La synchronisation sociale des rythmes circadiens chez les abeilles
Un rythme circadien est un cycle biologique d’environ 24 heures qui persiste en l’absence de signaux externes, comme les cycles jour-nuit.
Ces rythmes sont considérés comme endogènes, c’est-à-dire qu’ils sont générés par l’organisme lui-même, et non par l’environnement.
Les cycles jour-nuit chez les abeilles
Les abeilles mellifères, en particulier les butineuses, présentent des rythmes circadiens qui sont synchronisés avec les cycles jour-nuit de l’environnement.
Cette synchronisation est cruciale pour la coordination des activités de la colonie, telles que la recherche de nourriture et d’autres tâches au sein de la ruche.
L’une des implications les plus importantes est que la synchronisation sociale des abeilles peut être plus puissante que les signaux environnementaux, tels que la lumière, pour entraîner les rythmes circadiens.
Des expériences ont montré que les abeilles vivant dans la ruche, où elles sont exposées aux signaux sociaux mais pas à la lumière du jour, sont capables de maintenir des rythmes circadiens synchronisés avec ceux des butineuses.
Entrainement des rythmes circadiens chez les jeunes abeilles
Des études ont montré que même les jeunes abeilles, qui ont des rythmes circadiens faibles ou absents, sont capables de se synchroniser avec les autres abeilles grâce aux signaux sociaux.
Cela souligne l’importance de la synchronisation sociale dès le plus jeune âge pour le développement et le maintien de rythmes circadiens robustes.
Quel est l’intérêt des études du rythme circadien des abeilles ?
Les études sur la synchronisation sociale des rythmes circadiens chez les abeilles mellifères ont des implications plus larges pour la compréhension de la synchronisation dans d’autres systèmes biologiques.
Les modèles mathématiques utilisés pour décrire la synchronisation chez les abeilles, comme le modèle de Kuramoto, peuvent être appliqués à d’autres systèmes oscillants, tels que les cellules cardiaques ou les neurones.
En conclusion, les études sur les abeilles mellifères ont permis de mieux comprendre les mécanismes et l’importance de la synchronisation sociale des rythmes circadiens.
Ces études ont également mis en lumière l’interaction complexe entre les signaux environnementaux et sociaux dans la régulation des rythmes biologiques.
Mais qu’est-ce qu'un rythme circadien ?
Les rythmes circadiens sont présents chez une grande variété d’organismes, des bactéries aux humains en passant par les plantes et les animaux.
Ils régulent de nombreux processus physiologiques et comportementaux, notamment :
- Les cycles veille-sommeil ;
- La température corporelle ;
- La production d’hormones ;
- Le métabolisme ;
- L’activité locomotrice.
Trois critères définissent un rythme circadien :
Persistance en l’absence de signaux externes : le rythme se maintient avec une période d’environ 24 heures même en l’absence de signaux temporels externes, comme la lumière du jour.
Compensation de la température : la durée de la période circadienne reste stable dans une large gamme de températures physiologiquement pertinentes.
Entraînement par des signaux externes : la phase du rythme circadien peut être ajustée ( » entraînée « ) par des signaux environnementaux, notamment la lumière.
Importance des rythmes circadiens
Les rythmes circadiens sont considérés comme importants car ils permettent aux organismes d’anticiper les changements environnementaux récurrents et d’adapter leur physiologie et leur comportement en conséquence.
Par exemple, en ajustant leur rythme circadien à l’alternance du jour et de la nuit, les animaux peuvent optimiser leur recherche de nourriture ou éviter les prédateurs.
Mécanismes des rythmes circadiens
Les rythmes circadiens sont générés par des horloges biologiques présentes dans de nombreux tissus et organes.
Ces horloges sont composées de gènes et de protéines qui interagissent pour créer des boucles de rétroaction, régulant ainsi l’expression d’autres gènes impliqués dans divers processus physiologiques.
Perturbations des rythmes circadiens
Des perturbations des rythmes circadiens, dues à des mutations dans les gènes de l’horloge ou à un décalage entre les rythmes endogènes et les cycles environnementaux, peuvent entraîner des conséquences néfastes sur la santé.
Le » décalage horaire social » (social jetlag), par exemple, est un phénomène courant dans les sociétés modernes, où les individus vivent souvent en décalage avec leur horloge biologique.
Ce décalage est associé à divers problèmes de santé, notamment métaboliques, cardiovasculaires et psychiatriques.
Quelles sont les fonctions évolutives de la synchronisation sociale des rythmes circadiens chez les abeilles ?
Les rythmes d’activité synchronisés des individus d’une même espèce peuvent aider à coordonner leurs comportements vers un but commun.
