В статье рассмотрены три гипотезы автора. 1. О влиянии магнитного поля Земли на биологические ритмы пчелиной семьи в течение года. 2. О механизмах удаления влаги из дупла живого дерева с зимующей в нем пчелиной семьей. 3. О механизмах воздухообмена в дупле живого дерева с зимующей в нем пелиной семьей. Публикация «Три гипотезы» впервые увидела свет в альманахе «Пчеловодный мир» (Харьков: «Константа», 2006. – 232 с.).

Уважаемые посетители сайта!
В рубрике «Мои статьи» будет опубликован не только перечень всех моих статей по пчеловодству с указанием их адресов, но и отдельные статьи «живьем». Очень хотел, чтобы Вы не только читали мои статьи, но и делились своими мыслями по существу прочитанного. Ваши предложения, пожелания и конструктивная критика будут приняты мной с благодарностью. Если при этом нам еще удастся хоть немножечко приблизиться к Истине, то это будет и вовсе здорово…
Открываю рубрику публикацией «Три гипотезы», которая впервые увидела свет в альманахе «Пчеловодный мир» (Харьков: «Константа», 2006. – 232 с.).

ТРИ ГИПОТЕЗЫ



В моей серии из 5-ти книг “Рациональное практическое пчеловодство” (Харьков, 2004-2005 г.г.) основные положения гипотез, предлагаемых вниманию читателей альманаха, уже были оглашены, однако не в прямой постановке, а в канве излагаемого материала. Я не отношу себя к открывателям новых гипотез или теорий, выдвигаемых некоторыми авторами на ровном месте, наподобие “теории дупла”, “теории летка”, “теории прилетной доски” и проч. К самим понятиям “теория” и “гипотеза” отношусь без излишнего пиетета и никогда не мог ранее предположить, что и меня “занесет” на эти “минные поля”… Однако реалии жизни таковы, что мне более десяти лет пришлось заниматься проблемными вопросами пчеловодства, и за это время я прошел путь от общего представления о сути имеющихся проблем до возможности сформулировать научные предположения для объяснения этих проблем, то есть – сформулировать рабочие гипотезы. Для того чтобы эти гипотезы начали “работать” или были опровергнуты, требуются их проверка на опыте и корректное теоретическое обоснование. Искренне хотел бы надеяться, что после этой публикации найдутся заинтересовавшиеся ими ученые, пчеловоды-новаторы или просто любознательные люди, которые помогут пройти этот остаток пути. По этой причине любая аргументированная информация в подтверждение или опровержение этих рабочих гипотез будет принята мною с благодарностью.
Вторая причина, которая заставила меня опубликовать эти гипотезы в прямой постановке, – надежда на то, что в случае их подтверждения мы получим пусть и маленькую, но крупицу новых знаний о пчелах, этих загадочных и любимых нами существах.
Перехожу к формулированию рабочих гипотез.

ГИПОТЕЗА №1.
О влиянии магнитного поля Земли на биологические ритмы пчелиной семьи в течение года



В зонах с умеренным климатом (в наших средних широтах) периоды выращивания расплода и их динамика строго приурочены к определенным периодам годового цикла жизни пчелиной семьи. Наступление этих периодов и их продолжительность, помимо температурного фактора, в значительной мере зависят и от освещенности. Количество расплода в семье достигает максимума, как правило, в конце июня, когда продолжительность светлого времени суток максимальна, а затем оно начинает постепенно уменьшаться. В семьях со старыми матками, если не принимать мер, стимулирующих развитие семьи, расплода совсем не останется к сентябрю – октябрю. В этом выражается одна из форм приспособления пчел к предстоящей зимовке. Такое поведение пчелиной семьи является исключительно целесообразным, поскольку продолжение выращивания расплода осенью уменьшало бы зимние запасы корма, увеличивало бы силу семьи, и такая семья зимой уже не смогла бы прокормить себя сама.
А какие же природные факторы “управляют” биологическими ритмами развития семьи? Однозначного и достоверного ответа на этот вопрос наука пока не дает. Правда, существуют две основные версии, которые могут дать приемлемый ответ.

