Біофізичні основи терморегуляції родини бджіл

Якщо спочатку це робилося на якісному описовому рівні, то в даний час проводяться серйозні наукові дослідження із застосуванням комп`ютерної техніки, сучасних дослідницьких приладів для вимірювання температури, газового складу клубу бджіл, будуються математичні моделі зимового клубу і т.п. (В.В.Алпатов, Е.К.Еськов [1], Н.І.Крівцов, Г.А.Кожевніков, В.І.Корішев, Н.М.Кулагін, В.А.Тобоев, І.А. Шабаршов).

Однак інтерес до цієї проблеми не слабшає, а потік друкованих робіт в різних виданнях безперервно зростає [2, 3, 4, 5]. У своїй роботі не ставлю мети зробити огляд хоча б частини робіт по цій темі, але можна відзначити - дослідники констатують, що:

при температурі менше 10 ° С сім`я бджіл утворює клуб, за формою нагадує еліпсоїд обертання;
щільність клубу зменшується від периферії до центру, зовнішня щільніша - кірка клубу;
температура на периферії клубу 10-12 ° С, в центрі 32-35 ° С - так званий теплової центр;
у міру зміни зовнішньої температури щільність клубу змінюється: з пониженням - зростає, з підвищенням - зменшується, при зовнішній температурі вище 12 ° С клуб розпадається;
концентрація вуглекислого газу в клубі бджіл зі зниженням зовнішньої температури зростає і може досягати 4-6%;
зимостійкість бджіл залежить від їх породи. Самі зимостійкі в світі бджоли - середньо.

Необхідно зауважити, що однозначного пояснення цим експериментальним фактам немає. А питання: «Чому зимостійкість бджіл різних порід не однакова» - взагалі не ставиться. Мабуть, щоб пояснити ці факти, слід провести ретельне порівняння екстер`єрних характеристик бджіл різних порід і запропонувати модель.

Аналізуючи таблицю основних екстер`єрних і біологічних ознак медоносних бджіл різних порід з метою виявлення параметрів, пов`язаних з їх зимостійкість, слід звернути увагу на значення кубитального індексу, масу робочої бджоли, тарзальной індекс, розміри третього тергіта і дискоїдальне зміщення, тобто на ознаки, що визначають породу бджіл. У бджіл середньо породи ці параметри в значній мірі відрізняються від аналогічних у бджіл інших порід. Очевидно, що зимостійкість якимсь чином пов`язана з цими параметрами.

Спробуємо припустити, що крила бджіл відіграють значну роль в здійсненні терморегуляції, і пояснити основні експериментальні факти.

Одного разу я запитав восьмирічного онука, навіщо бджолі потрібні крила? Він мені відповів, щоб літати, а потім подумав і додав, щоб дзижчати, і це правильно, але можна ще сказати, крила потрібні, щоб здійснювати вентиляцію свого житла. Все це характерно влітку. А для чого бджолі потрібні крила взимку?

Крила бджіл - це пластинки з хітину, в яких є прожилки, по яких циркулює Гемолімфа. Циркуляція здійснюється за допомогою додаткових бульбашок, пульсація пухирців регламентується головним мозком бджоли, інформація про температуру в головний мозок надходить від «датчиків», розташованих в антенах бджоли, за якими теж циркулює Гемолімфа, проштовхують через них місцевими пульсуючими органами. Гемолімфа становить внутрішнє середовище організму бджоли. Омиваючи всі органи, тканини і клітини, вона приносить їм поживні речовини і вбирає продукти обміну, які видаляються з гемолімфи через органи виділення. Гемолімфа бджоли являє собою прозору, злегка жовтувату рідину, що складається з води (75%), мінеральних речовин (3%), білків (6,6%), амінокислот (12%), глюкози, жиру та ін.

Нарешті, Гемолімфа виконує функції теплоносія, за допомогою якого тепло від більш нагрітих частин тіла бджоли переноситься до менш нагрітих. Маса гемолімфи становить від 8 до 11% від маси бджоли. Загальна маса гемолімфи трикілограмова сім`ї бджіл становить 240-300 м Теплоємність гемолімфи близька до теплоємності води, а теплоємність елементів, що складають тіло бджоли, - на порядок менше. Отже, можна стверджувати, що приблизно 50% теплової енергії укладено в гемолімфі. Питома теплоємність вільної води 4,2 кДж / (кг. К), а питома теплоємність зв`язаної води 2,94 кДж / (кг. К).

Крила і тіла бджіл, що знаходяться в клубі, утворюють шарувату, пористу структуру. Щільно зчеплені крила являють собою оболонку, що відокремлює тіло клубу від зовнішнього середовища. Проміжки між бджолами заповнені повітрям з високим вмістом вуглекислого газу.

Шари бджіл зрушені відносно один одного (на підлогу бджоли) так, що груди бджоли верхнього шару знаходиться над крилами нижнього.

У бджіл в зимовий період змінюється тип дихання, відбувається заміна аеробного на анаеробний, крім того, вдихання відбувається через черевні дихальця, а видихання - через грудні. Повітря, що видихається омиває крила бджоли нижчого шару, тим самим відбувається підігрів гемолімфи, що циркулює по жилах її крила, яка, потрапляючи в тіло бджоли, знову підігрівається. В результаті чого видихається цієї бджолою повітря буде тепліше - реалізується багатокаскадного система передачі тепла.