Parmi les exemples, citons l’accouplement, les soins aux progénitures ou les activités communes telles que la défense ou la recherche de nourriture en groupe.
La synchronisation sociale des rythmes circadiens est probablement plus importante chez les animaux sociaux qui vivent dans des environnements constants dans lesquels certains individus ou tous ne vivent pas les cycles jour-nuit ambiants.
Un exemple bien étudié de ce phénomène se trouve chez les abeilles.
Les abeilles bénéficient de la synchronisation sociale de plusieurs manières :
Coordination des activités de la colonie d'abeilles
La synchronisation sociale aide les abeilles à coordonner des activités telles que la recherche de nourriture, les soins au couvain et la défense de la colonie.
Entraînement des abeilles qui ne quittent pas la ruche
Chez les abeilles, les individus qui font l’expérience de l’environnement extérieur, comme les butineuses, entraînent socialement les horloges circadiennes de leurs compagnons de colonie qui ne quittent pas la cavité sombre et la température stable de la ruche.
Dominance des signaux sociaux sur les signaux lumineux
Des expériences ont montré que les signaux sociaux peuvent être plus puissants que les signaux lumineux pour entraîner l’horloge circadienne des abeilles.
Lorsque les abeilles nouvellement écloses étaient placées dans des enclos au centre de la ruche, ce qui les empêchait d’être exposées à la lumière du soleil ou à la température ambiante, leur phase circadienne restait similaire à celle des butineuses et n’était pas alignée sur le régime d’éclairage.
Cependant, des études montrent qu’elles se synchronisent aussi socialement entre elles, même en l’absence d’abeilles plus âgées.
Il est important de noter que la synchronisation sociale du rythme d’activité quotidien n’implique pas nécessairement que l’horloge circadienne soit socialement entraînée.
Pour confirmer l’entraînement social, il est nécessaire de montrer que les signaux sociaux ont modifié la phase ou la période de fonctionnement libre de l’horloge circadienne, et que cette phase est conservée après que l’animal a été privé des signaux sociaux.
Quelles sont les deux principales hypothèses concernant les mécanismes de la synchronisation sociale chez les abeilles ?
Deux principaux mécanismes de signalisation sociale pourraient expliquer la synchronisation sociale des rythmes circadiens chez les abeilles : les phéromones volatiles et les vibrations transmises par le substrat (la cire).
- Phéromones volatiles : Les abeilles communiquent au sein de la colonie en utilisant une variété de phéromones. Les changements dans la concentration ou la composition de ces phéromones, influencés par le niveau d’activité des abeilles butineuses, pourraient servir de signaux temporels pour les abeilles vivant dans la ruche.
- Vibrations transmises par le substrat : L’activité des abeilles, en particulier celle des butineuses, génère des vibrations dans les rayons de la ruche. Ces vibrations pourraient être détectées par les autres abeilles de la colonie et servir de repères temporels, synchronisant ainsi leurs rythmes circadiens avec ceux des butineuses.
Ces signaux agissent comme des » synchroniseurs » sociaux, permettant aux abeilles de coordonner leurs activités et de maintenir un rythme circadien cohérent au sein de la colonie.
Il est important de noter que ces deux mécanismes ne sont pas mutuellement exclusifs. Il est très possible que les abeilles utilisent une combinaison de ces signaux, ainsi que d’autres signaux non encore identifiés, pour atteindre une synchronisation sociale robuste.
Comment les plantes et les abeilles se synchronisent pour maximiser le succès de la pollinisation ?
La relation entre les horloges circadiennes des plantes et des abeilles
Les plantes et les abeilles possèdent toutes deux des horloges circadiennes qui régulent les activités liées à la pollinisation.
Ces rythmes circadiens affectent les écosystèmes de plusieurs manières.
- Les abeilles dépendent de leurs horloges circadiennes pour divers aspects de la recherche de nourriture, notamment l’anticipation, la mémoire du temps et l’orientation du compas solaire.
Par exemple, les abeilles peuvent apprendre à visiter les fleurs à des moments précis de la journée où les récompenses sont disponibles, et cette mémoire du temps est contrôlée par leur horloge circadienne.
De plus, les abeilles utilisent la position du soleil pour s’orienter, et elles compensent le mouvement du soleil en utilisant leurs horloges circadiennes. - Les plantes présentent également des rythmes circadiens dans les traits liés à la pollinisation, tels que l’ouverture des fleurs, la libération de parfums et la disponibilité des récompenses.