Первая версия – наличие у пчел “биологических часов”, то есть хорошо развитого чувства времени. Многочисленными опытами было доказано, что пчелы действительно обладают чувством времени в пределах суточного цикла. Да и наблюдательные пчеловоды об этом тоже хорошо знают, ибо неоднократно замечали, что при циклическом выделении нектара медоносами (гречихой, липой, акацией и др.) пчелы всегда в одни и те же часы суток начинают интенсивный лет на эти медоносы.
Ученые убедительно доказали, что чувство времени у пчел не только имеется, но и является врожденным, как умение летать, собирать нектар и т.д. А своеобразной “химической пружиной” этих “биологических часов” являются химические процессы, происходящие в организме пчелы (И.А. Халифман, 1963).
И если в наличии биоритмов у пчелы в суточном цикле уже никто не сомневается, то есть ли такой биоритм у пчелы в годичном цикле времени, пока однозначно не установлено. Есть, правда, данные, которые позволяют предположить, что “биологические часы” пчелы позволяют фиксировать и более продолжительные отрезки времени, чем сутки (Е.К. Еськов, 1983). Такую способность пчелы в процессе своей эволюции вынуждены были у себя выработать для того, чтобы максимально использовать благоприятные условия среды и минимизировать негативные воздействия отрицательных факторов. Появление такой способности у пчел является результатом естественного отбора оптимальных форм реагирования на типичные периодически повторяющиеся в течение года изменения условий внешней среды. Понятно, что выработка такой способности была бы невозможна без развития и совершенствования у пчел чувства времени.
Вторая версия – пусковыми механизмами, управляющими биологическими ритмами развития пчелиной семьи, могут служить геофизические факторы, которые естественным образом циклически изменяются на протяжении года. Мне удалось найти в литературе только одно предположение, что таковым фактором может быть солнечная радиация. Но ведь весь спектр солнечной радиации – ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи легко поглощаются любыми укрытиями, так что непонятно, как пчелы могут воспринимать изменения солнечной радиации в том же темном зимовнике.
Если продолжать разговор о геофизических факторах, то, на мой взгляд, пчелы могут реагировать только на два из них – гравитацию и магнитное поле Земли, независимо от того, где пчелы будут находиться (на улице или в зимовнике). А являются ли эти факторы действительно определяющими при запуске биоритмов семьи или нет, на сегодня науке достоверно не известно.
Прежде чем внести некоторую ясность в обсуждаемый вопрос, напомню (для однозначности понимания сказанного) о происхождении и свойствах магнитного поля Земли.
Магнитное поле (МП) Земли существует потому, что внутренние структуры земного шара обладают магнитными свойствами. Можно сказать, что Земля представляет собой огромный магнит, у которого есть Северный и Южный магнитные полюса. Внешними причинами, которые обусловливают существование МП Земли, являются природные системы электрических токов в ионосфере.
Магнитное поле Земли складывается из двух различных по происхождению компонентов: постоянного поля, существование которого обусловлено магнетизмом самого земного шара, и переменного поля, порождаемого электрическими токами, протекающими в верхних проводящих слоях атмосферы (ионосферы) и за ее пределами.
Переменное магнитное поле Земли характеризуется спокойными и возмущенными вариациями (изменениями) магнитного поля. В средних и южных широтах Земли основными составляющими спокойных вариаций являются солнечно-суточные и лунно-суточные вариации (“БСЭ”, т. 9, стр. 503).
Солнечно-суточные вариации синхронизированы с местным временем и зависят от магнитной активности Солнца в данный день. Амплитуда и фаза этих вариаций изменяются в течение суток и на протяжении года, что обусловлено изменением условий освещенности Земли при ее орбитальном движении и вращением Земли вокруг своей оси (“БСЭ”, т. 4, стр.302). В течение суток происходят небольшие изменения МП, которые связаны с токами в ионосфере, величина же этих токов в свою очередь зависит от суточных колебаний ультрафиолетового излучения Солнца. На протяжении года максимальные значения амплитуды этих вариаций отмечаются в период летнего солнцестояния (22 июня), а минимальные – в период зимнего солнцестояния (22 декабря). Эти изменения магнитного поля зависят также от географической широты (А.П. Дубров, 1974).
Поскольку солнечно-суточные вариации магнитного поля Земли на протяжении года носят циклический характер, то я могу предположить, что пусковым механизмом, вызывающим начало яйцекладки матки в конце зимы и прекращения яйцекладки в начале осени, является достижение определенного значения величины переменной составляющей магнитного поля Земли в годичном цикле ее изменения.
Если согласиться с этим предположением, то можно заметить еще один любопытный факт совпадения максимума амплитуды переменной составляющей МП Земли с максимумом активности пчелиной семьи и яйценоскости матки (конец июня), а минимума амплитуды – с годовым минимумом активности пчелиной семьи (конец декабря). В таком случае начало и окончание яйцекладки матки в годовом цикле хорошо коррелируются со временем весеннего (март) и осеннего (сентябрь) равноденствия.
В пользу высказанного предположения говорит также и то, что изменения переменной составляющей МП Земли воздействуют на пчел, независимо от того, где они находятся: в улье, дупле, пещере, зимовнике, поскольку магнитное поле Земли, как и гравитационное поле, является всепроникающим природным фактором. Что же касается реакции пчел на МП, то исследователи обнаружили значительное влияние естественных магнитных полей на все биологические объекты. Об одном из проявлений этого влияния на пчел сообщается в книге “Пчеловодство: маленькая энциклопедия”, Москва, 2000, на стр. 258: “Пчелы, находящиеся ночью в улье, ведут себя спокойно, но с наступлением утра их поведение резко меняется, и они ищут выход из улья. Доказано, что такое их поведение связано не со временем восхода и захода Солнца, а
с суточными изменениями магнитного поля Земли…

При магнитных бурях чувство времени у пчел нарушается”. Кроме того, во многих опытах установлена четкая согласованность (синфазность) колебаний биологических процессов в живых организмах на протяжении года, так называемые сезонные ритмы (А.П. Дубров, 1974). Высказанное выше предположение, на мой взгляд, является еще одним подтверждением этих выводов ученых.
Вначале, когда мы говорили о биологических ритмах развития семьи в годичном цикле, были высказаны в общей постановке две версии относительно пусковых механизмов, управляющих этими ритмами. Предположение, высказанное сейчас, мне представляется более достоверным. Одним из подтверждений этого являются специально проведенные исследования, которые установили зависимость начала зимней яйцекладки маток от географической широты местности: на одной широте начало яйцекладки маток в разных местностях происходит приблизительно в одно и то же время (Е.К. Еськов, 1999).
В окончательной формулировке рабочая гипотеза №1 выглядит так:
Пусковым механизмом, вызывающим начало яйцекладки матки в конце зимы и прекращения яйцекладки в начале осени в средних и южных широтах Земли, является достижение определенного значения величины переменной составляющей магнитного поля Земли в годичном цикле ее изменения.

ГИПОТЕЗА №2.
О механизмах удаления влаги из дупла живого дерева с зимующей в нем пчелиной семьей


Прежде чем начать обоснование и формулирование рабочей гипотезы, необходимо напомнить в самых общих чертах о том, как устроено живое дерево.
Основные элементы живого дерева – корневая система, ствол и крона. В самом центре ствола расположено цилиндрическое образование малого радиуса – сердцевина, которую опоясывает ядро (спелая древесина), за которой следует молодая древесина – заболонь. Внешние контуры ствола окаймляет кора. Между заболонью и корой находятся камбий (ближе к заболони) и луб (ближе к коре), см. рис. 1.


