Układ rozrodczy

Pszczoły miodne rozmnażają się płciowo, czyli generatywnie, oraz partenogenetycznie. W przypadku rozmnażania generatywnego, by powstał nowy osobnik, musi dojść do połączenia dwóch haploidalnych komórek rozrodczych, co daje początek diploidalnej¹ zygocie. Powstały w ten sposób organizm dziedziczy część cech po matce, a część po ojcu (dokładnie taki sam mechanizm jest u człowieka – w wyniku połączenia komórki jajowej z plemnikiem powstaje pierwsza diploidalna komórka, z której rozwija się zarodek). Takie są właśnie samice pszczół miodnych – robotnice i matki. Natomiast trutnie kształtują się partenogenetycznie z niezapłodnionych jaj. Oznacza to, że komórki ich ciała są haploidalne.

Mimo że w pszczelej rodzinie znajduje się kilkadziesiąt tysięcy samic, tylko jedna może rozmnażać się płciowo – matka. Pozostałe osobniczki w nadzwyczajnych okolicznościach (utrata królowej, wychowanie w trakcie bezmateczności) mogą rozmnażać się bezpłciowo, składając niezapłodnione jaja, z których wykluwają się samce.

Dorosłe robotnice, które w przypadku dłuższej bezmateczności aktywowały jajniki i zaczęły składać jaja, nazywane są trutówkami fizjologicznymi. Dla pszczelarza to znak, że koniec rodziny jest bliski. Natomiast samice, które w czasie rozwoju larwalnego nie miały dostępu do substancji matecznej (np. podczas rójki, gdy stara królowa opuściła gniazdo, ale nowa jeszcze nie zaczęła panować lub gdy pszczelarz niechcący zgniótł matkę) rozwijają się w rebeliantki, czyli robotnice, które mają więcej rureczek jajnikowych i zamiast pracować na rzecz rodziny (nowej matki i jej potomstwa), starają się posiadać własne potomstwo i składają jaja.

Płciowo rozmnażają się także trutnie. Ich jedyną rolą jest zaplemnienie matki.

Układ rozrodczy matki

Układ rozrodczy matki składa się z:

1. parzystych jajników, w skład których wchodzą rurki jajnikowe;

2. jajowodów bocznych;

3. zbiorniczka nasiennego (spermateki);

4. gruczołów odżywczych zbiorniczka nasiennego i wydzielających zasadową substancję neutralizującą kwaśny odczyn spermy;

5. pochwy (która właściwie nie powinna być nazywana pochwą, o czym piszemy niżej);

6. worka kopulacyjnego;

7. dwóch kieszeni worka kopulacyjnego (w polskiej literaturze nazywane są kieszeniami pochwy, jednak nie leżą one przy pochwie. Zagadką więc pozostaje, skąd wzięła się ich nazwa).

Jajniki wypełniają aż dwie trzecie odwłoka matki. Znajdują się między organami wewnętrznymi pszczoły a górną przeponą i sercem. Są zbudowane z podłużnych rureczek jajnikowych, które rozszerzają się, im są bliżej końca odwłoka pszczoły. W dobrze rozwiniętym jajniku znajduje się średnio 160 rureczek jajnikowych. Jajniki są naszpikowane tchawkami, ponieważ wymagają bardzo dużych ilości tlenu do rozwoju jaj. W rureczkach jajnikowych pod względem zróżnicowania morfologicznego wyróżnia się cztery regiony:

1. włókno końcowe zwierające komórki macierzyste;

2. germarium zawierające komórki zarodkowe tworzące skupiska przypominające rozetę;

3. witelarium, czyli miejsce ulokowania pęcherzyków składających się z oocytów i towarzyszących mu trofocytów (ich definicja znajduje się niżej) utworzonych z rozety;

4. ang. ovariole pedicle (termin ten dosłownie oznacza ‘szypułkę jajnika’. Jest to zakończenie i ujście jajnika).

