmu či procesu, který by jim to umožnil. O něco dále se dostal Plinius, který zkonstruoval úl s průhlednými okénky z rohoviny, jimiž mohl pozorovat tance některých včel.

Pro všechny starověké učence však bylo včelí dorozumívání tajemstvím a zůstalo po celé věky tajemstvím i pro mnohé další.

Teprve ve 20. letech tohoto století upozornil Karl von Frisch na souvislost včelích tanců s předáváním informace o zdroji potravy ostatním obyvatelkám úlu. Svou domněnku však Frisch s konečnou platností potvrdil až r. 1943. Ukázal zároveň podle jakého klíče je možné z tanečních kreací létavky (vysvětlení viz box) zjistit, kde je spousta květů s množstvím slaďoučkého nektaru.

Jak včely tančí

Létavka, která objeví bohatý zdroj potravy, o němž zatím nemá její mateřská kolonie žádné zprávy, přilétne zpět do úlu a začne pochodovat po plástvi. Její chůze má však svůj pevně daný řád. Pobíhá stále dokola na jednom místě a opisuje při tom tvar podobný obrysu číslice 8 (viz obrázek). V prostřední části této osmičky kýve celým tělem ze strany na stranu a zároveň třepotá křídly. Třepotavý úsek tance je přímý a jde vlastně o nejdůležitější část tance, v níž je obsažena veškerá informace. Právě tím směrem, kterým se létavka třepotá, leží kýžená potrava. Záležitost je komplikovaná skutečností, že plástve jsou v úlu umístěny kolmo a nikoliv vodorovně, takže létavka třepotající se směrem ke dvanáctce na ciferníku pomyslných hodin oznamuje přihlížejícím družkám, že lokalita s potravou je směrem ke slunci. Směřuje-li v třepotavé fázi tance k osmičce na ciferníku (120^o vlevo od dvanáctky), je nutno hledat potravu směrem 120^o vlevo od polohy slunce v daném okamžiku. Rychlost, s jakou se včela během nejdůležitější části tance třepe, určuje vzdálenost potravy. Rychlejší kývání tělem znamená bližší potravu, pomalejší třepot potravu vzdálenou.

Mohlo by se zdát, že celá věc je jasná a jednoznačná a dále není mnoho co řešit. Ale...

Včely nejen tančí, ale k tanci si i zpívají

Ve skutečnosti se však Frischovi a po něm i mnoha následujícím badatelům nepodařilo prokázat, zda je včelí tanec skutečným dorozumívacím jazykem. Mohlo to být i tak, že nalezená korelace mezi tanečními pohyby létavky po plástvi a skutečnou polohou lokality byla jen náhodnou shodou a nikoliv skutečným signálem pro ostatní včely. Nabízejícím se alternativním vysvětlením byla např. pachová hypotéza J. L. Goulda. Podle ní informuje létavka ostatní včely jen za pomoci specifického pachu dané lokality, kterým zůstává určitou dobu po návratu do úlu provoněna.

Slabinou Frischovy interpretace byla i skutečnost, že při svých pokusech používal skleněný úl. V reálné situaci však létavky tancují v naprosté tmě uvnitř hnízda a nebylo tedy zcela jasné, co vlastně tanec znamená z včelího úhlu pohledu.

Až léta poté, co Frisch vysvětlil symboliku včelích tanečků, objevili A. M. Wenner a H. E. Esch nezávisle na sobě včelí zvukové signály, které létavky vydávají během třepotavé části tance. Oba se domnívali, že tyto signály pomáhají při orientaci a pochopení tance ve tmě úlu. Mnozí další o tom sice pochybovali, neboť se velmi dlouho mělo za to, že včely neslyší. Na druhou stranu však bylo známo, že mnoho druhů hmyzu - včely nevyjímaje - je citlivých k vibracím. Bylo by tedy možné, že létavka rozvibruje plástev, na níž předvádí své baletní umění, a že to může být signálem pro ostatní včely.