Рис. 1. Разрез ствола живого дерева



Рост ствола в толщину начинается с камбия – особой образовательной ткани, которая дает начало проводящим тканям – древесине и лубу. Камбий с определенной последовательностью откладывает внутрь новые слои древесины (годичные кольца), а кнаружи – луб. Наивысшая активность камбия наблюдается весной. Совокупность тканей между сердцевиной и камбием принято называть древесиной. Живая древесина для обеспечения своей жизнедеятельности выполняет следующие функции:
1. Механическую.
2. Запасающую.
3. Проводящую.
Механическая функция живой древесины обеспечивает механическую опору для кроны и самого ствола.
Запасающая функция обеспечивает запас необходимых питательных веществ и влаги для жизнедеятельности дерева.
Проводящая функция живой древесины состоит в ее свойстве перемещать (проводить) воду и минеральные вещества по всему своему объему.
Поскольку для формулирования гипотезы нас будет интересовать только проводящая функция, то рассмотрим, какими элементами живого дерева и каким образом она будет реализовываться.
Заболонь, являясь физиологически активной частью древесины, обеспечивает перемещение влаги и питательных веществ от корней вверх по стволу. В заболони содержатся не только одревесневшие (мертвые) клетки, выполняющие механическую функцию, но и живые (паренхимные) клетки, которые обеспечивают проводящую функцию и в которых откладываются запасаемые питательные вещества. Заболонь обладает высокой проницаемостью для влаги в любом виде – как для пара, так и для воды.
Ядро состоит из одревесневших (мертвых) клеток, которые образуются в процессе роста и жизнедеятельности дерева из живых клеток, ранее принадлежавших заболони. В процессе их отмирания происходит отложение ядровых веществ и закупорка водопроводящих элементов. Поэтому ядро отличается от заболони более низкой влажностью, повышенным содержанием экстрактивных веществ и резко сниженной водо- и газопроницаемостью. Древесина ядра более плотная, чем заболони, и более прочная, поэтому в дереве она выполняет основную механическую функцию. В растущем дереве ядро легче поражается дереворазрушающими грибами и гнилями, чем заболонь.
Ядро и заболонь в перпендикулярном (горизонтальном) направлении пронизывают сердцевинные лучи, которые обеспечивают перемещение влаги от центра дерева к его периферии. У лиственных пород на сердцевинные лучи приходится до 15% общего объема древесины (Б.Н. Уголев, 1991).
Напомню, что дупло в деревьях лиственных пород образуется в результате ядровой гнили на последней ее стадии, когда происходит полное разрушение древесины ядра. Гниение древесины происходит с определенной скоростью от места заражения (где впоследствии образуется леток) как вниз, так и вверх по стволу и может достигать нескольких десятков сантиметров в год.
В соответствии с расположением дупла в дереве и свойствами древесины, дупло как жилище пчел имеет практически непроницаемый для влаги свод в виде нижней части разрушенного ядра, а по бокам дупло опоясывает заболонь, через которую легко проникает влага. По наружному контуру пустоту дупла окаймляет тонкий слой пористой трухлявой древесины (ситы), которая хорошо впитывает влагу. По опоясывающей дупло живой заболони происходит постоянный ток влаги от корней вверх по стволу. Проводящими элементами в заболони являются в основном трахеи (сосуды), образованные клетками древесины, которые в своей оболочке имеют поры для улучшения водопроведения.
Как следует из сказанного выше, основой проводящих элементов древесины является клетка, или иначе – сосуд (трубка). Объем сосудов в древесине в зависимости от породы колеблется от 7 до 43%. Диаметр их составляет от сотых долей миллиметра до 0,5 мм в зависимости от породы дерева. Длина сосудов составляет в среднем 100 мм, но у дуба может достигать 2-3 м (М.А. Григорьев, 1981). Соединяясь между собой, тысячи клеток образуют вытянутые по стволу сквозные трубки, по которым вода передвигается вверх, подчиняясь общим законам гидродинамики. Множество трубок соединяются своими боковыми частями в проводящие пучки, которые тянутся от корня по стволу до кончиков ветвей и листьев.
Древесная клетка состоит из оболочки и внутренней части – протопласта, состоящего в свою очередь из ядра и цитоплазмы. Клеточная оболочка (стенка) имеет полую многослойную структуру. Взаимодействие между клетками осуществляется через отверстия (пустоты) в оболочке. Пустоты бывают двух видов: мелкие – поры и более крупные отверстия в стенках клеток – перфорации. Так как живые древесные клетки имеют довольно большую длину – до 80-100 мм и даже больше, то в каждой клетке может быть до 300 пор, через которые осуществляется взаимодействие между самими клетками и взаимодействие с межклеточной средой. Перфорации находятся в основном в нижней и верхней частях клеток и обеспечивают проводящие функции клеток.
