Современные методы изучения теплового гомеостаза

Появившиеся в последние годы методы тепловидения и радиотермометрии, основанные на изучении собственного радиоизлучения и радиошумов биологических объектов, открывают новый путь исследования живых систем, включая и медоносных пчел. Измерение температуры проводится дистанционно, в режиме принимающей антенны, поэтому противопоказаний к применению этих методов и ограничений нет.

Технически процедура очень проста: тепловизором с расстояния от 0,5 до 5 м снимают поверхностную температуру холстика, летковой зоны ульев (передняя стенка), что позволяет получить информацию о тепловых процессах, происходящих в гнезде пчел. Антенну радиотермометра прикладывают к холстику, гнездовой рамке или непосредственно к поверхности скопления пчел, а через пять секунд получают значение глубинной температуры. Как мы видим, не требуется специальной подготовки семей к измерениям.

Рассмотрим принципы работы этих приборов и возможности их применения в пчеловодстве.

Пчелиная семья, как любая теплопроизводящая система, излучает электромагнитные волны в широком спектре частот. Сущность этого теплового радиоизлучения (собственных радиошумов) состоит в преобразовании внутренней тепловой энергии в энергию электромагнитного поля, распространяющегося за пределы излучающего тела. Интенсивность излучения пропорциональна температуре тела и его излучательной способности. Живые пчелы, безусловно, по обсуждаемым показателям отличаются от объектов неживой природы, но физические законы, описывающие процессы излучения, остаются теми же. Это позволяет по измерению интенсивности электромагнитного излучения оценивать температуру отдельной особи, матки, открытого и печатного расплода, распределение температур в скоплениях пчел.

Максимум интенсивности теплового радиоизлучения пчел при температуре 27...30°С лежит в инфракрасной (ИК) области спектра (на длине волны около 10 мкм), поэтому применение инфракрасного тепловидения позволяет дистанционно (с расстояния 0,5…5 м) регистрировать температурные изменения в гнездах пчел (рис. 1). Изучение карт распределения поверхностных температур позволяет определять размещение, форму и структуру семьи; установить локализацию расплода в гнезде; прослеживать возникновение патологических изменений, появляющихся в нем; контролировать и управлять процессами воздухообмена семьи с внешней средой и т.д. В настоящее время выпускается широкий спектр тепловизионной техники как российского, так и зарубежного производства (AGA-780, TVS-100, TH-4604MП, ThermoCAM 695, IR-18, VarioCAM, «Искра», «Сосна», «Радуга-МТ», «ИРТИС-2000» и т.д.). Наиболее подходящие для пчеловодства — тепловизоры серий ThermoCAM, VarioCAM и ИРТИС.

Дистанционное измерение теплового излучения семей в ИК диапазоне дает истинную температуру только самого верхнего слоя холстика и внешних поверхностей ульев. О внутренней температуре можно судить только опосредованно и только тогда, когда температурные изменения «проецируются» на эти поверхности (В.А.Тобоев, 2005). При этом измеряется так называемая яркостная температура, которая несколько отличается от истинной и должна быть пересчитана с учетом коэффициента излучения материала.

Применяя ульи специальной конструкции, можно измерить распределения тепловых полей и в межрамочных пространствах пчелиного гнезда. На рисунке 2 оно показано при холодовой агрегации пчел. Используемая конструкция улья позволяла раздвигать шарнирно рамки («книжный» улей). Чтобы не беспокоить пчел, между ними натянули тонкую двухслойную полиэтиленовую пленку (пищевую), пропускающую инфракрасные лучи. Для прохода пчел внизу оставили отверстие высотой 2,5 см на всю ширину рамки. Измерения проводили в течение 5–6 секунд с момента открытия рамок.

Наиболее точно «глубинные» температуры (также дистанционно) можно измерить, используя принцип радиотермометрии в сверхвысокочастотном (СВЧ) или в микроволновом диапазоне. Интенсивность СВЧ излучения пчел (на длинах волн 10…30 см) на несколько порядков меньше, чем в ИК части спектра. Однако измерение в этом диапазоне имеет то преимущество, что глубина проникновения излучения гораздо больше, что позволяет измерять СВЧ излучение, исходящее от внутренних структур скопления пчел. При этом глубина эффективного измерения температуры равна толщине излучающего слоя и определяется как расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна от поверхности до того слоя, в котором она сокращается в 2,73 раза (С.С.Джонсон, А.В.Гай, 1972).

