لقد أوضح علماء الأحياء كيف تتنفس ملكات النحل الطنان تحت الماء

يعد الشتاء في خطوط العرض المعتدلة اختبارًا قاسيًا للعديد من الحيوانات. وللتغلب على البرد والجوع المؤقتين، طور العديد منهم آليات تكيف موسمية خاصة. على سبيل المثال، في الحشرات، هذا هو الكمون – مرحلة الراحة عندما يتباطأ عملية التمثيل الغذائي، مما يسمح لك بالبقاء بدون طعام لفترة طويلة. خلال هذه الحالة، لا تحتاج الكائنات الحية عمليا إلى الطاقة، فهي لا تتكاثر ولا تنمو تقريبا، لكن نشاطها الحيوي يستمر، وإن كان ذلك مع عملية التمثيل الغذائي أبطأ بكثير. لقد أتقنت ملكة النحل الطنان هذه المهارة بشكل مثالي. بعد التزاوج، تحفر ملكة المستقبل غرفة صغيرة في الأرض – لا يزيد عمقها عن 15 سم – وتدخل في سبات لمدة ستة أو حتى تسعة أشهر. إنها الوحيدة في المستعمرة بأكملها التي ستعيش حتى الربيع. يموت الأفراد العاملون والذكور حتى قبل بداية الطقس البارد. ينقذ الملجأ تحت الأرض من الصقيع، ولكن ليس من المصائب الأخرى: الطفيليات والعفن والمبيدات الحشرية، وكذلك ذوبان المياه الجوفية التي تغمر الجحور، تنتظر الملكة في التربة. لفهم كيفية تأثير الظروف المناخية غير المواتية على الكائنات الحية القادرة على السبات بشكل أفضل، أجرت مجموعة من علماء الأحياء الكنديين بقيادة سابرينا روندو من جامعة جيلف تجربة في عام 2024 مع ملكات النحل الطنان Bombus impatiens.

وقام العلماء بتهيئة ظروف قريبة من فصل الشتاء للحشرات، ووضعوا الملكات في أنابيب اختبار مع التربة، ثم وضعوها في الثلاجة. في أحد الأيام، أثناء فحصها لشحناتها، اكتشفت روندو أنه بسبب التكثيف، امتلأت بعض أنابيب الاختبار بالماء. غمرت المياه أربعة أرحام بالكامل. ولدهشة الباحث، كانوا جميعًا على قيد الحياة. وبعد ذلك بقليل، أثبتت روندو وزملاؤها، باستخدام مثال أكثر من مائة ملكة من نوع Bombus impatiens، أن الحشرات قادرة على البقاء على قيد الحياة تحت الماء لمدة تصل إلى سبعة أيام. والآن حاولت مجموعة كندية أخرى من علماء الأحياء، بقيادة تشارلز أنطوان دارفو من جامعة أوتاوا، معرفة الآلية الفسيولوجية التي تساعد النحل الطنان على النجاة من مثل هذه المحنة.

