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Semelhança inesperada entre a abelha e a vida social humana
A teoria, confirmada em experimentos, implica que existem diferenças individuais entre as abelhas, assim como entre os humanos.
Por Universidade de Illinois em Urbana-Champaign - 30/11/2020


Uma imagem obtida do sistema mostrando abelhas com código de barras dentro da colmeia de observação. Os contornos refletem se um código de barras pôde ser decodificado com êxito (verde), não pôde ser decodificado (vermelho) ou não foi detectado (sem contorno). A entrada da colmeia está no canto inferior direito, e a inserção revela duas abelhas que foram detectadas automaticamente realizando a trofalaxia. Crédito: Tim Gernat, Universidade de Illinois

As abelhas e os humanos são organismos tão diferentes quanto se possa imaginar. No entanto, apesar de suas muitas diferenças, semelhanças surpreendentes nas maneiras como eles interagem socialmente começaram a ser reconhecidas nos últimos anos. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, com base em seus estudos anteriores, mediu experimentalmente as redes sociais das abelhas e como elas se desenvolvem ao longo do tempo. Eles descobriram que existem semelhanças detalhadas com as redes sociais dos humanos e que essas semelhanças são completamente explicadas por uma nova modelagem teórica, que adapta as ferramentas da física estatística para a biologia. A teoria, confirmada em experimentos, implica que existem diferenças individuais entre as abelhas, assim como entre os humanos.

O estudo, que mede a extensão das diferenças individuais na rede de abelhas melíferas pela primeira vez, foi realizado pelo primeiro autor em física, Ph.D. estudante Sang Hyun Choi, pós-docs Vikyath D. Rao, Adam R. Hamilton e Tim Gernat, Presidente Swanlund de Física Nigel Goldenfeld e Presidente Swanlund de Entomologia Gene E. Robinson (GNDP). Goldenfeld e Robinson também são professores do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica em Illinois, do qual Robinson é o diretor. A colaboração compreendeu medições experimentais do comportamento social das abelhas realizadas por Hamilton, Gernat e Robinson, com análise de dados por Rao e modelagem teórica e interpretação por Choi e Goldenfeld. Suas descobertas foram publicadas em um artigo recente na revistaProceedings of the National Academy of Science .

"Originalmente, queríamos usar as abelhas como um inseto social conveniente para nos ajudar a encontrar maneiras de medir e pensar sobre sociedades complexas", disse Goldenfeld. "Há alguns anos, Gene, Tim, Vikyath e eu colaboramos em um grande projeto que colocou" códigos de barras "nas abelhas para que pudéssemos monitorar automaticamente todos os lugares que elas fossem na colmeia, todas as direções para as quais apontassem e cada parceiro de interação . Dessa forma, poderíamos construir uma rede social no tempo, algo conhecido como rede temporal. "

Esse estudo, feito há alguns anos, envolveu imagens de alta resolução de abelhas com código de barras, com algoritmos que detectam eventos de interação mapeando a posição e orientação das abelhas nas imagens. Nesses estudos, os pesquisadores se concentraram na trofalaxia - o ato de transferir alimentos líquidos boca-a-boca - ao medir as interações sociais entre as abelhas. Trophallaxis é usado não apenas para alimentação, mas também para comunicação, tornando-se um sistema modelo para estudar as interações sociais.

"Escolhemos olhar para a trophallaxis porque é o tipo de interação social das abelhas que podemos rastrear com precisão", disse Choi. "Como as abelhas estão fisicamente conectadas umas às outras por contato de probóscide durante a trophallaxis, podemos dizer se elas estão realmente se envolvendo em uma interação ou não. Além disso, cada abelha está marcada para que possamos identificar cada indivíduo envolvido em cada evento de interação. "
 
"Em nosso trabalho anterior, perguntamos quanto tempo as abelhas passam entre os eventos em que se encontram com outras abelhas e mostramos que elas interagem de uma maneira não uniforme", disse Goldenfeld. "Sang Hyun e eu pegamos o mesmo conjunto de dados, mas agora fizemos uma pergunta diferente: e sobre a duração dos eventos de interação, não o tempo entre as interações?"

Ao olhar para as interações individuais, o tempo gasto variou de interações curtas a interações longas. Com base nessas observações, Choi desenvolveu uma teoria em que as abelhas exibiam um traço individual de atratividade que poderia ser comparado à interação humana. Por exemplo, os humanos podem preferir interagir com amigos ou familiares em vez de estranhos.