W. H. Kirchner a A. Michels proto ve svém experimentu zamířili laserový paprsek na komůrky plástve v bezprostřední blízkosti tanečnice. Pokud by došlo k vibracím plástve, změnila by se odrazivost komůrek. Tímto způsobem bylo možné měřit vibrace bez doteku s pláství. Výsledky měření byly překvapivé, neboť ukázaly, že tančící včela sice pláství netřese, zato však její divačky v určitém okamžiku vysílají krátké pisklavé zvuky stlačením hrudi (toraxu) proti plástvi. Tento signál rozvibruje plástev tak silně, že létavka ustane ve svém tanci a předloží dělnicím sledujícím tanec vzorek potravy pocházející z inzerovaného naleziště (viz obrázek).

Bezděky bylo tedy odhaleno, že tanečnici se dostává za její produkci i odpovědi. Komunikace mezi dělnicemi se neomezuje jen na určení směru a vzdálenosti určitého místa, ale i na posouzení kvality potravy, která se tam nalézá.

Původní otázka - jak se včely potmě dozvědí o směru tance létavky - však stále zůstávala nezodpovězena.

Robotizace ve včelím úlu

Podařilo se prokázat jedině to, že se signál nešíří vibrující pláství, ale akusticky, tedy výhradně vzduchem, a že vzniká díky kmitání křídel během třepotavé části tance. W. H. Kirchner spolu s K. Sommerovou v první fázi svých pokusů experimentovali s kvalitou zvukového signálu. Nepatrně zkrátili létavkám křídla tak, aby stále ještě mohly létat. Menší povrch křídelních ploch však měl za následek nižší amplitudu, a tudíž vyšší intenzitu vydávaného zvuku. Takto poupravené létavky sice tančily s obvyklou bravurou, nicméně přihlížející družky byly zřejmě jiného názoru a nevěnovaly jim obvyklou pozornost. Získané výsledky potvrdily i mutované dělnice s křídly přirozeně kratšími.

Později přistoupili Michelsen a Kirchner k další fázi experimentování, při níž použili model včely, jakéhosi včelího robota (viz obrázek).

Obvyklý pokus s tímto zařízením trvá asi tři hodiny. Na různých místech v okolí úlu byly vždy rozmístěny návnady s cukerným roztokem a se slabou vůní květin. Stejným roztokem a stejnou vůní byl opatřen i robot. Pak mechanická včela zatancovala na plástvi v úlu za pozorného přihlížení včel skutečných a pozorovatelé v terénu sledovali návštěvnost návnad. Výsledky opakovaně prokázaly, že robot dokáže včely navést na určité místo. Většina létavek létala po shlédnutí robotího představení přímo k místu, které robot rozhlásil (viz obrázek).

Následovalo množství doplňujících experimentů, při nichž se objasňoval význam a důležitost jednotlivých částí tance. Robot např. nabídl k ochutnání potravu, ale nezatancoval, nebo se sice pohyboval, ale pouze mlčky. V takových případech navštívilo proklamovanou lokalitu mnohem menší procento včel. Vyplývá z toho, že zvuk vydávaný tančící včelou je nepostradatelnou složkou celého sdělení.

Pokusy s robotem potvrdily Frischovu hypotézu, že tanec opravdu představuje sofistikovanou formu komunikace. Ukázaly zároveň, že zvuky, jimiž je tanec doprovázen, jsou jeho nedílnou součástí. Klíčová část celé představy o včelím dorozumívání však zůstala vynechána - byl opomenut orgán, jímž by mohly dělnice vnímat zvuky šířící se vzduchem.

Jak včela slyší

Nejprve bylo nutné prokázat, zda jsou včely vůbec schopny vnímat zvuk, i když se to vzhledem k pokusům s tancem zdálo více než pravděpodobné.

Včely byly nejprve podrobeny pětisekundovému zvukovému signálu (obdobnému, jaký vydává létavka při tanci), který byl spojen se slabým elektrickým šokem ve čtvrté sekundě. Samotný šok vždy včely od potravy na několik sekund odehnal. Bylo důležité, zda se včely naučí vyhnout se šoku do čtyř sekund, během nichž uslyší jistý zvuk. Ukázalo se, že se to skutečně naučí, i když jim to trvá velmi dlouho.

S podobným záměrem byl uspořádán i druhý pokus, během nějž vstupovaly včely do bludiště tvaru písmene Y. V jednom z náhodně volených východů byly přehrávány zvukové signály. Postupovala-li včela za zvukem, byla odměněna roztokem cukru. Dělnice se naučily velmi rychle chodit směrem, odkud vycházely zvukové signály.