Jajniki matki pszczół miodnych są politroficzne (mają wiele trofocytów w pęcherzyku) i meroistyczne (produkują trofocyty odżywcze i komórki jajowe). W każdym pęcherzyku trofocyty (z łaciny to dosłownie ‘komórki pielęgniarki’ odżywiające oocyty) są połączone mostkami międzykomórkowymi oraz z oocytem za pomocą wąskiego kanalika troficznego (nazywanego też szypułką troficzną), który umożliwia transport składników odżywczych, RNA oraz rybonukleoprotein² z trofocytów do komórki jajowej podczas dojrzewania.

W centralno-ogonowej części jajnika komórka jajowa jest prawie całkowicie pokryta prostym prostopadłościennym nabłonkiem z centralnie ułożonym jądrem, gęstą chromatyną i cytoplazmą z ziarnistościami, pozostawiając jedynie wąski otwór (kanalik troficzny, o którym wspomniałyśmy wyżej) ze strony przedniej, który umożliwia dostęp składników odżywczych z trofocytów. W każdym oocycie wyraźnie widać pęcherzyk zarodkowy.

Trofocyty są dużymi komórkami o gęstej, ziarnistej cytoplazmie i dużym jądrze. W miarę przemieszczania się wzdłuż jajnika, trofocyty powiększają się, a następnie ulegają degeneracji, na co wskazują cytoplazmatyczne ziarnistości o kwaśnym wnętrzu (eozynofile), rozproszenie chromatyny jądrowej oraz zanik błony jądrowej i komórkowej. Proces ten zachodzi dopiero wtedy, gdy nastąpi przeniesienie cytoplazmatycznej zawartości trofocytu do rozwijającej się komórki jajowej, co włącza apoptozę (zaprogramowaną śmierć komórki) trofocytów. Mechanizm ten wyjaśnia, dlaczego w proksymalnym³ witelarium oocyty są małe, a w dystalnym mają większe ­rozmiary.

Podczas późnych etapów witelogenezy nabłonek otaczający komórkę jajową stopniowo jest redukowany i przekształca się w błonę kosmówkową (chorion) i witelinową. Pełnią one funkcje osłonki jaja, czyli skorupki. Pod koniec witelogenezy z otworów po kanalikach troficznych tworzona jest, podobna do sita, mikropyla (por), przez którą wnikają plemniki podczas zapłodnienia.

Kiedy jajo jest całkiem dojrzałe i gotowe do złożenia przez matkę, przechodzi z rureczki jajnikowej i wpada do stożkowatej struktury zwanej kielichem (ang. calyx, l. mn. calices) jajowodu bocznego, który „zbiera jaja” i przechodzi we wspólny jajowód środkowy, wpadający ostatecznie do pochwy⁴. Kielich składa się z jedno- lub (i) dwuwarstwowego, wysokiego, kolumnowego, gęsto upakowanego nabłonka. Komórki nabłonkowe mają centralnie położone jądro i eozynofilową (czyli mającą ziarenka kwasochłonne) cytoplazmę zawierającą okrągłe wakuole.

Po owulacji jajo przechodzi z kielicha do bocznego jajowodu, który ma wiele podłużnych fałd przypominających harmonijkę, umożliwiających rozszerzenie światła jajowodu dla przechodzącej komórki jajowej. Jedną z jego charakterystycznych cech jest obecność kolców w kształcie ośmiornicy w błonie wewnętrznej nabłonka. Kolce te są liczne i wyraźne w tej części jajowodów, które przylegają do kielicha, natomiast nie ma ich w jajowodzie środkowym. Uważa się, że odgrywają rolę w jednokierunkowym przesuwaniu się jaja z jajowodu bocznego do środkowego, zapobiegając jego cofaniu się podczas skurczu mięśni.

Pochwa otwiera się nad żądłem do tzw. worka kopulacyjnego (łac. bursa copulatrix). Worek kopulacyjny ma kieszeń po każdej stronie i to w nie dostaje się sperma i śluz po kopulacji. Do każdej kieszeni przymocowane są duże, podłużne mięśnie, ciągnące się do środkowej części apodemy siódmego sternitu.

