Mehiläisen tarina piilee hunajan dna:ssa
Mehiläisen tuntosarvet vilkkuvat vahakannen alta, kun se puree leuoillaan kennon auki. Kannen alta kurkistaa aikuinen työläismehiläinen. Ensin se vietti kolme päivää kennon pohjalla munana, sitten viisi toukkana. Näiden päivien aikana pesän aikuiset työläiset syöttivät sitä, mutta kahdeksantena päivänä ne rakensivat kennoon kannen vahasta. Vahakannen alla toukka kutoi itselleen kotelokopan, jonka sisällä se kehittyi aikuiseksi. Nyt sen on aika kiivetä ulos kennosta ja aloittaa elämä aikuisena mehiläisenä.
Mehiläiset tunnetaan paitsi tärkeinä pölyttäjinä, myös meden kerääjinä ja hunajan valmistajina. Jo 1800-luvulta on tiedetty, että hunaja sisältää kasvien siitepölyä. Kun aloimme tutkia hunajassa olevaa siitepölyä dna:n avulla, huomasimme, että sen avulla voimme tunnistaa hunajasta lukemattoman määrän eliöitä, joiden kanssa mehiläinen on ollut kosketuksissa.
Hunajanäytteestä voimme tunnistaa, mitä bakteereita, sieniä ja eläimiä mehiläiset ovat kohdanneet.
Kesällä mehiläispesässä on kymmeniä tuhansia mehiläisiä, mutta niiden lisäksi myös monia muita eliöitä. Pesän sisällä mehiläinen tapaa niin mehiläisiä loisivia punkkeja kuin niiden kuljettamia viruksia sekä bakteereja ja sieniä.
Hyödyllisiä suolistobakteereita mehiläinen saa omaan elimistöönsä pesän muilta mehiläisiltä, ja samalla tavalla leviävät myös tauteja aiheuttavat bakteerit, sienet ja virukset. Sen lisäksi, että näitä mikrobeja on mehiläisissä itsessään, on niitä pesän eri pinnoilla ja myös pesässä olevassa hunajassa.
Uudet mehiläiset kasvavat vahalla peitettyjen kennojen sisällä. Kuva: Paula Humberg
Medestä hunajaksi
Hunaja on mehiläisten keräämää mettä, jonka ne ovat muokanneet hyvin säilyväksi ruoaksi. Työläiset keräävät mettä eri kasvien kukista, ja kuljettavat sen mesimahassaan pesään.
Mehiläiset valmistavat hunajaa muokkaamalla meden sokereita entsyymeillään ja kuivattamalla sitä. Jo matkalla pesään mehiläinen alkaa erittää entsyymejä, ja tämä jatkuu pesässä. Kun mehiläiset työskentelevät pesässä, niistä itsestään irtoaa soluja ja pieniä kudospaloja, joita joutuu myös hunajaan.
Kasvisoluissa olevan dna:n perusteella hunajasta voi tunnistaa kasvit, joista mesi on kerätty. Samalla tavoin voimme tunnistaa muutkin eliöt. Hunajaa voi siis käyttää näytteenä koko mehiläispesän elämästä.
Tutkijan kannalta on tärkeää miettiä, millainen on toimiva hunajanäyte. Hunajan lusikoiminen mehiläispesästä näytteeksi ei vaadi erityisosaamista, ja hunaja säilyy hyvin huoneenlämmössä. Lisäksi sillä voi korvata mehiläisten tai mehiläistoukkien keräämisen ja tappamisen mehiläispesän tilan tutkimista varten.
Hunajanäytteestä voimme tunnistaa, mitä bakteereita, sieniä ja eläimiä mehiläiset ovat kohdanneet. Osa niistä on hyödyllisiä, osa haitallisia, monet eivät vaikuta mehiläisten elämään lainkaan.