Неотъемлемым свойством любых живых клеток является их способность запасать воду и питательные вещества. Всякий дефицит воды в клетке ведет к созданию внутриклеточного разрежения и “засасыванию” воды и питательных веществ из межклеточного пространства. При полном насыщении клетки избыточное давление внутри нее может достигать 15-20 атм. (“Лесная энциклопедия”, 1985).
В начале вегетационного периода (ранней весной) основным механизмом, который обеспечивает ток воды в дереве и ее дальнейшее поглощение, является корневое давление. Это так называемый механизм активного поглощения влаги. Второй механизм, вызывающий пассивное поглощение влаги, определяется тем, что вода, заключенная в тонкие капилляры (сосуды, трахеи) проводящей системы и обладающая большой силой молекулярного сцепления, самопроизвольно движется в дереве по градиенту водного потенциала – от высокого в почве к низкому в атмосфере. Основной силой, вызывающей пассивное поглощение влаги, является присасывающая сила атмосферы, вызывающая листовую и кутикулярную (с поверхности дерева) транспирацию (испарение) влаги. Механизм пассивного поглощения влаги действует на протяжении всего года, но с разной степенью интенсивности.
А куда же расходуется вода в дереве? Прежде всего, на поддержание постоянства внутренней среды дерева, то есть на насыщение клеток и межклеточного пространства водой, а также на транспирацию. Основной орган транспирации – лист. Количество воды, испаряемое 1 граммом листьев в час, может достигать 1 – 1,5 г (“Лесная энциклопедия”, 1985). Если в зрелом дереве листовая масса составляет несколько десятков килограммов, то водопотребление такого дерева летом может доходить до 200 – 300 кг воды в сутки. Ствол такого дерева летом представляет буквально “водопроводную систему”. При сброшенной листве транспирация идет через покровные ткани, т. н. кутикулярная транспирация, интенсивность которой в 10 – 20 раз ниже листьевой. Потеря воды при транспирации, обусловленной сосущей силой атмосферы, создает дефицит давления в клетках и сосудах, которое передается через гидростатическую проводящую систему вниз до самих корней. Однако если на пути передаваемого вниз дефицита давления в сосудах появится посторонний источник влаги, то эта влага будет засасываться в проводящую систему дерева из этого источника еще до поступления влаги из корней.
Для того чтобы были понятны дальнейшие рассуждения, напомню, что дупло в деревьях лиственных пород образуется в результате ядровой гнили на последней ее стадии, когда происходит полное разрушение древесины ядра. Гниение древесины происходит с определенной скоростью от места заражения (где впоследствии образуется леток) как вниз, так и вверх по стволу и может достигать нескольких десятков сантиметров в год.
В соответствии с расположением дупла в дереве и свойствами древесины, дупло как жилище пчел имеет практически непроницаемый для влаги свод в виде нижней части разрушенного ядра, а по бокам дупло опоясывает заболонь, через которую легко проникает влага. По наружному контуру пустоту дупла окаймляет тонкий слой пористой древесины (ситы), которая хорошо впитывает влагу. По опоясывающей дупло живой заболони происходит постоянный ток влаги от корней вверх по стволу. Проводящими элементами в заболони являются в основном трахеи (сосуды), образованные клетками древесины, которые в своей оболочке имеют поры для улучшения водопроведения.
Хочу также уточнить вопрос о прополисовании стенок дупла заселившимися в него пчелами, поскольку здесь пока нет общепринятого однозначного понимания. Для этого приведу мнения двух признанных авторитетов.
“Пчелы пропитывают прополисом, непроницаемым для водяных паров, только потолок своего естественного жилища, оставляя открытыми боковые стенки дупла”, Г.Ф. Таранов (1982).
“Стенки изнутри дупел имеют слой трухлявой (ситовой) незапрополисованной древесины”, Е.П. Петров (1983).
Мне самому при изучении дупла в спиленной груше не удалось обнаружить видимый слой прополиса на боковых стенках. С учетом приведенной выше информации будем считать, что пчелы прополисуют только верхнюю часть дупла и не прополисуют боковые стенки.
А теперь вернемся к дуплу с находящимся в нем пчелиным гнездом.
Известно, что в процессе своей жизнедеятельности пчелы потребляют мед, в результате чего выделяют так называемую метаболическую воду. Потребляя 1 кг меда, пчелы выделяют около 700 г воды. Избыток воды, выделяемый пчелиной семьей, накапливается в дупле. Часть этой влаги удаляется через леток, а часть – поглощается пограничным слоем трухлявой пористой (ситовой) древесины дупла. Поскольку пчелы выделяют влагу постоянно, то подпитка пограничного слоя влагой будет тоже идти постоянно. Следовательно, этот слой с накопленной в нем влагой можно рассматривать как посторонний источник влаги для дерева.
Поскольку к пограничному слою примыкает живая древесина заболони с открытыми концами (перфорациями), а также с боковыми порами сосудов и трахей, то через них влага из пограничного слоя (постороннего источника) будет засасываться в проводящую систему дерева и в нем использоваться по назначению (рис. 2).