Certaines fleurs, comme le jasmin nocturne, synchronisent l’ouverture de leurs fleurs et la production de parfums avec leur horloge circadienne, ce qui maximise l’attraction des pollinisateurs nocturnes. - L’interaction entre les rythmes circadiens des plantes et des abeilles peut façonner la structure des communautés écologiques et influencer la biodiversité.
- La partition temporelle :
Où différentes espèces végétales offrent des récompenses aux pollinisateurs à différents moments de la journée va permettre la coexistence d’un plus grand nombre d’espèces végétales.
Cette partition temporelle peut également réduire la compétition entre les pollinisateurs et conduire à une plus grande diversité des pollinisateurs, ce qui peut à son tour améliorer le succès de la pollinisation et la production de fruits des plantes.
- Les espèces envahissantes :
Pourraient perturber ces réseaux de pollinisation soigneusement synchronisés, ce qui représente un défi pour les espèces indigènes qui ont évolué pour occuper des niches temporelles spécifiques.
Espèces envahissantes et perturbation des réseaux de pollinisation
Impact de ces espèces sur les réseaux de pollinisation, en particulier dans le contexte des rythmes circadiens.
Domination des habitats et compétition
Les espèces végétales envahissantes peuvent dominer les habitats et attirer un grand nombre de pollinisateurs, ce qui réduit les services de pollinisation disponibles pour les espèces indigènes pendant au moins une partie de la journée.
Modification des niches temporelles
Les espèces envahissantes peuvent perturber les réseaux de pollinisation établis, ce qui représente un défi pour les espèces indigènes qui ont évolué pour occuper des niches temporelles spécifiques.
Par exemple, des bourdons envahissants (Bombus terrestris), lors de pollinisation ciblées, ont été observés en train de butiner très tôt le matin et d’épuiser le pollen de nombreuses fleurs, ce qui réduit la disponibilité des ressources pour les abeilles solitaires indigènes qui arrivent plus tard.
Vulnérabilité des espèces spécialisées
Les espèces ayant des niches temporelles spécialisées, comme l’abeille charpentière crépusculaire Xylocopa (Proxylocopa) olivieri, pourraient être particulièrement vulnérables aux espèces envahissantes capables d’exploiter les ressources disponibles pendant leur période d’activité restreinte.
Les espèces envahissantes peuvent avoir un impact significatif sur les réseaux de pollinisation en modifiant la disponibilité des ressources et en perturbant les niches temporelles établies.
Cela souligne l’importance de prendre en compte les rythmes circadiens lors de l’étude des interactions plantes-pollinisateurs et de la conservation de la biodiversité.
Les pesticides perturbent les rythmes circadiens des abeilles
Les néonicotinoïdes perturbent les rythmes circadiens et le sommeil des abeilles en stimulant de manière anormale les neurones de l’horloge, ce qui a un impact potentiel sur la navigation, la mémoire temporelle et la communication sociale des abeilles.
Les neurones de l’horloge circadienne des abeilles reçoivent la lumière par le biais de la signalisation cholinergique.
Les néonicotinoïdes excitent de manière anormale les voies cholinergiques nicotiniques de la lumière entrante, ce qui entraîne une surstimulation des neurones de l’horloge qui favorisent l’éveil chez les abeilles, ce qui perturbe et modifie les rythmes circadiens et le sommeil.
Les néonicotinoïdes induisent des changements dans le comportement rythmique des abeilles, retardant la fin de leur période d’activité et augmentant leur activité pendant la nuit.
Les chercheurs ont observé que les néonicotinoïdes perturbent le sommeil des abeilles, réduisant la durée totale du sommeil et le nombre de cycles de sommeil.
Il a été démontré que la privation de sommeil perturbe les fonctions neurocognitives telles que l’apprentissage, la mémoire et la communication sociale chez un large éventail d’espèces.
Ce qui affecte la santé et la survie des colonies d’abeilles.
Les néonicotinoïdes entraînent une perte des rythmes comportementaux circadiens d’une manière dose-dépendante
La perturbation du rythme circadien des abeilles butineuses affecte la structure temporelle de la colonie entière en perturbant l’entraînement social des abeilles.
Ces pesticides perturbent la consolidation de la mémoire de navigation, ce qui réduit également la probabilité que les abeilles butineuses retournent à la ruche.
De plus, la privation de sommeil réduit la précision de la danse des abeilles, ce qui dégrade la communication sociale essentielle à la recherche de nourriture.
Références scientifiques sur le rythme circadien des abeilles
Dunlap JC, Loros JJ, Decoursey PJ. 2004 Chronobiology : biological timekeeping.
Yerushalmi S, Green RM. 2009 Evidence for the adaptive significance of circadian rhythms.
Finger AM, Kramer A. 2020 Mammalian circadian systems : organization and modern life challenges.