Podařilo se také zjistit, jaký druh akustických podnětů včely vnímají (viz obrázek a kterým orgánem. Včely, podobně jako mnoho jiných druhů hmyzu, jsou vybaveny Johnstonovým chordotonálním orgánem ve 2. článku tykadel. Proto dělnice zbavené tykadel nedokázaly rozpoznat informaci o umístění potravy, obsaženou v tanci své družky.

Protože je Johnstonův orgán párový (v každém tykadle jeden), může včela dobře registrovat prostorové změny polohy tanečnice, podobně jako my získáváme povědomí o prostoru díky dvěma očím.

Všechny získané výsledky lze poskládat do následujícího schématu: Létavka, která nalezne příhodné místo s potravou, se vrátí do úlu, kde svým pozorně přihlížejícím družkám zatancuje a zazpívá. Zpěv, či lépe zvukový signál, je klíčový, neboť umožní včelám určit, kde létavka je a kterým směrem se pohybuje, což je kritická informace o tom, kde a jak daleko je potrava. Jakmile přihlížející včely zaznamenají tento signál Johnstonovým orgánem na tykadlech (přihlížející dělnice stojí vždy hlavou k tanečnici) a rozluští informaci obsaženou v tanci, vysílají signál, jímž rozvibrují plástev. Tanečnice jej uslyší, ukončí svou produkci a nabídne svým družkám sesbíranou potravu k otestování čichem i chutí. Nato se dělnice rozletí za potravou. Najdou-li ji, vrátí se do úlu a vše se znovu opakuje - informace se šíří dále geometrickou řadou.

Taneční jazyk včel je vysoce komplikovaný systém. K pochopení jeho vývoje přispěla pozorování různých druhů včel. Rod Apis stojí v systému včel poměrně osamoceně a nemá žádné opravdu blízké příbuzné. Nejbližší včelám jsou čmeláci a bezžihadlové včely. Je známo, že i některé druhy těchto příbuzných blanokřídlých se dokáží informovat o nalezišti potravy. U žádného z nich však dosud nebyla zjištěna komunikace obdobná symbolickému tanečnímu jazyku včel.

Všechny čtyři studované druhy rodu Apis tančí stejným jazykem, i když s drobnými obměnami. Jak ukázal r. 1950 M. Lindauer, základní kód je u všech druhů stejný.

Nedávno se však zjistilo, že pouze tři ze čtyř druhů vydávají během tance charakteristické zvuky. Dva z těchto tří (A. mellifera a A. cerana) hnízdí v tmavých, uzavřených prostorách úlu, dutiny stromu a podobně. Třetí druh (A. dorsata) si staví jedinou plástev, kterou zavěšuje volně v prostoru (a tedy i na světle), pod převisy skal či na větvích stromů. Dělnice tohoto druhu však někdy tancují i v noci. Zvukové signály, které při tom vydávají, zůstávaly dlouhou dobu neobjeveny, neboť jsou jen nízké intenzity, a proto těžko detegovatelné.

Jediný druh, který tančí potichu, je A. florea. Staví si také otevřená hnízda, dělnice však tančí jedině za světla - v době, kdy přihlížejícím k pochopení významu tance plně dostačuje vizuální vjem. Vzhledem k mnoha primitivním znakům druhu A. florea se lze domnívat, že složitá akustická signalizace vznikla až později ze signálů vizuálních, a to jako nutný doplněk u druhů, které se přestěhovaly do prostor beze světla.

Otázka z nadpisu této podkapitoly však zůstává nadále nezodpovězena, podobně jako i některé další. Není dosud jasné, jak během evoluce včel vznikl tolik komplikovaný komunikační systém, není dosud také zcela zřejmý smysl včelí schopnosti rozlišit různou sílu a kvalitu zvuku. Snad včely používají akustického dorozumívání také způsobem, o němž zatím nemáme tušení. Je jisté, že v úlu je nutné domluvit se i na jiných věcech, než kde shánět něco na zub pro sebe či potomstvo nebo do zásobárny na zimu.