Etanol kojarzy się głównie z alkoholem spożywanym przez ludzi. Tymczasem niewielkie ilości tej substancji powstają naturalnie wszędzie tam, gdzie drożdże fermentują cukry, czyli także w owocach i nektarze kwiatowym. Dla niektórych zwierząt kontakt z alkoholem jest więc stałym elementem życia

Pszczoły miodne są szczególnie interesującym modelem do badania tego zjawiska. Robotnice chętnie pobierają roztwory cukru zawierające etanol, a w niektórych warunkach preferują jego niskie stężenia. Wyższe dawki, przekraczające 10 proc., działają jednak awersyjnie i mogą być toksyczne. Pszczoły potrafią także rozwijać tolerancję na alkohol.

Nie oznacza to, że owady regularnie odwiedzają „bary z nektarem”. Naturalne stężenia etanolu są zazwyczaj bardzo niskie. Pytanie brzmi jednak: czy tak małe dawki są dla pszczół biologicznie obojętne?

Zapylacze piją „koktajle” przez cały dzień

Nektar jest bogaty w cukry, dlatego stanowi dobre środowisko dla drożdży. Mikroorganizmy te wykorzystują cukry jako źródło energii, a jednym z produktów fermentacji jest etanol.

Niedawne badania pokazały, że zjawisko to może być znacznie bardziej rozpowszechnione, niż wcześniej sądzono. W badaniu obejmującym 147 próbek nektaru pochodzących z 29 gatunków roślin etanol wykryto w 48 proc. wszystkich próbek, a przynajmniej jedną próbkę zawierającą alkohol stwierdzono u 26 gatunków. Średnie stężenie etanolu w próbkach dodatnich wynosiło około 0,016 proc., maksymalna średnia dla pojedynczego gatunku około 0,032 proc., a najwyższa zmierzona wartość sięgała 0,056 proc..

To bardzo małe ilości. Ich biologiczne znaczenie może jednak wynikać nie tyle z jednorazowej dawki, ile ze sposobu odżywiania się zwierząt żywiących się nektarem. Kolibry i owady zapylające pobierają go wielokrotnie w ciągu dnia, a jego łączna ilość może stanowić znaczną część ich masy ciała. Ekspozycja na etanol może więc być długotrwała, mimo że każde pojedyncze spożycie pokarmu dostarcza niewielkiej dawki. Po przeliczeniu ilości spożywanego etanolu na kilogram masy ciała, dzienna ekspozycja niektórych zwierząt żywiących się nektarem może osiągać wartości zaskakująco wysokie. W pewnych przypadkach jest ona porównywalna, pod względem dawki przypadającej na masę ciała, z ilością alkoholu zawartą w pojedynczym napoju alkoholowym spożytym przez człowieka. Nie oznacza to oczywiście porównywalnego działania fizjologicznego. Metabolizm, tempo wchłaniania i wrażliwość na etanol różnią się między gatunkami.

W przypadku pszczół miodnych naturalne stężenia alkoholu, z którymi się stykają, są prawdopodobnie niewielkie. Eksperymenty pokazują jednak, że robotnice mogą dobrowolnie pobierać roztwory zawierające etanol, a także wykazywać preferencję wobec jego niskich stężeń. Mogą też pobierać roztwory zawierające nawet kilka procent etanolu. Długotrwała ekspozycja na niskie dawki nie musi przy tym obniżać przeżywalności, podczas gdy wyższe stężenia zaburzają uczenie się, motorykę i zachowania społeczne. Metabolizm etanolu u pszczół wydaje się stosunkowo wolny, co może mieć znaczenie przy wielokrotnym pobieraniu małych dawek w ciągu dnia.

Pojawia się więc podstawowe pytanie: jakie stężenia etanolu rzeczywiście spotykają pszczoły w naturze i jakie znaczenie biologiczne ma regularne przyjmowanie tych małych dawek? Stężenia wykrywane w nektarze są zwykle znacznie niższe niż te stosowane w większości eksperymentów laboratoryjnych. Nadal brakuje też systematycznych danych terenowych obejmujących różne siedliska, pory roku i gatunki roślin.