Nuori työläinen aloittaa siivoojana
Vastakuoriutuneen mehiläisen ensimmäisenä työtehtävänä on puhdistaa kennoja, sillä mehiläisyhdyskunta käyttää niitä yhä uudelleen. Kennoja käytetään hunajan ja siitepölyn säilömiseen sekä mehiläistoukkien kasvupaikkoina. Niinpä nuori mehiläinen poistaa kennoista kuolleet toukat, kotelon jäänteet, toukan ulosteet ja vahakannen palat. Se puhdistaa kennon seinät ja tasoittaa reunat. Tämän jälkeen kenno on taas valmis uuteen käyttöön.
Työläisellä on monia tehtäviä elämänsä aikana, joista ensimmäiset ovat sisätöitä: siivousta sekä pesän toukkien ja kuningattaren ruokintaa.
Puolentoista, kahden viikon ikäisenä se alkaa myös rakentaa vahakennoja, muokata vanhempien mehiläisten tuomaa mettä ja siitepölyä säilytykseen sekä tuulettaa pesää. Tuuletus on tärkeää, jotta ilma vaihtuu pesässä ja mesi saadaan kuivatettua hyvin säilyväksi hunajaksi.
Työläiset rakentavat emokennoa, jotta voivat kasvattaa siinä itselleen uuden kuningattaren. Kuva: Paula Humberg
Hunaja säilöö dna:n
Hunaja koostuu pääosin erilaisista sokereista, sen vesipitoisuus on hyvin pieni ja pH matala. Näiden ominaisuuksien, sekä mehiläisten hunajaan erittämien entsyymien ansiosta bakteerit ja sienet eivät voi kasvaa hunajassa. Tämän takia hunaja säilyy vuosia, kunhan sitä säilyttää huoneenlämmössä ja kuivassa. Vaikuttaa siltä, että hunajan ominaisuuksien ansiosta myös dna säilyy siinä hyvin.
Jos mehiläishoitaja kerää hunajan ennen kuin mehiläiset ovat ehtineet kuivattaa sen valmiiksi, sen säilyvyys heikkenee. Näin käy myös, jos hunajaan pääsee imeytymään vettä. Liian kosteassa hunajassa suuria sokeripitoisuuksia sietävät hiivasienet voivat alkaa lisääntyä, jolloin hunaja alkaa käydä. Onkin hämmästyttävää, että mehiläiset osaavat kuivattaa hunajan juuri sopivaksi.
Suomalaisissa hunajissa usein yleisin kasvi on rypsi tai vadelma.
Mehiläisten mielestä parasta on sokeripitoisin mesi, ja paras kasvi on sellainen, joka kasvaa lähellä pesää ja tarjoaa paljon mettä. Eri kasvien medet eroavat muiltakin ominaisuuksiltaan kuin sokeripitoisuudeltaan. Siten hunajastakin tulee erilaista, riippuen siitä, mistä kasveista mehiläiset ovat keränneet meden. Hunajan väri, tuoksu, maku sekä se, miten nopeasti hunaja kiteytyy, määräytyvät meden perusteella.
Mehiläiset pilkkovat meden sokerit entsyymeillään. Jos lopputuloksessa on reilusti enemmän hedelmäsokeria kuin rypälesokeria, säilyy hunaja hyvin pitkään juoksevana. Jos taas rypälesokeria on paljon, hunaja kiteytyy nopeasti.
Näiden meden tuomien erojen takia on haluttu selvittää, mistä kasveista hunaja on peräisin. Tämä kysymys alun perin synnytti kiinnostuksen tutkia hunajan siitepölyjä.
Nykyiset mehiläispesät on tehty siten, että siirrettävien kennostojen väliin jää vain juuri mehiläisten liikkumisen vaatima tila, mehiläisväli. Jos väli olisi suurempi, rakentaisivat mehiläiset siihen kennoston itse. Kuva: Paula Humberg
Jos hunajakennosta irrotetaan pala, ryntäävät työläiset keräämään hunajaa talteen. Kuva: Paula Humberg
Vaarallinen elämä pesän ulkopuolella
Mehiläisen elämässä alkavat vaaralliset ajat, kun se parin kolmen viikon ikäisenä siirtyy käymään töissä pesän ulkopuolella. Siellä se altistuu saalistukselle ja kuumuudelle, sekä kokee valtavaa fyysistä rasitusta. Se tekee jopa kymmenen medenkeruumatkaa päivässä, pisimmillään parin kolmen kilometrin päähän.