Рис. 2. Механизм удаления влаги проводящей системой живого дерева


Образование капельно-жидкой воды из влажного теплого воздуха клуба происходит в ситовине, примыкающей непосредственно к гнезду, за счет разности температур Δt 0. Имеется в виду то, что температура выходящего из клуба воздуха всегда положительна (в районе 8-10 0С), а температура заболони зимой будет ниже этого значения. В таком случае влага, которую самопроизвольно всасывает сита по причине своей пористой структуры, по мере приближения ее к заболони в какой-то момент переходит температуру точки росы и начинает конденсироваться внутри ситовины, превращаясь в воду. Примыкающие к влажной ситовине сосуды заболони через свои поры (перфорации) будут по изложенным выше причинам самопроизвольно засасывать влагу внутрь и транспортировать ее вверх дерева, удаляя ее, таким образом, из дупла. Назовем предложенный механизм удаления влаги:“удаление влаги проводящей системой”.
С действием механизма удаления влаги проводящей системой мы встречаемся довольно часто в быту. Например, таким образом идет потребление воды срезанными цветами или черенками винограда, которые мы ставим в воду на проращивание. Ну а уж полная аналогия будет при посадке срезанного черенка винограда, черной смородины, малины и др. в землю. В этом случае до образования корней (а это довольно продолжительный процесс) черенки будут потреблять (удалять) воду прямо из влажной земли.
А как же будут обстоять дела зимой, когда деревья лиственных пород, в дуплах которых в основном и селятся пчелы, сбрасывают листву и переходят в состояние покоя? Оказывается, в живой древесине даже в состоянии глубокого зимнего покоя обменные процессы полностью не прекращаются, они только замедляются. Это объясняется тем, что при низких и отрицательных температурах в живой древесине должна сохраняться нормальная структура клетки. Проще говоря, живая клетка не должна замерзнуть, а для этого обменные процессы в древесине не должны прекращаться ни на минуту. Кроме того, в состоянии зимнего покоя в дереве постоянно происходит кутикулярная транспирация влаги с поверхности сбросивших листву веток и с поверхности ствола. И хотя интенсивность ее в 10-20 раз ниже листовой транспирации, все же объем испаренной влаги в состоянии зимнего покоя у деревьев лиственных пород может составить до 10-30 литров в сутки. Увеличению зимней транспирации способствует низкая влажность морозной зимней атмосферы, а также иссушающее действие зимних ветров.
Помимо этих двух факторов, надо еще иметь в виду и то, что для сохранения своей жизнедеятельности живые клетки должны постоянно дышать. Под дыханием при этом подразумевается внутриклеточный процесс окисления органических веществ. Процесс дыхания есть неотъемлемым свойством, которое присуще всем живым организмам, тканям и клеткам. Главным материалом для дыхания древесной клетки есть глюкоза. Во время дыхания в результате расщепления глюкозы, кроме углекислого газа и воды, выделяется 2867 кДж/моль (686 ккал/моль) энергии (“Лесная энциклопедия”, 1985). Эта энергия по большей части сохраняется в дереве в форме высокоэнергетических химических соединений, но часть освобождаемой энергии при этом выделяется в виде тепла. Таким образом, можно утверждать, что дерево в процессе своей жизнедеятельности само себя “подогревает”. Зимой этот фактор, безусловно, благотворно влияет на процесс зимовки пчел в дупле.
Поскольку в сбросивших листву деревьях обменные процессы хотя и замедляются, но полностью не прекращаются, то проводящая система дерева продолжает выполнять свои функции осушения дупла с зимующим клубом пчел и в состоянии зимнего покоя даже при наступлении отрицательных температур. Однако в случае наступления продолжительного периода низких температур (ниже –15…20 0С) дерево переходит в состояние вынужденного (экзогенного) покоя, при котором сокодвижение в стволе и ветвях почти прекращается. Чаще всего начало периода экзогенного покоя (в случае его наступления) в наших широтах приходится на декабрь-январь. При мягкой зиме экзогенный покой может и вовсе не наступать. С точки зрения физиологической, для обеспечения нормальной жизнедеятельности дерева этот период (в отличие от органического покоя) не является обязательным. Просто под воздействием низких отрицательных температур дерево вынужденно переходит в это состояние, хотя прекрасно может обходиться без экзогенного покоя в своем жизненном цикле. Возобновление нормального сокодвижения в дереве при этом в дальнейшем будет происходить в периоды продолжительных потеплений или же с началом весеннего сокодвижения в феврале-марте.
Если период вынужденного покоя все же наступил, то функционирование проводящей системы дерева в это время будет носить ограниченный характер и отвод влаги из дупла проводящей системой существенно уменьшится, а в отдельные периоды и вовсе прекратится. В основном в этот период влага из клуба при охлаждении отработанного воздуха будет оседать в нижнюю часть дупла и накапливаться там, в трухлявой пористой ситовине. Поскольку плотность ситовины в 2-2,5 раза ниже, чем у живой древесины, а водопоглощение и водопроницаемость выше (Б.Н. Уголев, 1991), то в нижней незапрополисованной части дупла временно может аккумулироваться значительное количество влаги. Если даже предположить, что в это время влага из дупла не будет удаляться другими путями, то все равно в нижней части дупла вся выдыхаемая пчелами влага (а это приблизительно по 1 кг влаги за каждый зимний месяц) сможет полностью разместиться в ситовине в виде сконденсированной воды, инея или льда. При этом содержащаяся в нижней холодной части дупла влага находится за пределами теплой обитаемой части и не оказывает никаких вредных воздействий на зимний клуб.
В ходе зимовки еще какая-то часть влаги будет удаляться из дупла вместе с отработанным воздухом при наступлении активной фазы воздухообмена. Об этом более подробно поговорим при формулировании рабочей гипотезы №3.
Удалению влаги из дупла способствуют также сердцевинные лучи, которые перемещают эту влагу в радиальной плоскости от дупла к наружной части дерева, однако основное передвижение воды в радиальном направлении происходит в стволе через поры в стенках древесных сосудов и трахеид (мертвых клеток).
А теперь сформулируем рабочую гипотезу №2:
1.Образование влаги в виде воды из влажного теплого воздуха зимнего клуба происходит в ситовине, примыкающей непосредственно к гнезду, за счет разности температур между теплым воздухом клуба, поглощаемым ситовиной, и температурой более холодной заболони.
2.Примыкающие к влажной ситовине сосуды заболони через свои поры (перфорации) будут самопроизвольно засасывать эту влагу внутрь и транспортировать ее вверх дерева, удаляя ее, таким образом, из дупла (удаление влаги проводящей системой вверх).
3.Основное количество влаги из отработанного теплого воздуха клуба образуется при его соприкосновении с холодной массой воздуха в нижней части дупла ниже гнезда. Влага, выпадающая при этом в виде росы или инея, будет оседать в нижней части дупла (удаление влаги в нижнюю часть дупла).
4.Удалению влаги из дупла способствуют также сердцевинные лучи и поры в стенках сосудов и трахеид, при помощи которых влага удаляется в радиальной плоскости от дупла к наружной части дерева. Однако основное передвижение воды в радиальном направлении происходит в стволе через поры в стенках древесных сосудов и трахеид (удаление влаги в радиальной плоскости).
5.Некоторое количество влаги будет удаляться из дупла через леток вместе с отработанным воздухом при наступлении активной фазы воздухообмена (удаление влаги через леток), см. Гипотезу №3.