Такий процес здійснюється в корі клубу до тих пір, поки зовнішня температура не стане вище температури холодової агрегації бджіл.

Необхідно відзначити, що така перекачування тепла характерна для всіх порід бджіл, що знаходяться в зимовому клубі, але більш зимостійкими будуть ті, у яких одинична маса більше, тобто більше гемолімфи циркулює по жилах крила і вище швидкість її циркуляції. Значення кубитального індексу і дискоїдальне зміщення кількісно описують структуру розгалуження жилок крила. Структура ж жилок впливає на швидкість прокачування гемолімфи. Дискоїдальне зміщення також впливає на швидкість прокачування гемолімфи по крилу. Тарзальной індекс (шіроколапость) лімітує розміри повітряних осередків в корі клубу.

При такому режимі освіту теплового центру очевидно. З точки зору термодинаміки бджола (втім, як і всі живі істоти, на нашій планеті) - теплова машина, в якій відбувається перетворення хімічної енергії палива (меду) для здійснення внутрішньої роботи в теплову енергію. Як відомо, будь-яка теплова машина повинна мати пристрій для скидання тепла. Наприклад, у моржа - ласти, у собаки - мова, у кішки - лапки, у інших тварин, в тому числі і у людини, - потові залози. Що стосується перетинчастокрилих, то подібної інформації немає. Тому слід припустити, що це крила зі складною системою жилок, по яких циркулює Гемолімфа.

Все це справедливо, крило бджоли і будь-якого перетинчастокрилих комахи пронизано жилками, по яких циркулює Гемолімфа, просування якої забезпечується розташованими у їх підстави спеціальними пульсуючими органами, які скорочуються незалежно від роботи спинного судини (серця). Жилки крила разом з гемолімфою перебувають в тепловому контакті з повітряним середовищем, тому при польоті або вентиляції вулика відбувається скидання тепла з організму бджоли в зовнішнє середовище.

Відео: Анатомія людини: Здійснення терморегуляції

В даний час шаруваті структури завдяки їх унікальним властивостям знаходять широке застосування в різних областях науки, техніки, нанотехнологіях і т.д.

Холодовий агрегування медоносних бджіл - освіту зимового клубу складної шаруватої пористої структури - приклад того, як жива відкрита термодинамічна система застосовує закони термодинаміки в еволюційному розвитку виду.

Мігрування медоносних бджіл в ареал з холодним кліматом, але багатим хорошими медоносами стало можливим тільки при наявності пристосувань, що дозволяють переносити холодні і довгі зими. Методом проб і помилок такі пристосування були знайдені. При цьому слід зазначити, що природа пішла значно далі Homo Sapiens, створивши шарувату систему, що складається з пасивних (крила) і активних верств (тел бджіл).

Для того щоб зрозуміти, як бджоли, що знаходяться всередині клубу, «дізнаються» про зовнішній температурі і або утолщают, або стоншують кору клубу, можна скористатися законами нерівноважноїтермодинаміки, розвиненою лауреатом Нобелівської премії І. Р. Пригожин.

Відео: терморегуляція - Фізіологія теплообміну

Всі нерівноважні ситуації мають один загальний аспект - поява далекої конгерентності. Між мікроскопічно різними частинами виникає кореляція. Цим нерівноважні ситуації відрізняються від рівноважних, в яких радіус дії кореляції обмежений короткодіючими міжмолекулярними силами. Нерівноважні структури зустрічаються на всіх рівнях біології.

В даний час загальновизнано, що біологічна еволюція являє собою комбінований результат дарвінівського природного відбору і самоорганізації, що виникає внаслідок незворотних процесів. Нестійкість, що виникає в системі, далекої від рівноважного стану, змушує її переходити в стан з високим рівнем організації.

В.І.КОРІШЕВ,
кандидат фізико-математичних наук,
професор

Омський державний
педагогічний університет
644099, м Омськ, наб. Тухачевського, 14

Ключові слова:
терморегуляція медоносних бджіл, екстер`єрні ознаки, крило, Гемолімфа, шарувато-пористі структури.

анотація:
в роботі розглядаються біофізичні основи терморегуляції бджіл. Передбачається, що в процесі терморегуляції значну роль відіграє Гемолімфа, що циркулює по крилах бджіл. При цьому крила виконують функції теплового радіатора.

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.

література:
1. Єськов Е.К. Екологія медоносної бджоли. - М .: Россельхозиздат, 1990..
2. Єськов Е.К., ТВБВ В.А. Динаміка теплових процесів в гніздах зимуючих бджіл // Сільськогосподарська біологія. - 2008. - №2. - С. 3-4.
3. Корішев В.І. Роль вуглекислого газу в життя бджіл // Бджільництво. - 2004. - №7. - С. 30-31.
4. ТВБВ В.А. Теплофізичних модель холодової агрегації бджіл // Бджільництво. - 2007. - №1. - С. 20-21.
5. ТВБВ В.А. Математична модель холодової агрегації бджіл // Матеріали 2-ї Міжн., 4-й Всерос. наук.-практ. конф. - М., 2007..

Поділися в соц мережах:

Увага, тільки СЬОГОДНІ!

Схожі