Mehiläinen pystyykin tekemään keruumatkoja keskimäärin vain noin kymmenen päivän ajan, jonka jälkeen sille on kertynyt jo niin paljon tapaturmia ja se on niin uupunut, ettei se enää selviä takaisin pesään.
Jotkut mehiläiset elävät kauemmin. Niillä vanhuuden aiheuttamat muutokset kehossa vähentävät kuumuuden tai rasituksen sietoa, ja ne kuolevat näiden yhteisvaikutukseen.
Talvella, kun mehiläiset eivät liiku pesän ulkopuolella, tämä rasitus puuttuu. Silloin työläiset elävät paljon pidempään kuin kesällä.
Mehiläisen elämän pituuteen vaikuttavatkin paljolti työtehtävät, joita se tekee. Jotkut tekevät yhtä työtehtävää lähes koko elinaikansa, mutta useimmat vaihtavat työtehtäviä tietyn ikäisinä.
Pesän lentoaukolla vartijat tunnistavat oman pesän väen, mutta hyväksyvät myös muista pesistä eksyneitä, jos näillä on tarjota mettä tai siitepölyä. Kuva: Paula Humberg
Pesän muiden työläisten määrä, niiden iät ja niiden tekemät tehtävät vaikuttavat siihen, mitä tehtäviä mehiläinen elämänsä aikana lopulta tekee. Myös pesän ympäristö, kuten se, kuinka paljon lähistöllä kasvaa siitepöly- ja mesikasveja sekä sääolot, vaikuttavat tähän.
Jos pesässä on jo paljon mettä sekä sitä kerääviä työläisiä, siirtyvät seuraavat medenkeruuikään tulevat mehiläiset ulkotöihin vasta myöhemmin. Toisaalta, jos pesään kuoriutuu liian vähän uusia mehiläisiä toukkia hoitamaan, voivat vanhemmat mehiläiset palata ulkotöistä hoitamaan toukkia. Tämä muovautuvuus mehiläisyhteiskunnassa mahdollistaa yhdyskunnan selviämisen erilaisina aikoina.
Mehiläistyöläiset säätelevät itse keskenään työtehtävien jakoa feromoneilla sekä käytöksellään.
Tieto tarttuu mehiläiseen
Kun mehiläinen on löytänyt kukan, se tepastelee siinä hetken, ennen kuin alkaa imeä mettä imukärsällään. Kukassa mehiläisen jalkoihin tarttuu siitepölyn lisäksi kasvin irtonaisia soluja. Samalla mukaan tulevat siitepölyhiukkasten sekä kasvin terälehtien pinnalla olevat bakteerit ja sienet.
Kasvien meden lisäksi mehiläiset keräävät myös kirvoista niiden erittämää makeaa mesikastetta, ja tällöin kyytiin tulee kirvan soluja. Vettä hakeva mehiläinen kävelee metsäjärven rannalla. Se ei mene suoraan laineiden ulottuville, vaan etsii rannasta sopivan kohdan, josta se voi rauhassa imeä vettä hiekkajyvien välistä. Samalla sen jalkoihin tai ruumiin karvoihin voi tarttua maaperässä elävien bakteerien itiöitä maan pinnalta.
Kasveista mehiläinen kerää ruoakseen niin mettä kuin siitepölyä. Samalla sen mukaan voi tarttua erilaisia mikrobeja kukan pinnalta. Kuva: Paula Humberg
Nämä kaikki pienet vihjeet elinympäristöstään mehiläinen tuo pesään. Ja kun pesässä mehiläiset liikkuvat ympäriinsä, näitä pieniä kudospaloja ja mikrobeja päätyy myös hunajaan.