ГИПОТЕЗА №3.
О механизмах воздухообмена в дупле живого дерева с зимующей в нем пчелиной семьей



Создаваемые в дупле естественным образом оптимальные условия для жизни пчел предполагают, в частности, наличие там необходимого воздухообмена. Это означает, что пчелы в дупле имеют возможность беспрепятственно получать нужное для обеспечения их жизнедеятельности количество кислорода (О2) из свежего воздуха и удалять из гнезда отработанный воздух: углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Попробуем разобраться, как происходят эти процессы. Однако сначала произведем краткое описание модели зимнего клуба, а точнее – тех его характеристик, которые будут непосредственно влиять на воздухообмен. Замечу при этом, что в настоящее время существует довольно устоявшееся представление о структуре зимнего клуба, хотя некоторые авторы отдельные детали этой модели могут трактовать по-иному.
Итак, зимний клуб пчел состоит из плотной, слабо проницаемой для воздуха, внешней корки плотно сидящих пчел. Толщина этой корки, в зависимости от внешней температуры, может изменяться от 1-2 до 5-7 см. Соответствующим образом изменяется и воздухопроницаемость корки – чем она толще, тем меньше ее воздухопроницаемость, и наоборот. В корке клуба пчелы сидят упорядоченно: все они, плотно сцепившись, располагаются на сотах вверх головкой. При этом головка пчел, находящихся внизу, прячется под брюшком сидящих вверху пчел. Крылья пчел, расположенных в корке, полураскрыты и имеют возможность двигаться. Часть пчел корки клуба влезают в пустые ячейки сотов и сидят там совершенно неподвижно. Внутри под коркой располагается так называемый активный центр (ядро клуба), где пчелы могут свободно перемещаться, а воздух – свободно циркулировать. Плотность населения пчел в ядре клуба ниже, чем в корке. В каждой улочке клуба в одном месте сплошная корка имеет меньшую плотность и здесь образуется своеобразное отверстие (продух), через которое происходит вентиляция и отток отработанного воздуха. Казалось бы, что этот продух должен находиться вверху улочки. Однако, как показывает натурный эксперимент, в каждой улочке продух находится внизу (Н.К. Побоженский, 1991). Скорее всего, так оно и есть по нескольким причинам.
Во-первых, в естественных условиях в дупле клуб в большинстве случаев находится выше летка и своим объемом перекрывает пустоту дупла. Учитывая, что верхняя часть дупла герметична, удалять отработанный и получать свежий воздух клуб может только снизу.
Во-вторых, при необходимости зимний клуб может “включать” и активную вентиляцию гнездового пространства (Е.К. Еськов, 1983). Но поскольку пчелы в клубе располагаются вверх головками, то вентиляционный поток воздуха в этом случае тоже будет направлен вниз.
В-третьих, как показал Н. Решетников (2000), объем выдыхаемого пчелами отработанного воздуха на 30% больше объема потребляемого свежего воздуха. Это объясняется тем, что в процессе переработки меда к объему газовых составляющих выдыхаемого воздуха добавляется метаболическая вода в виде дополнительного объема водяного пара, который вырабатывается естественным образом в пчелином организме в результате окисления глюкозы меда.
Это утверждение о различии объемов вдыхаемого и выдыхаемого пчелами воздуха является совершенно новым взглядом на процесс дыхания у пчел и требует дальнейшего уточнения. Однако можно уже сейчас сказать, что косвенным подтверждением высказанному взгляду является достоверно установленный факт того, что дыхание у пчел несимметрично по времени – выдох обычно длится дольше, чем вдох (Г.Ф. Таранов, 1968). Учитывая этот аргумент, будем принимать утверждение Н. Решетникова в качестве рабочей гипотезы. В таком случае зимний клуб надо будет рассматривать как своеобразный источник (генератор) небольшого избыточного давления. При этом избыточное давление будет постоянно “выталкивать” из клуба отработанный воздух вниз в сторону летка, ибо другого направления для его выхода в замкнутом объеме дупла просто нет.
Хотя, если бы даже зимний клуб и не создавал избыточного давления по указанной выше причине, то все равно такое давление создавалось бы за счет теплого воздуха, который находится в “герметичной” верхней части дупла, где располагается зимний клуб – источник тепла. Это следует из газового закона Шарля, согласно которому при постоянном объеме давление газа (р) прямо пропорционально его температуре (Т), то есть р = f(Т). Если бы указанное явление происходило в полностью замкнутом объеме, то это привело бы к тому, что в соответствии с законом Бойля-Мариотта увеличилась бы плотность воздуха (что эквивалентно уменьшению относительного объема). В нашем же случае мы имеем дело с открытой системой, имеющей связь с внешней средой через леток. Следовательно, применительно к нашей ситуации это означает, что за счет нагрева воздуха клубом в верхней части дупла, которая имеет постоянный объем, давление этого воздуха станет выше, чем давление холодного воздуха в нижней части дупла и снаружи (в окружающем пространстве). По этой причине отработанный теплый воздух клуба будет всегда стремиться самопроизвольно покинуть дупло через верхнюю часть летка. И чем холоднее будет на улице, тем больше будет разница температур между теплым воздухом пчелиного гнезда и внешним воздухом, тем больше будет перепад давлений, и тем интенсивнее отработанный воздух будет покидать гнездо. Поскольку выходящий теплый воздух в открытом пространстве будет иметь меньшую плотность, чем внешний холодный воздух, то последний будет поступать в дупло через нижнюю часть летка. О том, что будет происходить с этим воздухом дальше, поговорим чуть ниже.
Для желающих убедиться в том, что этот процесс будет иметь место на самом деле, предлагаю провести простой натурный эксперимент, который я непроизвольно осуществил в своей бане. К парилке в моей бане примыкает небольшое помещение (где находятся раздевалка и душ), перед выходной дверью которого на расстоянии одного метра от нее висит целлофановая занавеска. Дверь в парилку находится в противоположной стороне этого помещения. Так вот, когда я одновременно открываю дверь из парилки и выходную дверь, то занавеска надувается парусом и буквально стремиться вылететь в выходную дверь. Что ее туда толкает, если учесть, что в парилке закрыта вентиляция наружу и во всем этом замкнутом объеме нет никаких сквозняков? А толкает ее туда избыточное давление, которое образуется за счет горячего воздуха парилки (по отношению к холодному окружающему воздуху). Так что я могу свидетельствовать: закон Шарля работает. Кто желает в этом убедиться сам, проведите этот несложный натурный эксперимент. Обратите внимание при этом также на то, что освобождаемый горячим воздухом объем занимает холодный воздух, который поступает в помещение низом (по полу).
У кого нет бани, откройте зимой форточку в хорошо натопленной комнате при закрытых других форточках и дверях. Вы увидите, что при этом теплый воздух будет выходить из комнаты через верхнюю часть форточки, что хорошо видно по образовавшемуся пару. Холодный же воздух будет “вливаться” в комнату через нижнюю часть форточки, и мы это хорошо чувствуем – холодный воздух “бьет” по ногам.
А теперь давайте возвратимся к непосредственному рассмотрению вопросов воздухообмена.
Известно, что при потреблении 1 кг меда пчелам для его усвоения необходимо получить 800 г кислорода, а выделяют они при этом 680 г водяного пара, 1000 г углекислого газа и около 12,57 МДж (3000 ккал) тепловой энергии.
Во время зимовки одна пчела съедает за сутки 2,5-3,0 мг, в среднем- 2,75 мг меда. Тогда семья из 20 тыс. пчел за сутки потребляет 55 г меда и 44 г кислорода, а выделяет 38 г водяного пара и 55 г углекислого газа. Основные выделения пчелы делают с дыханием. Для того чтобы удалить из своего организма указанное количество Н2О и СО2, пчелы выдыхают воздух, содержащий 4% углекислого газа (нормальный воздух содержит 0,03% СО2) и почти 100% влажность (А.Д. Комиссар, 1994). Выходящий из клуба отработанный воздух подогрет и имеет температуру не ниже температуры корки клуба (8-100 С), а содержание кислорода в нем может опускаться до 3-4% (в нормальном воздухе содержится 21% О2).
Определив характеристики отработанного воздуха, рассмотрим сам механизм воздухообменных процессов в дупле с пчелиным клубом. Для начала будем считать, что объем вдыхаемого и выдыхаемого клубом воздуха одинаков.
До наступления холодной погоды, пока пчелы еще летают, воздухообмен в гнездовой полости осуществляется в основном за счет активной вентиляции через леток пчелами-вентилировщицами. После образования зимнего клуба воздухообмен дупла будет осуществляться еще и за счет других факторов, о которых речь и пойдет ниже.
Как мы уже говорили раньше, дупло представляет собой замкнутую полость с открытым отверстием (летком), и в принятых нами условиях холодный воздух, как более плотный и тяжелый, будет поступать (“вливаться”) через нижнюю часть летка внутрь дупла. Там он будет постепенно заполнять нижнюю часть дупла и подниматься вверх, выдавливая более теплый и менее плотный воздух пчелиного гнезда вверх. Процесс заполнения дупла холодным воздухом будет продолжаться до тех пор, пока давление воздуха в верхней закрытой и теплой зоне дупла не сравняется с давлением воздуха в нижней холодной зоне. Такое устойчивое состояние наступит только тогда, когда наружный более плотный и тяжелый воздух поднимется выше среза летка и закупорит, как поршнем, менее плотный теплый воздух клуба в верхнем герметическом объеме (рис.3)