"Este foi meu primeiro projeto depois que entrei para o grupo de Nigel, e demorei muito para descobrir a maneira certa de abordar o problema", disse Choi. "Foi divertido e desafiador trabalhar em um projeto tão interdisciplinar. Como estudante de física estudando sistemas biológicos, eu nunca esperei usar conceitos da economia."


"Desenvolvemos uma teoria para isso com base em uma ideia muito simples: se uma abelha está interagindo com outra, você pode pensar nisso como uma espécie de" mola virtual "entre elas", disse Goldenfeld. "A força da primavera é uma medida de quão atraídos eles estão um pelo outro, então se a primavera for fraca, então as abelhas irão rapidamente quebrar a primavera e ir embora, talvez para encontrar outra abelha com quem interagir. fortes, eles podem permanecer interagindo por mais tempo. Chamamos essa descrição teórica de modelo mínimo, porque ela pode capturar quantitativamente o fenômeno de interesse sem exigir realismo microscópico excessivo e desnecessário. Os não físicos ficam frequentemente surpresos ao saber que previsões e compreensão detalhadas podem ser feitas com uma quantidade mínima de entrada descritiva. "

Goldenfeld explicou que a estrutura matemática de sua teoria se originou de um ramo da física chamado mecânica estatística, originalmente desenvolvido para descrever átomos de gás em um recipiente e, desde então, estendido para abranger todos os estados da matéria, incluindo sistemas vivos. A teoria de Choi e Goldenfeld fez previsões corretas sobre o conjunto de dados de abelhas melíferas experimentais que foram coletados anteriormente.

Por curiosidade, a teoria foi então aplicada a conjuntos de dados humanos, revelando padrões semelhantes aos do conjunto de dados das abelhas. Choi e Goldenfeld então aplicaram uma medida econômica para disparidades de riqueza e renda em humanos - denominada coeficiente de Gini - para mostrar que as abelhas exibiam disparidades em atratividade em suas interações sociais, embora não tão diferentes quanto os humanos. Esses resultados indicam uma universalidade surpreendente dos padrões de interações sociais tanto em abelhas quanto em humanos.

"É óbvio que os indivíduos humanos são diferentes, mas não é tão óbvio para as abelhas", disse Choi. "Portanto, examinamos a desigualdade no nível de atividade das abelhas de uma forma que independe de nossa teoria para verificar se as abelhas operárias são realmente diferentes. Trabalhos anteriores realizados em nosso grupo usaram o coeficiente de Gini para quantificar a desigualdade em atividade de forrageamento das abelhas, então pensamos que esse método também funcionaria para examinar a desigualdade na atividade da trophallaxis. "

"Encontrar essas semelhanças impressionantes entre as abelhas e os humanos desperta o interesse em descobrir os princípios universais da biologia e os mecanismos que os sustentam", disse Robinson.

As descobertas dos pesquisadores sugerem que sociedades complexas podem ter regularidades surpreendentemente simples e universais, o que pode lançar luz sobre a forma como comunidades resilientes e robustas emergem de papéis sociais e interações muito diferentes. Os pesquisadores prevêem que a sua teoria mínima poderia ser aplicada a outros insetos eussociais já que a teoria não envolve mel características específicas-abelha.

Em estudos futuros, as mesmas técnicas da mecânica estatística podem ser aplicadas para entender a coesão das comunidades por meio de interações de pares bem caracterizadas, disseram Choi e Goldenfeld.

"Este foi meu primeiro projeto depois que entrei para o grupo de Nigel, e demorei muito para descobrir a maneira certa de abordar o problema", disse Choi. "Foi divertido e desafiador trabalhar em um projeto tão interdisciplinar. Como estudante de física estudando sistemas biológicos, eu nunca esperei usar conceitos da economia."

"Foi muito empolgante ver como ideias físicas simples poderiam explicar um fenômeno social aparentemente complexo e generalizado, e também fornecer alguns insights do organismo", disse Goldenfeld. "Fiquei muito orgulhoso de Sang Hyun por ter a persistência e os insights para descobrir isso. Como toda ciência transdisciplinar, esse foi um problema realmente difícil de resolver, mas incrivelmente fascinante quando tudo aconteceu. Esse é o tipo de avanço que surge da co-localização de diferentes cientistas dentro do mesmo laboratório - neste caso, o Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica. "

 

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