Величина излучающего слоя зависит от диэлектрических свойств пчел (прежде всего от содержания воды в их теле), структуры агрегации и длины принимаемой волны. Используя многочастотное СВЧ, сканирование, можно исследовать температуру на разных глубинах скопления пчел. Для измерения тепловых сигналов в этом случае требуется аппаратура с более высокой чувствительностью и возможностью различать слабые радиосигналы на фоне сильных собственных шумов аппаратуры.

Современная электронная техника позволяет создать многочастотный радиотермометр, умещающийся вместе с микропроцессором на ладони и способный мгновенно обрабатывать сигналы и выводить на экран значение температуры на заданных глубинах. В последние годы в ряде научно-исследовательских учреждений страны идут работы по созданию таких приборов, однако до сих пор отсутствуют сведения об их серийном выпуске. В практической медицине используют одночастотные радиотермометры РТМ-3, РТМ-4, РТ-17 ТД, РТМ-01-РЭС. Для этих приборов разработаны специальные компьютерные программы, которые рассчитаны на измерение прежде всего температуры тела человека. При соответствующем изменении этих программ с учетом специфики структуры скопления пчел и разработки методов проведения эксперимента их можно использовать и для измерения температуры в гетерогенных системах.

Так, с помощью радиотермометра РТ-17 получили следующие данные: на длине волны 17 см эффективная глубина измерения температуры в зимнем скоплении пчел колеблется от 2 до 8,2 см, это расстояние зависит от плотности агрегации пчел и их активности, определяемой внешней температурой. При правильной установке антенны радиотермометра можно измерить температуру вплоть до середины средостения гнезда пчел. Точные значения температур в межрамочном пространстве гнезда получают, устанавливая антенну на небольшом расстоянии от нижней поверхности скопления пчел, где плотность агрегации при внешних температурах ниже –5°С достигает наибольшего значения. При сканировании с холстика глубина измерения зависит от расположения пчел в гнезде, их активности, теплофизических свойств воска и прополиса и т.д.

Последовательное применение тепловизионной техники и глубинной радиотермометрии оказывается очень информативным и эффективным при изучении распределения тепловых полей в гнезде пчел. На основе такого исследования нам удалось моделировать динамику изменения формы и размеров зимнего клуба, содержащего разное количество пчел с учетом внешней температуры. Конструкция улья с заселенными пчелами показана на рисунке 3. Передняя, задняя и боковые стенки съемные, сделаны из сотового поликарбоната и закрываются дополнительно утепленными фанерными листами. Во время съемок их заменяли каркасами из тонких реек, затянутых полиэтиленовой пленкой. Тепловизором определяли распределения тепловых полей по краям гнездовых рамках, а с помощью антенны радиотермометра, размещенной над холстиком, дополнительно контролировали температуру в межрамочных пространствах. Все измерения проводили в ночное время суток.

На основе проведенных исследований была определена точная локализация пчел на гнездовых рамках, прослежена динамика изменения размеров и формы локализации пчел в зависимости от внешней температуры для семей разной силы (рис. 4). С целью контроля правильности полученных результатов один раз провели полную разборку гнезд, выполняя тепловизионную и видеосъемку поверхностей каждой рамки. График зависимости объема агрегировавшихся пчел от внешней температуры приведен на рисунке 5.

Таким образом, в отличие от ранее существующих методов тепловидение и радиотермометрия позволяют дистанционно, не вмешиваясь в жизнедеятельность пчелиной семьи, контролировать изменение температуры в ее гнезде. Изучение распределения температур актуально для понимания механизмов терморегуляции, процессов самоорганизации, то есть спонтанного образования и развития сложных упорядоченных структур, дающих возможность поддерживать коллективный режим, и оптимизации условий содержания пчел.

В.А.ТОБОЕВ

Чувашский государственный университет

«

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

»