Рис. 3. Распределение воздушных масс в зимнем дупле в устойчивом состоянии



Высота своеобразного воздушного “затвора” (Δh) зависит от разности плотностей (температур) воздушных масс в холодной и теплой зонах дупла.
Этот процесс можно наглядно увидеть, если изготовить его приблизительную модель. В закрытом продолговатом сосуде (например, в закрытой пластмассовой бутылке) в средней части ближе к верху вырезать небольшое отверстие и полностью погрузить этот сосуд вертикально в емкость с водой. Вода (аналог плотного и тяжелого воздуха) постепенно заполнит нижнюю часть бутылки и прекратит поступать внутрь только тогда, когда поднимется выше верхнего среза отверстия (аналог летка). После этого в верхней части бутылки окажется закупоренной какой-то объем воздуха (аналог менее плотного теплого воздуха клуба в дупле). Очень хорошо при этом виден и своеобразный “затвор” – вода поднимается на несколько миллиметров выше верхнего среза отверстия.
А теперь вернемся к дуплу.
В устойчивом состоянии, когда теплый воздух клуба будет закупорен вверху, нижняя часть дупла окажется заполненной воздухом с высоким содержанием кислорода О2 и низким содержанием СО2 (как в атмосфере). В дальнейшем через всю площадь соприкосновения теплой верхней зоны и нижней холодной, через границу их раздела, будет происходить диффузия газов и водяного пара, что будет приводить к выравниванию концентраций газов и водяного пара в обеих зонах. Но при этом не будет происходить выравнивания температур в зонах, поскольку теплая зона находится вверху, а конвективное тепло вниз не распространяется. Площадь соприкосновения этих двух зон для диаметра дупла 25-30 см составляет соответственно 0,05-0,07 м2. Мои расчеты показывают, что в единицу времени только за счет диффузии через эту площадь в нижнюю часть дупла будет удаляться из клуба весь выделяемый за это же время углекислый газ и почти весь водяной пар.
Напомню, что суть явления диффузии состоит в выравнивании на молекулярном уровне концентраций одноименных газов, находящихся в двух соприкасаемых объемах. При диффузии не происходит механического перемещения потоков газа, поскольку выравнивание концентраций происходит на молекулярном уровне. Поэтому для явления диффузии не существует понятий “верх” или “низ”, так как градиент происходящего выравнивания концентраций всегда направлен через границу раздела от объема с большей концентрацией газа в сторону объема с меньшей концентрацией независимо от того, как эти два объема будут расположены в пространстве. Так как разноименные газы химически несмешиваемы, то процесс диффузии каждого из них будет происходить самостоятельно, то есть независимо, а также со своей скоростью и по своему направлению.
Поскольку воздухообмен за счет диффузии происходит самопроизвольно без участия пчел, то назовем такой механизм воздухообмена в дупле “пассивной фазой воздухообмена”. В этой фазе воздухообмена пчелы будут использовать свежий воздух, находящийся в нижней части дупла. Минимальная потребность пчелиной семьи из 20 тыс. пчел в свежем воздухе составляет около 8 литров в час. Объем нижней части дупла в зависимости от его формы и диаметра чаще всего колеблется в пределах от 50 до 150 литров. В процессе использования этого воздуха в гнезде начнет повышаться концентрация углекислого газа. При достижении за пределами клуба концентрации СО2 выше 3-4% пчелы начинают активное вентилирование гнездового пространства (Е.К. Еськов, 1983). В результате этого в теплой верхней зоне дупла будет повышаться давление воздуха и граница раздела теплой и холодной зон начинает опускаться вниз. Теперь уже теплый воздух, как имеющий более высокое избыточное давление, будет вытеснять вниз холодный воздух. Как только граница раздела достигнет верхнего среза летка и откроется воздушный “затвор”, отработанный теплый воздух, выходящий через продух в нижней части клуба, получит возможность дальнейшего беспрепятственного выхода наружу через верхнюю часть летка и удаления из гнезда излишков влаги и углекислого газа.
Если провести аналогию с летней вентиляцией улья, то можно предположить, что основная часть пчел-вентилировщиц будет работать в районе летка, создавая именно там зону избыточного давления. В результате этого у задней стенки дупла будет создаваться зона небольшого разрежения, и там будет происходить подсасывание воздуха из нижней части дупла. Прокачиваемый таким образом через клуб воздух будет возмещаться за счет поступления наружного свежего воздуха через нижнюю часть летка в нижнюю полость дупла. Таким образом, в активной фазе воздухообмена (назовем ее так) воздух будет двигаться по своеобразной петле: нижняя часть летка – нижняя полость дупла – вверх по задней стенке к клубу – клуб – продух в нижней части клуба – через верхнюю часть летка наружу (рис. 4).
Впервые этот путь воздуха в дупле еще в начале ХІХ века описал Ф.А. Соколов в журнале “Русский пчеловод”, а в дальнейшем он получил название “петля Соколова”.