Löydämme hunajanäytteistä hyvin monen kasvin dna:ta, kuten voi olettaakin. Usein yhden tai muutaman kasvin dna:ta on eniten. Lisäksi tunnistamme pieniä määriä kymmenien eri kasvien dna:ta. Suomalaisissa hunajissa usein yleisin kasvi on rypsi tai vadelma. Tämä kertoo, että näitä lajeja on pesän lähellä runsaasti.
Monissa hunajanäytteissä kaikki yleisimmät kasvit ovat viljely- ja puutarhakasveja, kuten rypsi, omena, härkäpapu ja päärynä, kun taas toisissa pääosassa ovat luonnonkasvit vadelmasta kanervaan. Jo tämän perusteella voi hyvin arvata, missä pesiä on pidetty. Toisaalta alku-, keski- ja loppukesästä mehiläispesästä otettu hunajanäyte kertoo kasvivalintojen muutoksesta ja eri lajien kukinnan ajoittumisesta tuossa ympäristössä.
Luonto tilastoina: Mitä hunajan dna:sta löytyy?
Mehiläiset käyvät juomassa järven rannalla ja etsivät sieltä paikan, josta ne voivat imeä vettä hiekanjyvien välistä. Kuva: Paula Humberg
Mehiläisyhdyskunnan erikoisjoukot
Jotkut työläiset erikoistuvat keski-ikäisinä, eli noin kolmen viikon ikäisinä, uusiin tehtäviin. Ne aloittavat pesän erikoistehtävissä, kuten tiedustelijoina, vartijoina sekä hautausurakoitsijoina, jotka siirtävät kuolleet mehiläiset pois pesästä. Näissä tehtävissä toimii pesässä kerrallaan vain hyvin pieni joukko, satoja mehiläisiä kussakin, vaikka pesässä olisi samaan aikaan kymmeniä tuhansia työläisiä.
Erityisesti vartijat vaihtuvat nopeasti, sillä tehtävä on riskialtis. Myös tiedustelijat altistuvat saalistukselle, kun ne kiertävät tutustumassa pesän ympäristöön ja etsivät mettä ja siitepölyä tarjoavia kasveja sekä juomapaikkoja.
Aiemmin, ja vielä nykyisinkin virallisena menetelmänä, hunajan kasvialkuperä määritettiin mikroskoopin avulla tunnistamalla kasvilaji, -suku tai -heimo siitepölyhiukkasten koon, muodon ja pinnan rakenteiden perusteella. Tämä on työläs ja erikoisosaamista vaativa menetelmä. Valitettavasti useiden kasvilajien siitepölyhiukkaset ovat niin samannäköisiä, että niitä ei voi erottaa ulkonäön perusteella.
Mikroskoopin läpi otetussa kuvassa erottuvat siitepölyhiukkasten rakenteet. Kuva: Paula Humberg
Kuitenkin niin siitepölyt kuin hunajassa oleva muu kasvikudos voidaan määrittää myös niiden dna:n perusteella. Siitepölyt pitää ensin rikkoa, jotta niiden kovan ja kestävän kuoren sisällä olevaa dna:ta voidaan tutkia. Tähän käytämme pieniä metallikuulia, joiden avulla hienonnamme niin siitepölyjen kuin bakteeri-itiöidenkin kuoret.
Hunaja ja dna mehiläistutkimuksen avuksi
Yksi mehiläinen ei ehdi kohdata kaikkia lähiympäristössä eläviä kasveja, sieniä, bakteereja, viruksia ja eläimiä, mutta kun mehiläisiä on kymmeniä tuhansia, kertovat niiden mukana tulleet kudospalat jo hyvin paljon mehiläispesän ympäristöstä.
Olemme tutkineet hunajanäytteitä Suomesta ja Ruotsista. Löysimme kymmenien ja satojen kasvi-, bakteeri- ja sieniheimojen, -sukujen ja -lajien dna:ta. Pystymme määrittämään hunajasta kaikki mehiläisen tärkeimmät suolistomikrobit dna:n perusteella.