Spermateka

Spermateka położona jest nad pochwą, od strony grzbietowej. Składa się z kulistego woreczka, pary gruczołów odżywczych (nazywane też nasiennymi) i przewodu, który łączy spermatekę z pochwą. W miejscu połączenia przewodu ze zbiorniczkiem nasiennym znajdują się ujścia dwóch gruczołów. Do woreczka spermateki przyczepione są dwa osobne mięśnie, które dołączone są do wewnętrznej części tergitu.

Gruczoły odżywcze są długimi, owalnymi strukturami, które wiją się po powierzchni spermateki. Podłączają się do przewodu zbiorniczka nasiennego, blisko jego połączenia z organem, gdzie też tuż obok znajdują się mięśnie pompki Bresslaua (niżej dokładnie opisujemy ten organ), które najprawdopodobniej odpowiadają za porcjowanie spermy. Wpływa do niej dodatkowy płyn z gruczołów, by uzyskać odpowiednie ciśnienie w organie.

Kontrola zapładniania jaj

Matka ustala, jaki rodzaj jaja złożyć (takie, które zostanie zapłodnione lub niezapłodnione), podczas inspekcji komórki tuż przed złożeniem jaja. Wkłada wtedy głowę i pierwszą parę odnóży do wnętrza komórki i to rozstaw odnóży tak naprawdę determinuje, jaki rodzaj jaja złoży matka. Udowodniono to amputując przednie odnóża królowej, co spowodowało, że złożyła zaplemnione jaja do komórek trutowych. Podczas składania jaj, matka opiera przednie odnóża o sąsiednią komórkę, która ma taki sam wymiar. Węższe ustawienie odnóży powoduje aktywację odpowiednich mięśni, które wyciskają kroplę spermy na jajo. Szerszy rozstaw przednich odnóży nie uruchamia tego mechanizmu i jajo nie zostaje zaplemnione.

Sprawdzanie komórki przez królową przed złożeniem jaja powoduje, że gruczoły odżywcze zaczynają produkować wydzielinę. To aktywuje plemniki, które przemieszczają się na zewnątrz zbiorniczka nasiennego do górnej części przewodu, tam gdzie uchodzą gruczoły spermateki. Ponieważ do tego miejsca spływają i wydzieliny gruczołów, i plemniki, ciśnienie wywierane na ścianki przewodu się zwiększa, co utrzymuje zastawkę (ang. valve) przewodu zamkniętą. Gdy jajo przechodzi do pochwy, mięśnie pompki Bresslaua otwierają zastawkę, by wypuścić spermę.

Każde z niezapłodnionych jaj ma na jednym z czubków otworek zwany mikropylą. Podczas wędrówki jaja przez pochwę matka uwalnia plemniki, które przedostają się do komórki jajowej przez mikropyle, gdzie napotykają błonę witelinową. Następnie akrosom⁵ tylko jednego plemnika uwalnia enzymy lityczne, które pomagają w penetracji błony witelinowej w celu zapłodnienia komórki jajowej. Po zaplemnieniu mikropyla się zamyka i jajo może zostać złożone.

Układ rozrodczy trutnia

Układ kopulacyjny trutnia składa się z:

1. jąder;

2. nasieniowodów;

3. pęcherzyków nasiennych;

4. gruczołów dodatkowych;

5. przewodów wytryskowych;

6. części bulwiastej (bulwki);

7. części pierzastej.

Tak jak wspomniałyśmy w poprzednim rozdziale, trzy ostatnie segmenty odwłoka u trutni przekształciły się w aparat kopulacyjny, a u robotnic i matki – w żądło. Siódmy segment odwłoka trutnia jest ostatnim, który składa się z całego tergitu i sternitu. Ósmy tergit jest częściowo zakryty przez poprzedni. Ma on przetchlinki tułowiowe. Ósmy sternit jest niemal całkowicie zasłonięty przez siódmy. Jest bardzo wąski, ale rozszerza się w górnych, bocznych częściach i częściowo go widać poniżej ósmego tergitu i za siódmym sternitem.