استخدم دارفو وزملاؤه غرفًا مختبرية خاصة وأجهزة استشعار لقياس تنفس ملكات Bombus impatiens. اتضح أنه أثناء وجود الحشرات تحت الماء، تستمر في استهلاك الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. سجلت الأدوات تكوينًا صغيرًا ولكن ثابتًا لثاني أكسيد الكربون. واستمر لعدة أيام بعد الغمر الكامل. وفي الوقت نفسه، لاحظ الباحثون انخفاضًا في مستوى الأكسجين المذاب في الماء. أشارت هذه البيانات إلى شيء واحد، وهو أن الملكات تتنفس تحت الماء. لكن كيف؟ وأوضح مؤلفو العمل العلمي أن السر يكمن في الكمون. هذا ممكن بسبب عملية التمثيل الغذائي البطيئة للغاية. أثناء فترة الكمون، ينخفض ​​معدل التمثيل الغذائي للنحل الطنان بنسبة 99 بالمائة ويبدأ الجسم في إنفاق الحد الأدنى من الطاقة. تحت الماء، يتباطأ التمثيل الغذائي بشكل أكبر. ولذلك، فحتى الكمية الصغيرة من الأكسجين التي تأتي من الماء تكفي لدعم الحياة. ومع ذلك، يبدو أن هذا التدفق صغير، والجسم يعوض جزئيا عن نقص الطاقة من خلال التمثيل الغذائي اللاهوائي. الملكة بومبوس إمباتينز في أنبوب اختبار بالماء / © Charles-Antoine Darveau اكتشف علماء الأحياء أن اللاكتات (حمض اللاكتيك) يتراكم في أنسجة الملكات المغمورة في الماء، وهو منتج أيضي يتشكل في الخلايا عندما يكون هناك نقص في الأكسجين. أي أن هذه الطريقة للحصول على الطاقة لا تتطلب مشاركة الأكسجين. يتم تنشيط آلية مماثلة عند البشر أثناء الأحمال الشديدة للغاية، على سبيل المثال، أثناء العدو. كما تبين أن فترة تعافي النحل الطنان كانت غير عادية. وعندما تم إخراج الحشرات من الماء، بدأت مستويات اللاكتات لديها في الانخفاض وعادت إلى وضعها الطبيعي بعد حوالي سبعة أيام. في الأيام الأولى بعد إخراجها من الماء، أنفقت الملكات الكثير من الطاقة للتعافي، لذلك ارتفع معدل الأيض لديها بشكل حاد. ومع ذلك، تباطأ عملية التمثيل الغذائي لديهم مرة أخرى إلى القيم الطبيعية لفترة الكمون. وفي غضون يومين إلى ثلاثة أيام، بدأت الملكات في التحرك، لكن الاستعادة الكاملة لعملية التمثيل الغذائي استغرقت ما يصل إلى أسبوع. يواجه علماء الأحياء الآن مهمة معرفة كيفية حصول النحل الطنان على الأكسجين تحت الماء. تستخدم بعض الحشرات أنابيب التنفس التي تشبه أدوات الغطس المصغرة. ويحمل آخرون فقاعة هواء معهم. اقترح دارفو أن النحل الطنان على الأرجح لديه ما يسمى بالخياشيم الجسدية. هذا ليس عضوا منفصلا، ولكنه طبقة رقيقة من الهواء، والتي يتم الاحتفاظ بها على سطح جسم الحشرة بفضل العديد من الشعرات. يشكل الفيلم الحدود بين الجسم والماء. يخترق الأكسجين المذاب في الماء تدريجيًا من خلال فجوة الهواء هذه إلى الوصمات (ثقوب التنفس في الجسم)، ثم يدخل من خلالها إلى القصبة الهوائية – وهو نظام من الأنابيب الرفيعة يتم من خلالها توصيل الهواء في الحشرات إلى الأنسجة. وفي الاتجاه المعاكس، يتبع ثاني أكسيد الكربون نفس المسار: من القصبة الهوائية يدخل في غشاء الهواء، ومنه إلى الماء، حيث يذوب جيدًا. وبفضل تبادل الغازات هذا، يمكن لطبقة الهواء الموجودة على سطح الجسم أن تعمل كنوع من “الخياشيم”، مما يسمح للحشرة بتلقي الأكسجين حتى تحت الماء.

من وجهة نظر تطورية، فإن آلية التنفس تحت الماء لدى النحل الطنان منطقية تمامًا. وأوضح دارفو أن أسلاف النحل الطنان الحديث ظهروا على الكوكب قبل 25-40 مليون سنة. خلال تلك الحقبة، تغير المناخ بشكل كبير، واستعمر النحل الطنان مناطق القطب الشمالي وجبال الألب الباردة. حيثما يوجد ثلج يوجد ماء ذائب. لذلك كان علينا التكيف مع الظروف الجديدة. يقول الباحثون إن القدرة على التنفس تحت الماء من المحتمل أن تكون شائعة بين معظم أنواع النحل الطنان البالغ عددها 250 نوعًا الموجودة على الأرض اليوم. تم نشر العمل العلمي في مجلة Proceedings of the Royal Society B.