Удивительную способность пчел выживать в чрезвычайно суровых условиях люди заметили давно и по мере накопления экспериментальных знаний о поведении пчелиной семьи делали попытки дать этому объяснение. Если вначале это делалось на качественном описательном уровне, то в настоящее время проводятся серьезные научные исследования с применением компьютерной техники.
Если вначале это делалось на качественном описательном уровне, то в настоящее время проводятся серьезные научные исследования с применением компьютерной техники, современных исследовательских приборов для измерения температуры, газового состава клуба пчел, строятся математические модели зимнего клуба и т.п. (В.В.Алпатов, Е.К.Еськов [1], Н.И.Кривцов, Г.А.Кожевников, В.И.Коришев, Н.М.Кулагин, В.А.Тобоев, И.А.Шабаршов).
Однако интерес к этой проблеме не ослабевает, а поток печатных работ в различных изданиях непрерывно растет [2, 3, 4, 5]. В своей работе не ставлю цели сделать обзор хотя бы части работ по этой теме, но можно отметить — исследователи констатируют, что:
- при температуре менее 10°С семья пчел образует клуб, по форме напоминающий эллипсоид вращения;
- плотность клуба уменьшается от периферии к центру, внешняя более плотная — корка клуба;
- температура на периферии клуба 10–12°С, в центре 32–35°С — так называемый тепловой центр;
- по мере изменения внешней температуры плотность клуба меняется: с понижением — растет, с повышением — уменьшается, при внешней температуре выше 12°С клуб распадается;
- концентрация углекислого газа в клубе пчел с понижением внешней температуры растет и может достигать 4–6%;
- зимостойкость пчел зависит от их породы. Самые зимостойкие в мире пчелы — среднерусские.
Необходимо заметить, что однозначного объяснения этим экспериментальным фактам нет. А вопрос: «Почему зимостойкость пчел разных пород не одинакова» — вообще не ставится. По-видимому, чтобы объяснить эти факты, следует провести тщательное сравнение экстерьерных характеристик пчел разных пород и предложить модель.
Анализируя таблицу основных экстерьерных и биологических признаков медоносных пчел различных пород с целью выявления параметров, связанных с их зимостойкостью, следует обратить внимание на значение кубитального индекса, массу рабочей пчелы, тарзальный индекс, размеры третьего тергита и дискоидальное смещение, то есть на признаки, определяющие породу пчел. У пчел среднерусской породы эти параметры в значительной степени отличаются от аналогичных у пчел других пород. Очевидно, что зимостойкость каким-то образом связана с этими параметрами.
Попробуем предположить, что крылья пчел играют значительную роль в осуществлении терморегуляции, и объяснить основные экспериментальные факты.
Однажды я спросил восьмилетнего внука, зачем пчеле нужны крылья? Он мне ответил, чтобы летать, а потом подумал и добавил, чтобы жужжать, и это правильно, но можно еще сказать, крылья нужны, чтобы осуществлять вентиляцию своего жилища. Все это характерно летом. А для чего пчеле нужны крылья зимой?
Крылья пчел — это пластинки из хитина, в которых имеются прожилки, по которым циркулирует гемолимфа. Циркуляция осуществляется с помощью добавочных пузырьков, пульсация пузырьков регламентируется головным мозгом пчелы, информация о температуре в головной мозг поступает от «датчиков», расположенных в антеннах пчелы, по которым тоже циркулирует гемолимфа, проталкиваемая через них местными пульсирующими органами. Гемолимфа составляет внутреннюю среду организма пчелы. Омывая все органы, ткани и клетки, она доставляет им питательные вещества и вбирает продукты обмена, которые удаляются из гемолимфы через органы выделения. Гемолимфа пчелы представляет собой прозрачную, слегка желтоватую жидкость, состоящую из воды (75%), минеральных веществ (3%), белков (6,6%), аминокислот (12%), глюкозы, жира и др.
Наконец, гемолимфа выполняет функции теплоносителя, с помощью которого тепло от более нагретых частей тела пчелы переносится к менее нагретым. Масса гемолимфы составляет от 8 до 11% от массы пчелы. Общая масса гемолимфы трехкилограммовой семьи пчел составляет 240–300 г. Теплоемкость гемолимфы близка к теплоемкости воды, а теплоемкость элементов, составляющих тело пчелы, — на порядок меньше. Следовательно, можно утверждать, что примерно 50% тепловой энергии заключено в гемолимфе. Удельная теплоемкость свободной воды 4,2 кДж/(кг. К), а удельная теплоемкость связанной воды 2,94 кДж/(кг. К).
Крылья и тела пчел, находящихся в клубе, образуют слоистую, ячеистую структуру. Плотно сцепленные крылья представляют собой оболочку, отделяющую тело клуба от внешней среды. Промежутки между пчелами заполнены воздухом с высоким содержанием углекислого газа.
Слои пчел сдвинуты относительно друг друга (на пол пчелы) так, что грудь пчелы верхнего слоя находится над крыльями нижнего.
У пчел в зимний период меняется тип дыхания, происходит замена аэробного на анаэробный, кроме того, вдыхание происходит через брюшные дыхальца, а выдыхание — через грудные. Выдыхаемый воздух омывает крылья пчелы нижележащего слоя, тем самым происходит подогрев гемолимфы, циркулирующей по жилкам ее крыла, которая, попадая в тело пчелы, вновь подогревается. В результате чего выдыхаемый этой пчелой воздух будет теплее — реализуется многокаскадная система передачи тепла.