Рис.4. Распределение воздушных масс в зимнем дупле (активная фаза воздухообмена)



Активное вентилирование дупла закончится тогда, когда содержание углекислого газа в гнездовой полости достигнет приемлемого для пчел низкого значения. Во время активной фазы воздухообмена из гнездовой полости и дупла будет удален отработанный воздух, а его место займет свежий наружный воздух. После этого работа пчел-вентилировщиц прекратится, избыточное давление в верхней части дупла начнет уменьшаться, плотный холодный воздух из нижней части будет постепенно подниматься вверх и закупоривать своей массой теплый воздух гнездовой полости. Наступает пассивная фаза воздухообмена, которая продлится до начала очередной активной фазы воздухообмена, и так далее. То есть получается, что дупло с пчелами как бы “дышит”.
Можно предположить, что при определенных внешних условиях активная фаза воздухообмена в дупле может проходить до тех пор, пока эти условия будут сохраняться. В этом случае в воздухообмене семьи устанавливается своеобразное динамическое равновесие, при котором из гнезда наружу удаляется использованный воздух, а к клубу поступает необходимое количество чистого воздуха. Это состояние пчелиной семьи можно зафиксировать на слух – клуб издает равномерный и почти не слышимый тихий шум.
В.А. Гайдар (1993) сообщает, что температура внутри клуба в течение суток циклически поднимается и опускается с периодом в 10-19 часов. Это, по его мнению, связано с питанием пчел. Объясняет он это предположение тем, что при более низкой окружающей температуре в результате больших теплопотерь клуба интервал между двумя ближайшими повышениями температур (кормлениями) уменьшается. При более высоких наружных температурах этот интервал увеличивается. Понятно также, что чем чаще и интенсивнее пчелы будут потреблять корм, тем больше углекислого газа и водяных паров они будут выделять при его переработке. Поэтому можно предположить, что циклическое повышение температуры клуба сопровождается не только питанием пчел, но и активным вентилированием гнездовой полости. По крайней мере, если сравнить объем нижней части дупла и потребности семьи в свежем воздухе, то период повышения активности в 10-19 часов вполне согласуется со временем потребления семьей свежего воздуха, находящегося в нижней полости.
Во время пассивной фазы воздухообмена, когда нет механического перемещения воздушных потоков, имеет место также прямая диффузия через леток в наружное пространство. Однако мои расчеты показывают, что ее вклад в общий воздухообмен ничтожен и составляет не более 1%. Это объясняется тем, что площадь летка, через которую будет проходить диффузия, имеет весьма незначительные размеры – в пределах 5,0-9,0 10-4 м2. Следовательно, влияние прямой диффузии через леток на общий воздухообмен можно не учитывать.
А теперь посмотрим, как будет происходить воздухообмен в том случае, если объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха будет разным (идея Н. Решетникова).
В этом случае в клубе будет постоянно создаваться небольшое избыточное давление, которое в пассивной фазе воздухообмена не позволит холодному плотному воздуху из нижней части дупла полностью закупорить (как поршнем) теплый воздух клуба в верхней части дупла. За счет небольшого избыточного давления отработанный теплый воздух будет иметь возможность постоянно выходить наружу через верхнюю часть летка даже в пассивной фазе воздухообмена. При этом воздухообмен будет происходить по петле Соколова. Можно предположить, что за счет небольшого избыточного давления воздух в дупле будет двигаться с незначительной скоростью. Если же скорость прокачки воздуха не будет обеспечивать полного удаления отработанного воздуха и поступления необходимого количества свежего воздуха, то клуб будет “включать” активную вентиляцию и увеличивать скорость прокачки воздуха через гнездо и леток.
Хочу заметить, что при резких изменениях внешних условий (резких колебаниях наружных температур, ветровых потоков, давления атмосферы) функционирование описанного механизма воздухообмена может нарушаться, а его течение – изменяться случайным образом.
А теперь сформулируем гипотезу №3:
1.Основными движущими механизмами воздухообмена клуба пчел с внешней средой в активной его фазе являются:
а) разность температур теплого воздуха клуба и более холодного наружного воздуха. В результате в соответствии с законом Шарля для открытой термодинамической системы, за счет более высокого давления теплого воздуха он будет стремиться самопроизвольно покинуть дупло через верхнюю часть летка;
б) разница объемов вдыхаемого и выдыхаемого пчелами воздуха (гипотеза Решетникова). При этом в верхней части дупла, где находится клуб, будет создаваться небольшое избыточное давление и теплый воздух будет стремиться самопроизвольно покинуть дупло по тому же пути;
в) работа пчел-вентилировщиц при повышении концентрации СО2 за пределами клуба выше 3-4%.
2.В пассивной фазе воздухообмен будет происходить за счет явления диффузии через плоскость соприкосновения отработанного теплого воздуха вверху дупла и свежего наружного воздуха, поступившего ранее в нижнюю часть дупла в активной фазе воздухообмена.
3.После перехода воздухообмена из активной фазы в пассивную поступающий в нижнюю часть дупла холодный и более плотный внешний воздух будет подниматься вверх, выдавливая более теплый и менее плотный воздух пчелиного гнезда вверх. После достижения холодным воздухом верхнего среза летка он закупорит, как поршнем, теплый воздух клуба в верхнем герметическом объеме, образуя своеобразный воздушный “затвор”.
4.Фазы активного и пассивного воздухообмена периодически повторяются, то есть можно говорить о том, что дупло с находящимся в нем зимним клубом пчел как бы “дышит”.


Валерий КОРЖ

Литература.
1.Григорьев М.А. Материаловедение для столяров и плотников. М.: Высшая школа, 1981.-173 с.
2.Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. Л.: Гидромет, 1974.-176 с.
3.Еськов Е.К. Микроклимат пчелиного жилища. 2-е изд. М.: Россельхозиздат, 1983.-191 с.
4.Еськов Е.К. Экология медоносной пчелы. М.: Росагропромиздат, 1999.-221 с.
5.Комиссар А.Д. Высокотемпературная зимовка пчел. К.: Лаборатория биотехнологий, 1994.-166 с.
6. Лесная энциклопедия: в 2-х т./ Гл. ред. Воробьев Г.И. М.: Сов. энциклопедия, 1985.-563 с.
7.Петров Е.П. Башкирская бортевая пчела. Уфа, 1983.-220 с.
8.Побоженский Н.К. Как живут пчелы зимой // Пчеловодство.-1991.№8.
9.Решетников Н. Расчет воздухообмена клуба пчел зимой // Пчеловодство.-2000.№7.
10.Таранов Г.Ф. Анатомия и физиология медоносных пчел. М.: Колос, 1968.-344 с.
11.Таранов Г.Ф. О вентиляции в ульях и зимовниках // Пчеловодство.-1982.№7.
12.Уголев М.А. Древесиноведение и лесное товароведение. М.: Экология, 1991.- 256 с.
13.Халифман И.А. Пчелы. М.: Молодая гвардия, 1963.-398 с.

Счетчик посетителей

1540800
Сегодня
Вчера
Неделя
Прошлая неделя
Месяц
Прошлый месяц
Всего
120
438
558
8231
16885
34858
1540800

Forecast Today
360


Ваш IP:3.227.254.12