Po wygryzieniu narządy rozrodcze trutni nadal się rozwijają i ulegają szybkim zmianom w okresie dojrzewania płciowego pomiędzy szóstym a dwunastym dniem życia. Pomiędzy trzecim a ósmym dniem plemniki wytwarzane w jądrach są przenoszone przez proksymalne nasieniowody do pęcherzyków nasiennych, gdzie pozostają w płynie nasiennym aż do wytrysku. Główki plemników są osadzone na powierzchni nabłonka pęcherzyków nasiennych i tam kończą ostatni etap rozwoju. Wewnętrzne okrężne i zewnętrzne podłużne warstwy mięśni są odpowiedzialne za przesuwanie zawartości pęcherzyków nasiennych wzdłuż krótkiego dystalnego nasieniowodu do gruczołu śluzowego i przewodu wytryskowego. Gruczoły śluzowe (= gruczoły dodatkowe) stopniowo powiększają się i gromadzą wydzieliny przez pierwsze dziewięć dni życia trutni. Organy te są wysłane prostym gruczołowym i wydzielniczym nabłonkiem walcowatym, otoczonym trzema warstwami mięśni (wewnętrzną podłużną, środkową obwodową i zewnętrzną podłużną), które kurczą się jednocześnie z mięśniami pęcherzyków nasiennych podczas kopulacji i silnie wyrzucają zawartość pęcherzyków nasiennych i gruczołów śluzowych przez wspólny przewód wytryskowy do endofallusa.

Z pęcherzyków nasiennych odchodzi krótki przewód prowadzący do podstawy gruczołów dodatkowych. Mają one kształt dwóch dużych sakiewek i są wypełnione gęstym, białym, jednolitym płynem, o którego produkcji i właściwościach przeczytacie dalej. Miesza się on z plemnikami, kiedy są uwalniane.

Plemniki z pęcherzyków nasiennych i śluz z gruczołów śluzowych przesuwają się do bulwki w czasie pierwszych dni życia trutnia, nie wypełniając jej jednak całkowicie. W czasie kopulacji endofallus jest wywijany, podobnie jak wywija się pończochę. By proces mógł się odbyć, niezbędny jest duży wzrost ciśnienia, generowanego przez mięśnie znajdujące się między tergitami i sternitami odwłoka. Ponieważ wywierana siła musi być bardzo duża, mięśnie łączące płytki odwłoka trutnia są większe, a zatem silniejsze niż u robotnicy. Plemniki i śluz są również wypychane do wywiniętego penisa w czasie tego procesu. Dokładny przebieg wynicowania aparatu kopulacyjnego trutnia znajdziecie w dalszej części rozdziału.

Plemnik

Są to komórki z długą wicią, wrzecionowatego kształtu, bez wyraźnie oddzielonej główki (jak w przypadku ludzkich plemników), które poruszają się ruchami wibracyjnymi. W pęcherzykach leżą zazwyczaj w ciasno zwiniętych splotach, rzadziej są rozciągnięte. Plemniki o długości 250–270 µm i szerokości 0,7 µm składają się ze stosunkowo małej i wąskiej głowy (10 µm długości i 0,4–0,5 µm szerokości), nasadki przejściowej z centriolami (organellum zbudowane z filamentów mikrotubulowych ułożonych w formę cylindra) oraz wici. Główka plemnika składa się z dwóch części o jednakowej wielkości: kompleksu akrosomalnego i położonego dalej jądra. Kompleks akrosomalny tworzy stożkowy, dwuwarstwowy pęcherzyk akrosomalny. Pamiętacie? To w nim są enzymy niezbędne do przebicia błony i wniknięcia w komórkę jajową. Jądro jest wydłużone, ze zwartą chromatyną. Wić plemnika składa się z dwóch ciał pomocniczych, mikrotubul i mitochondriów.

Przebieg wynicowania aparatu kopulacyjnego

Tak jak wspomniałyśmy, endofallus trutnia nie jest po prostu wypychany z odwłoka w czasie kopulacji, lecz jest wywijany na drugą stronę niczym pończocha.