Patke A, Young MW, Axelrod S. 2020 Molecular mechanisms and physiological importance of circadian rhythms.
Roessingh S, Stanewsky R. 2017 The Drosophila TRPA1 channel and neuronal circuits controlling rhythmic behaviours and sleep in response to environmental temperature.
Tomioka K, Matsumoto A. 2019 The circadian system in insects : cellular, molecular, and functional organization.
Eban-Rothschild A, Bloch G. 2012 Social influences on circadian rhythms and sleep in insects.
Beer K, Steffan-Dewenter I, Härtel S, Helfrich-Förster
- 2016 A new device for monitoring individual activity rhythms of honey bees reveals critical effects of the social environment on behavior.
Moritz RFA, Kryger P. 1994 Self-organization of circadian rhythms in groups of honeybees (Apis mellifera L).
Moritz RF, Sakofski F. 1991 The role of the queen in circadian rhythms of honeybees (Apis mellifera L).
Koeniger N, Koeniger G. 2000 Reproductive isolation among species of the genus Apis.
Harano K, Sasaki M, Sasaki K. 2007 Effects of reproductive state on rhythmicity, locomotor activity and body weight in the European honeybee, Apis mellifera queens (Hymenoptera, Apini).
Johnson JN, Hardgrave E, Gill C, Moore D. 2010 Absence of consistent diel rhythmicity in mated honey bee queen behavior.
Shemesh Y, Eban-Rothschild A, Cohen M, Bloch G. 2010 Molecular dynamics and social regulation of context-dependent plasticity in the circadian clockwork of the honey bee.
Eban-Rothschild A, Shemesh Y, Bloch G. 2012 The colony environment, but not direct contact with conspecifics, influences the development of circadian rhythms in honey bees
Bloch G. 2010 The social clock of the honeybee.
Heinrich B, Esch H. 1994 Thermoregulation in bees.
Fuchikawa T, Shimizu I. 2007 Circadian rhythm of locomotor activity in the Japanese honeybee, Apis cerana japonica.
Siehler O, Bloch G. 2020 Colony volatiles and substrateborne vibrations entrain circadian rhythms and are potential cues mediating social synchronization in honey bee colonies
Adamovich Y et al. 2019 Oxygen and carbon dioxide rhythms are circadian clock controlled and differentially directed by behavioral signals.
Hunt JH, Richard FJ. 2013 Intracolony vibroacoustic communication in social insects
Yerushalmi S, Bodenhaimer S, Bloch G. 2006 Developmentally determined attenuation in circadian rhythms links chronobiology to social organization in bees.
Crepet WL. 1984 Advanced (constant) insect pollination mechanisms : pattern of evolution and implications vis-a`-vis angiosperm diversity.
Willmer PG, Stone GN. 2004 Behavioral, ecological, and physiological determinants of the activity patterns of bees.
Boisvert MJ, Sherry DF. 2006 Interval timing by an invertebrate, the bumble bee Bombus impatiens.
Nagel DH, Kay SA. 2012 Complexity in the wiring and regulation of plant circadian networks.
Yakir E, Hilman D, Harir Y, Green RM. 2007 Regulation of output from the plant circadian clock.
Robertson FC, Skeffington AW, Gardner MJ, Webb AA. 2009 Interactions between circadian and hormonal signalling in plants.
Loughrin JH, Hamiltonkemp TR, Andersen RA, Hildebrand DF. 1991 Circadian-rhythm of volatile emission from flowers of Nicotiana sylvestris and N. suaveolens.
Fenske MP, Imaizumi T. 2016 Circadian rhythms in floral scent emission.
van Hout R, Chamecki M, Brush G, Katz J, Parlange MB. 2008 The influence of local meteorological conditions on the circadian rhythm of corn (Zea mays L.) pollen emission.
Lehmann M, Gustav D, Galizia CG. 2011 The early bee catches the flower – circadian rhythmicity influences learning performance in honey bees, Apis mellifera.
Mulder CK, Gerkema MP, Van der Zee EA. 2013
Circadian clocks and memory : time-place learning.
Pahl M, Zhu H, Pix W, Tautz J, Zhang S. 2007 Circadian timed episodic-like memory – a bee knows what to do when, and also where.
Nagari M, Szyszka P, Galizia G, Bloch G. 2017 Taskrelated phasing of circadian rhythms in antennal responsiveness to general odorants and pheromones in honeybees
van der Sluijs JP, Simon-Delso N, Goulson D, Maxim L, Bonmatin JM, Belzunces LP. 2013 Neonicotinoids, bee disorders and the sustainability of pollinator services.