Hipoteza „ewolucyjnego kaca”

Jedną z koncepcji łączących biologię ewolucyjną ze spożywaniem alkoholu jest hipoteza „pijanej małpy”, określana też niekiedy jako hipoteza „ewolucyjnego kaca”. Zakłada ona, że niewielkie ilości etanolu przez miliony lat stanowiły naturalny element diety naszych przodków. Przejrzałe owoce i fermentujące soki zawierały alkohol wytwarzany przez drożdże.

W takim ujęciu etanol mógł pełnić również funkcję sygnału ekologicznego. Zapach fermentacji może wskazywać na obecność dojrzałych, bogatych w cukry owoców. U niektórych naczelnych obserwowano wykorzystanie zapachów związanych z fermentacją podczas poszukiwania pokarmu, a badania terenowe wskazują, że zwierzęta mogą tolerować lub preferować niewielkie ilości etanolu, unikając jednocześnie jego wysokich stężeń. Etanol w owocach nie jest przy tym zjawiskiem wyjątkowym. W dziko rosnących owocach wykrywano stężenia od setnych i dziesiątych części procenta do wartości sięgających kilku procent w przypadku niektórych przejrzałych owoców w środowiskach tropikalnych. Takie wartości notowano między innymi w Panamie w przejrzałych owocach palmy Astrocaryum standleyanum, chociaż zawartość alkoholu jest zazwyczaj niższa.

Współczesna dostępność alkoholu zasadniczo różni się jednak od warunków, w których kształtowały się te mechanizmy. Substancja występująca naturalnie w niewielkich dawkach jest obecnie dostępna w bardzo wysokich stężeniach i dużych ilościach. Z ewolucyjnego punktu widzenia może to prowadzić do niedopasowania między mechanizmami powstałymi w dawnym środowisku a warunkami współczesnymi.

Perspektywa ta nie ogranicza się do naczelnych. Naturalne źródła etanolu obejmują owoce, nektar i inne materiały roślinne. Rośliny dostarczają cukrów, mikroorganizmy przekształcają część z nich w alkohol, a zwierzęta reagują zarówno na wartość energetyczną pokarmu, jak i na chemiczne sygnały fermentacji. Muszki owocowe (Drosophila) również wykorzystują środowiska zawierające etanol i składają jaja w fermentującym materiale. Tolerancja na alkohol oraz jego atrakcyjność mogą więc mieć długą historię ewolucyjną.

Gdy mała dawka działa inaczej niż duża

W tym kontekście interesujące jest zjawisko hormezy. Polega ono na tym, że niewielka dawka czynnika stresowego może wywoływać inną, a niekiedy korzystniejszą reakcję organizmu niż dawka wysoka. Zjawisko to opisano dla wielu czynników fizycznych i chemicznych, w tym etanolu.

Niewielkie dawki alkoholu mogą uruchamiać komórkowe mechanizmy odpowiedzi na stres, między innymi systemy antyoksydacyjne i procesy naprawcze. W określonych warunkach może to prowadzić do poprawy niektórych parametrów funkcjonowania. Po przekroczeniu określonego zakresu dawki skutki stają się jednak niekorzystne. Taki przebieg reakcji przedstawia się często jako krzywą w kształcie odwróconej litery U.

Hormeza stanowi jedną z możliwych odpowiedzi na pytanie, dlaczego organizmy mogą dobrze tolerować niewielkie ilości substancji, która w większych dawkach jest toksyczna. Jeżeli etanol był przez długi czas stałym, choć występującym w małych ilościach składnikiem środowiska, organizmy mogły wykształcić mechanizmy pozwalające nie tylko ograniczać jego szkodliwe działanie, ale również wykorzystywać związane z nim informacje lub energię. Nie oznacza to, że każda mała dawka alkoholu jest korzystna. Zakres hormetyczny zależy od organizmu, sposobu ekspozycji i badanego efektu. W przypadku pszczół pozostaje więc do ustalenia, czy naturalne, bardzo niskie stężenia etanolu rzeczywiście wywołują reakcję hormetyczną.