Kiedy truteń jest podekscytowany, mięśnie odwłoka kurczą się, przez co odwłok zmniejsza swoją objętość i następuje gwałtowny wzrost ciśnienia hemolimfy, wypychający organy na zewnątrz. Na początku endofallus zostaje wypchnięty tylko częściowo, a dopiero po chwili zachodzi pełne wynicowanie. Etapy wynicowania są następujące:

Etap I

1. Najpierw wywijają się przedsionek i rożki (czyli sam czubek endofallusa).

2. Część bulwiasta (bulwka) jest przepychana do wnętrza wywiniętego przedsionka.

3. Część bulwiasta dopełniana jest śluzem i nasieniem (zapewne pamiętacie, że w pierwszych dniach życia trutnia wypełniana jest tylko częściowo).

4. Wynicowywanie endofallusa zatrzymuje się przez wąski kanał szyjkowy między częścią bulwiastą a przedsionkiem.

5. Kanał szyjkowy jest wywijany na zewnątrz endofallusa. Do jego wnętrza przepychana jest część bulwiasta wypełniona śluzem i nasieniem (ma ok. 2 mm). Ze względu na duży rozmiar nie może zostać przepchnięta dalej. W tym momencie następuje pauza w wynicowywaniu aparatu kopulacyjnego.

Etap II

Zachodzi dalszy wzrost ciśnienia i kontynuacja wynicowywania aparatu kopulacyjnego.

1. Grzbietowa ściana kanału szyjowego otwiera się w osobliwy sposób. Najpierw przez kanał przepychana jest sakiewka i na końcu endofallusa pojawia się przeźroczysty pęcherzyk. Powiększa się on wraz ze wzrostem ciśnienia.

2. Grzbietowa część kanału szyjkowego otwiera się, zacząwszy od części tylnej (czyli położonej bliżej głowy trutnia).

3. Zwiększenie ciśnienia powoduje wzrost pęcherzyka i kanał otwiera się szerzej.

4. Sakiewka zostaje przepchnięta przez kanał i część poprzecznych płytek. Ponieważ mają one dużo żebrowań, ich przepychanie jest utrudnione.

5. Po pełnym pęknięciu ściany, całe wnętrze kanału łączy się i powiększa.

Część bulwiasta z chitynowymi płytkami jest przepychana przez kanał szyjkowy aż do kieszeni. Ujście części bulwiastej znajduje się teraz na końcu wynicowanego endofallusa i dochodzi do wytrysku nasienia.

Dokładny skład substancji znajdujących się w endofallusie został opisany w 2010 r. przez profesora Jerzego Woyke. Nasienie jest substancją o kremowej konsystencji i białej barwie, zawierającą śluz i plemniki. Biały śluz składa się głównie z wydzielin białkowych rozpuszczalnych w wodzie. Na samym czubeczku endofallusa profesor zauważył substancję, która do tej pory nie była opisana w literaturze. Stanowi ona od ¼ do 1/3 mieszaniny ejakulowanej przez trutnia. Są to fragmenty nabłonka, które zostają zdarte z gruczołów dodatkowych.

Znamię weselne (w dalszej części rozdziału opisujemy je dokładnie) to część aparatu kopulacyjnego trutnia, która się wynicowuje. Jądra, gruczoły dodatkowe i nasieniowody (pęcherzyki nasienne) zostają w ciele, a przewód wytryskowy zostaje przerwany. Dzięki przerwaniu tego przewodu i całkowitemu oddzieleniu endofallusa od ciała trutnia, dochodzi do sprawnego rozłączenia samca i samicy.

Przebieg lotu weselnego

Loty weselne odbywają się na trutowisku. Gromadzą się na nim setki samców i matek pszczelich. Do kopulacji dochodzi w powietrzu, chociaż bywa, że królowa spada na ziemię wraz z samcem i tam dochodzi do stosunku.

Wspólny wybór trutowiska przez owady pozostaje zagadką, którą od dawna próbują rozwiązać naukowcy. Analizy wykonane w Puerto Rico wykazały, że ważnym czynnikiem jest ustawienie zbocza pagórka (pszczoły podobno wolą te wystawione na południe) i kierunek wiatru (owady chronią się przed podmuchami z północy). Przy czym analizowane zbocza nie były bardzo strome i ich nachylenie nie przekraczało 19%. Ważne są ponoć też punkty charakterystyczne trutowiska, które pomagają owadom odnaleźć się w terenie.