Такой процесс осуществляется в коре клуба до тех пор, пока внешняя температура не станет выше температуры холодовой агрегации пчел.
Необходимо отметить, что такая перекачка тепла характерна для всех пород пчел, находящихся в зимнем клубе, но более зимостойкими будут те, у которых единичная масса больше, то есть больше гемолимфы циркулирует по жилкам крыла и выше скорость ее циркуляции. Значение кубитального индекса и дискоидальное смещение количественно описывают структуру ветвления жилок крыла. Структура же жилок влияет на скорость прокачки гемолимфы. Дискоидальное смещение также влияет на скорость прокачки гемолимфы по крылу. Тарзальный индекс (широколапость) лимитирует размеры воздушных ячеек в коре клуба.
При таком режиме образование теплового центра очевидно. С точки зрения термодинамики пчела (впрочем, как и все живые существа, на нашей планете) — тепловая машина, в которой происходит преобразование химической энергии топлива (меда) для совершения внутренней работы в тепловую энергию. Как известно, всякая тепловая машина должна иметь устройство для сброса тепла. Например, у моржа — ласты, у собаки — язык, у кошки — лапки, у других животных, в том числе и у человека, — потовые железы. Что касается перепончатокрылых, то подобной информации нет. Поэтому следует предположить, что это крылья со сложной системой жилок, по которым циркулирует гемолимфа.
Все это справедливо, крыло пчелы и любого перепончатокрылого насекомого пронизано жилками, по которым циркулирует гемолимфа, продвижение которой обеспечивается расположенными у их основания специальными пульсирующими органами, которые сокращаются независимо от работы спинного сосуда (сердца). Жилки крыла вместе с гемолимфой находятся в тепловом контакте с воздушной средой, поэтому при полете или вентиляции улья происходит сброс тепла из организма пчелы во внешнюю среду.
В настоящее время слоистые структуры благодаря их уникальным свойствам находят широкое применение в различных областях науки, техники, нанотехнологиях и т.д.
Холодовое агрегирование медоносных пчел — образование зимнего клуба сложной слоистой ячеистой структуры — пример того, как живая открытая термодинамическая система применяет законы термодинамики в эволюционном развитии вида.
Мигрирование медоносных пчел в ареал с холодным климатом, но богатым хорошими медоносами стало возможным только при наличии приспособлений, позволяющих переносить холодные и длинные зимы. Методом проб и ошибок такие приспособления были найдены. При этом следует отметить, что природа пошла значительно дальше Homo Sapiens, создав слоистую систему, состоящую из пассивных (крылья) и активных слоев (тел пчел).
Для того чтобы понять, как пчелы, находящиеся внутри клуба, «узнают» о внешней температуре и либо утолщают, либо утончают кору клуба, можно воспользоваться законами неравновесной термодинамики, развитой лауреатом Нобелевской премии И.Р.Пригожиным.
Все неравновесные ситуации имеют один общий аспект — появление дальней конгерентности. Между микроскопически различными частями возникает корреляция. Этим неравновесные ситуации отличаются от равновесных, в которых радиус действия корреляции ограничен короткодействующими межмолекулярными силами. Неравновесные структуры встречаются на всех уровнях биологии.
В настоящее время общепризнанно, что биологическая эволюция представляет собой комбинированный результат дарвиновского естественного отбора и самоорганизации, возникающей вследствие необратимых процессов. Неустойчивость, возникающая в системе, далекой от равновесного состояния, вынуждает ее переходить в состояние с высоким уровнем организации.
В.И.КОРИШЕВ,
кандидат физико-математических наук,
профессор
Омский государственный
педагогический университет
644099, г. Омск, наб. Тухачевского, 14
Ключевые слова:
терморегуляция медоносных пчел, экстерьерные признаки, крыло, гемолимфа, слоисто-ячеистые структуры.
Аннотация:
в работе рассматриваются биофизические основы терморегуляции пчел. Предполагается, что в процессе терморегуляции значительную роль играет гемолимфа, циркулирующая по крыльям пчел. При этом крылья выполняют функции теплового радиатора.
Summary:
in this paper the biophysical basis of thermoregulation bees. It is assumed that in the process of thermoregulation plays a significant role hemolymph circulating on the wings of bees. In this case, the wings act as heat sink.
Keywords:
honeybee thermoregulation, exterior signs, wing, hemolymph, a layered honeycomb structure.
Литература:
1. Еськов Е.К. Экология медоносной пчелы. — М.: Россельхозиздат, 1990.
2. Еськов Е.К., Тобоев В.А. Динамика тепловых процессов в гнездах зимующих пчел // Сельскохозяйственная биология. – 2008. – №2. – С. 3–4.
3. Коришев В.И. Роль углекислого газа в жизни пчел // Пчеловодство. – 2004. – №7. – С. 30–31.
4. Тобоев В.А. Теплофизическая модель холодовой агрегации пчел // Пчеловодство. – 2007. – №1. – С. 20–21.
5. Тобоев В.А. Математическая модель холодовой агрегации пчел // Материалы 2-й Межд., 4-й Всерос. науч.-практ. конф. – М., 2007.
Адрес редакции журнала "Пчеловодство":