Pszczoły jako model do badań hormezy

Pszczoła miodna jest pod tym względem szczególnie użytecznym organizmem modelowym. Można stosunkowo łatwo prowadzić na niej kontrolowane eksperymenty, a jednocześnie charakteryzuje ją złożone zachowanie społeczne i naturalny kontakt z etanolem. Pozwala to badać działanie alkoholu na wielu poziomach – od reakcji fizjologicznych, przez zachowanie pojedynczej robotnicy, po funkcjonowanie całej rodziny.

Większość dotychczasowych eksperymentów wykorzystywała stężenia etanolu znacznie wyższe od tych, które najczęściej wykrywa się w nektarze. Wiadomo, że wyższe dawki mogą pogarszać zdolność uczenia się, zaburzać motorykę i interakcje społeczne oraz zwiększać śmiertelność pszczół. Znacznie mniej wiadomo o skutkach przewlekłego kontaktu z bardzo małymi dawkami. To właśnie one mogą być szczególnie interesujące z ekologicznego punktu widzenia. Pszczoły pozwalają sprawdzić, czy taka ekspozycja pozostaje biologicznie obojętna, czy też zmienia wybrane aspekty fizjologii i zachowania. Pozwalają również ustalić, czy w ogóle istnieje zakres stężeń wywołujących efekt hormetyczny, a jeśli tak – gdzie kończy się tolerancja i zaczynają skutki szkodliwe.

Alkohol to nie jedyna neuroaktywna substancja w nektarze

Etanol jest tylko jednym z wielu biologicznie aktywnych związków obecnych w nektarze. Można w nim znaleźć także substancje wpływające na układ nerwowy zapylaczy, między innymi kofeinę czy nikotynę. Ich działanie również zależy od dawki: niewielkie ilości mogą wpływać na zachowanie inaczej niż wysokie stężenia, które bywają toksyczne. Z punktu widzenia zapylacza nektar nie jest więc po prostu roztworem cukru. Jest mieszaniną składników odżywczych, metabolitów wtórnych roślin, związków wytwarzanych przez mikroorganizmy oraz produktów fermentacji. Wszystkie te substancje mogą wspólnie wpływać na wybór kwiatów, uczenie się, pamięć i inne elementy zachowania.

Etanol zajmuje w tym chemicznym krajobrazie interesujące miejsce. Może być jednocześnie źródłem energii, sygnałem obecności bogatego w cukry pokarmu oraz czynnikiem stresowym. To, która z tych funkcji będzie najważniejsza, zależy przede wszystkim od dawki i sposobu ekspozycji.

Kontakt z alkoholem nie jest zjawiskiem charakterystycznym wyłącznie dla człowieka. Etanol powstaje naturalnie podczas fermentacji materiału roślinnego i może być obecny zarówno w owocach, jak i w nektarze kwiatowym. Dla wielu zwierząt kontakt z niewielkimi ilościami alkoholu jest więc stałym elementem środowiska.

Hipoteza „pijanej małpy” pokazuje, że zainteresowanie etanolem można rozpatrywać w kontekście ewolucyjnym. Hormeza zwraca z kolei uwagę na to, że skutków działania substancji nie można przewidywać wyłącznie na podstawie efektów wysokich dawek. W przypadku pszczół najciekawsze pytanie dotyczy właśnie dolnego końca tej skali.

Wiemy stosunkowo dużo o tym, co dzieje się po podaniu im wysokich stężeń alkoholu. Znacznie mniej wiadomo o konsekwencjach regularnego pobierania śladowych ilości etanolu, z którymi mogą rzeczywiście stykać się podczas żerowania. Poznanie tych efektów może pomóc lepiej zrozumieć zarówno ekologię zapylaczy, jak i ewolucyjne znaczenie kontaktu zwierząt z alkoholem.

Artykuł powstał w ramach realizacji grantu Sonata „Ferment w rodzinie: hormeza alkoholowa u robotnic pszczoły miodnej Apis mellifera” Narodowego Centrum Nauki (2021/43/D/NZ8/01044).

• Nauki biologiczne i rolnicze