W 2012 r. Koeniger i in. zarejestrowali na filmie, że wynicowanie aparatu kopulacyjnego trutnia przebiega w dwóch fazach, opisanych w poprzednim podrozdziale. Gdy truteń zbliża się do matki, ta otwiera komorę żądłową i samiec może ulokować częściowo wynicowany, pusty kanał szyjkowy w worku kopulacyjnym. Podczas kopulacji chitynowe płytki endofallusa zaczepiają o kieszenie worka kopulacyjnego. Wtedy kończy się pierwsza faza. W tym momencie następuje całkowity paraliż ciała trutnia i nie może się on ruszyć – to zrozumiałe, skoro większość jego hemolimfy znajduje się w odwłoku, który jest niemal rozsadzany przez ciśnienie.

Znamię weselne

Pszczelarze, którzy naturalnie unasieniają matki, wiedzą, że dużo z nich wraca z lotu weselnego z odwłokiem, z którego coś wystaje. Jest to tzw. znamię weselne, czyli resztki aparatu kopulacyjnego trutnia lub trutni.

Znamię weselne w odwłoku matki nie działa jednak jak pas cnoty, lecz pobudza inne trutnie do pościgu.

Układ rozrodczy robotnicy

Układ rozrodczy robotnicy to de facto zreduko­wany układ płciowy matki. W jednym jajniku może znajdować się zaledwie od jednej do 10 rurek jajnikowych, podczas gdy u królowej może być ich od 120 do 200 (przypominamy, że średnio jest ich 160). Spermateka i worek kopulacyjny są niedorozwinięte. Tylko w opisanych na początku rozdziału sytuacjach (bezmateczność, rozwijanie się larwy robotnicy podczas nieobecności matki) robotnica może zacząć składać jaja niezapłodnione.

Rebeliantki mają więcej rureczek jajnikowych i lepiej rozwinięty gruczoł Dufoura, przy jednoczesnym niedorozwinięciu gruczołów gardzielowych (patrzcie rozdział XVII) i lepszym rozwinięciu gruczołów tergitowych (patrzcie rozdział XVIII). Synowie takich pszczół pojawiają się w rodzinie częściej niż synowie trutówek fizjologicznych, co udowodnił w 2017 r. zespół naukowców pod przewodnictwem polskiej badaczki Karoliny Kuszewskiej. Oczywiście pojawienie się trutówek anatomicznych w rodzinie, w której jest matka, zdarza się bardzo rzadko. Natomiast rebeliantki nie mają problemu ze składaniem jaj w obecności królowej, jednak ich lęg jest szybko likwidowany przez robotnice patrolujące.

1 - Haploid: komórka zawierająca tylko jeden zestaw chromosomów homologicznych (oznaczane jako 1n). Diploid: komórka lub organizm zawierający w swoim genomie podwójny zestaw chromosomów homologicznych. Oznaczany jest jako 2n.

2 - Cząsteczka, która zawiera RNA i białko.

3 - Kierunek proksymalny to inaczej kierunek bliższy. To kierunek lub położenie anatomiczne skierowane ku przyczepowi kończyny lub innej struktury, jak w tym przypadku rureczki jajowej. Przeciwieństwem kierunku proksymalnego jest kierunek dystalny.

4 - Camargo i Mello [1970] zwracają uwagę, że pochwa powinna mieć inną nazwę, np. komora genitalna. To, co biolodzy nazywają pochwami to kanały w ciałach ssaków, w które wchodzi penis samca. Tymczasem w przypadku pszczół miodnych część zwana pochwą nie ma styczności z organem kopulacyjnym trutnia, a wyłącznie jego nasieniem, więc termin ten nie powinien zostać zapożyczony ze ssaczej anatomii.

5 - Akrosom (definicja PWN): ciało szczytowe, pęcherzyk wydzielniczy zlokalizowany w szczytowej części główki plemnika, przylegający do otoczki jądrowej. (…) Zawarte w akrosomie enzymy hydrolityczne, m.in. proteazy i hialuronidazy, uwalniane podczas kontaktu plemnika z komórką jajową, pozwalają na jego przeniknięcie przez osłony jajowe.

Zamów prenumeratę czasopisma "Pasieka"