Usein hunajanäytteestä löytyy myös joidenkin mehiläisille tauteja aiheuttavien bakteerien tai sienten dna:ta. Osassa näytteistä löydämme runsaasti myös yhden mehiläiselle hyvin yleisen, mutta harvoin oireita aiheuttavan viruksen dna:ta.
Koska dna säilyy pitkään, ei jonkin bakteerin löytyminen dna-tutkimuksessa tarkoita, että kyseinen mehiläispesä parhaillaan kärsisi sen aiheuttamasta taudista, vaan bakteeri on voinut elää pesässä aiemmin.
Tunnistamme hunajasta myös maaperässä eläviä bakteereja sekä metsissä kasvavia sieniä. Mehiläispesien ympärillä häärivät hiiret ja ihmiset jättävät myös dna-jälkensä hunajaan. Nämä kaikki kertovat siitä, millaisessa ympäristössä mehiläinen on elänyt.
Hunajan dna:ta tutkiva Helena Wirta pitää mehiläisiä myös itse. Hän käy kesän mittaan useasti tarkastamassa, että mehiläispesissä voidaan hyvin. Kuva: Paula Humberg
Lusikallisessa hunajaa on yllättävän paljon tietoa, kun hypätään siitepölyjen tunnistamisesta dna:n antamaan tietoon. Vaikuttaa siltä, että dna-menetelmien avulla hunaja voisi jatkossa toimia kätevänä näytteenä kuvaamaan mehiläisyhdyskunnan ympäristöä ja itse yhdyskuntaa.
Toki tiesimme paljon jo aiemmin. Tiesimme, että mehiläisellä on useita maitohappobakteereja suolistossaan, että mehiläisiin vaikuttavat erilaiset virukset, että työläiset käyvät hyvin monissa eri kasveissa ja että hiiret voivat vierailla mehiläisten pesissä.
Verrattuna aiempiin erityisosaamista vaativiin menetelmiin, dna:han perustuva lajitunnistus käy kaikille eliöryhmille. Se myös mahdollistaa tarkan määrityksen. Kun hunajaa on lisäksi helppo kerätä näytteeksi, yhdistelmänä hunajanäyte ja dna-menetelmät antavat tutkijoille mahdollisuuden entistä laajempiin tutkimuksiin.
Tämä on vasta alku, ja menetelmää pitää vielä hienosäätää. Pian voimme käyttää hunajan dna:ta kertomaan mehiläisen elämästä erilaisissa ympäristöissä, eri puolilla maailmaa.
DNA-lajitunnistus työkaluna
Myös mehiläiset ovat kiinnostuneita niiden pesästä otetusta hunajanäytteestä. Kuva: Paula Humberg
Tutkimuksessamme selvitämme, minkä eliöiden dna:ta hunajanäytteessä on. Ensin eristämme hunajassa olevan dna:n. Uusimpien tekniikoiden avulla voimme tunnistaa yhtä aikaa lukemattomien lajien dna:ta niiden genomista noukittujen sattumanvaraisten lyhyiden dna-pätkien avulla. Näitä määritettyjä dna-pätkiä saadaan yhdessä analyysissa miljoonia, ja niiden avulla voidaan luoda kokonaiskuva, mistä eliöryhmistä näytteen dna on peräisin.
Joskus tulokset ovat kummallisia ja niitä pitää tulkita kriittisesti. Joskus saamme dna-määritykseksi eläin- tai kasvilajin, jota ei esiinny siellä mistä hunaja on kotoisin.
Väärä tunnistus voi johtua virheestä dna-määrityksessä, sillä uudet tekniikat eivät ole täydellisiä. Syynä voi olla myös se, että osalla lajeista, suvuista tai heimoista ei alkujaankaan ole eroa juuri sillä genomialueella jota vertaamme, tai kyseisen alueen tieto voi puuttua vertailutietokannoista. Usein tällaisissa tapauksissa joudumme tyytymään epätarkkaan tietoon, eli vaikka kasviheimoon.
Suuri osa dna:sta jää kustakin näytteestä tunnistamatta, mutta määritystekniikat ja vertailutietokannat paranevat jatkuvasti.
