♦ Версия воздухообменных процессов в дупле с пчелиным гнездом

Создаваемые в дупле естественным образом оптималь­ные условия для жизни пчел предполагают, в частности, наличие там оптимального воздухообмена. Это означает, что пчелы в дупле имеют возможность беспрепятственно получать необходимое для обеспечения их жизнедеятель­ности количество свежего воздуха (кислорода, О2) и уда­лять из гнезда отработанный воздух: углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Попробуем разобраться, как проис­ходят эти процессы. Однако сначала проведем краткое описание модели зимнего клуба, а точнее — тех его ха­рактеристик, которые будут непосредственно влиять на воздухообмен. Следует сказать, что в настоящее время существует довольно устоявшееся представление о струк­туре зимнего клуба, хотя некоторые авторы отдельные де­тали этой модели и могут трактовать по-разному.

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 сидит 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 (Побоженский Н.К., 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 (см. законы Ф.А. Соколова). 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. 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 тот факт, что дыхание у пчел несимметрично по времени — выдох обычно длится дольше, чем вдох (Таранов Г.Ф., 1968). Но, с другой стороны, А.Д. Комиссар (1994) утверждает, что в настоящее время пути и механизмы удаления метаболической воды из организма пчел в зимнем клубе практи­чески не исследованы, и в свою очередь высказывает пред­положение, что одним из возможных путей удаления воды из организма пчел является выдыхание более теплого воз­духа, содержащего большее количество паров воды.

Учитывая все эти аргументы, будем принимать утверж­дение Н. Решетникова в качестве рабочей гипотезы, кото­рая требует дальнейшего подтверждения. Если же мы со­гласимся с этим утверждением, то 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 дупле просто нет.

Теперь 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, имеющий 4% углекислого газа (нормальная атмосфера содержит 0,03% СО2) и почти 100%-ную влажность (Комиссар А.Д., 1994). Выходящий из клуба отработанный воздух подогрет и имеет темпера­туру не ниже температуры корки клуба (8-10 °С), а со­держание кислорода в нем может опускаться до 3—4% (в нормальной атмосфере 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 пчела-ми-вентилировщицами. После образования зимнего клуба воздухообмен дупла будет осуществляться еще и за счет других факторов, о которых и пойдет речь ниже.

Поскольку дупло представляет собой замкнутую полость с открытым отверстием (летком), то 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 отработанный воздух вверх.

Процесс заполнения дупла холодным воздухом будет продолжаться до тех пор, пока давление воздуха в верх­ней закрытой и теплой зоне дупла не уравняется с давле­нием воздуха в нижней холодной зоне. Такое устойчивое состояние наступит только тогда, когда наружный тяжелый воздух поднимется выше среза летка и закупорит, как пор­шнем, менее плотный теплый воздух клуба в верхнем гер­метическом объеме (рис. 3.6).

Высота своеобразного воздушного «затвора» (Ah) за­висит от разности температур и плотностей воздушных масс в холодной и теплой зонах дупла.

В устойчивом состоянии, когда теплый воздух клуба бу­дет закупорен вверху, нижняя часть дупла окажется запол­ненной воздухом с высоким содержанием кислорода и низ­ким содержанием СО2 (как в атмосфере). В дальнейшем че­рез всю площадь соприкосновения верхней теплой и нижней холодной зон, через границу их раздела, будет происхо­дить диффузия газов и водяного пара. Это будет приводить к выравниванию концентраций газов и водяного пара в обе­их этих 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 не смешиваемы, то диффузия каждого из них будет происходить независимо, 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 исполь­зуют свежий воздух, находящийся в нижней части дупла, Минимальная потребность пчелиной семьи из 20 тыс. пчел в свежем воздухе составляет 8 л в час. Объем нижней части дупла, в зависимости от его формы и диаметра, чаще всего колеблется в пределах от 50 до 150 л. После исполь­зования этого воздуха в гнезде начинает повышаться кон­центрация углекислого газа. При достижении за пределами клуба концентрации СО₂ выше 3—4% пчелы начинают ак­тивное вентилирование гнездового пространства (Еськов Е.К., 1991). В результате этого в теплой верхней зоне дуп­ла начинает повышаться избыточное давление воздуха и граница раздела теплой и холодной зон начинает опускать­ся вниз. Теперь уже теплый воздух, как имеющий более высокое избыточное давление, начинает вытеснять вниз холодный воздух. Как только граница раздела достигнет верхнего среза летка, отработанный теплый воздух, выхо­дящий через продух в нижней части клуба, получит воз­можность дальнейшего беспрепятственного выхода нару­жу через верхнюю часть летка.

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. Воздух, «прокачиваемый» таким образом через клуб, из нижней части дупла будет возме­щаться за счет поступления наружного свежего воздуха через нижнюю часть летка. 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. 3.7).

Для удобства в дальнейшем будем называть такой путь движения воздуха «петлей Соколова», по фамилии впер­вые ее описавшего.

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 описанного механизма воздухообмена может нарушаться, а его течение — изменяться случайным образом. Так, на­пример, при резких порывах ветра, дующего прямо в ле­ток, будет происходить принудительная вентиляция гнезда за счет механического перемещения чистого воздуха в дуп­ло, а отработанного — в наружное пространство (Пчело­водство. 1996. № 4).

В летний период воздухообмен в дупле будет осуще­ствляться в основном за счет работы пчел-вентилировщиц, которые соотносят степень активности своей работы с по­требностями семьи в чистом воздухе.

Заключая изложение данного вопроса, можно сказать, что типичное дупло в живом дереве является оптималь­ным жилищем для семьи пчел на протяжении всего года. Это обусловлено тем, что благотворное взаимодействие живого дерева с семьей пчел обеспечивает ей наилучшие условия для существования. Дупло — своеобразное лоно живой природы, «...несмотря на кажущуюся простоту сво­его устройства, имеет, однако, такие благодетельные для роя совершенства, каких не имели и не имеют ни один из существующих ульев, созданных рукой человека» (Соко­лов Ф. А., 1900).

Краткое содержание вопроса (выводы)

1. Дупло — это замкнутая полость в стволе живого дерева, образовавшаяся в результате разрушения древесины ядра из-за его гниения.
2. Стенки внутри дупла имеют тонкий слой трухлявой (ситовой) незапрополисованной древесины. Это яв­ляется одной из причин того, что естественные жи­лища пчел в дуплах живых деревьев, как правило, хорошо сохраняют тепло и в них всегда сухо.
3. Ситовина внутренней полости дупла, как губка, впи­тывает большое количество влаги, так как ее гигроскопичность в 3—5 раз выше, чем в живой древесине.
4. Первичное заселение пчелы проводят по большей части только в дупла живых деревьев. Как правило, это деревья лиственных пород.
5. Типичное дупло в живом дереве — это дупло дос­таточного объема (не менее 50 л) конусообразной формы, в котором естественным образом обеспе­чивается создание необходимых условий для нор­мального существования пчелиной семьи.
6. Леток в типичном дупле чаще всего располагается в районе его средней части, а под летком, как прави­ло, имеется свободное пространство.
7. В дупле пространственная ориентация сотов не от­личается строгой упорядоченностью. Основное креп­ление сотов в дупле осуществляется к его стенкам. При этом крепление сотов осуществляется не сплошь, а с некоторыми отверстиями у стенок. Через эти отверстия пчелы могут свободно переходить с одного сота на другой.
8. Замкнутая полость дупла в живом дереве полностью защищает семью от электрических полей естественного и искусственного происхождения.
9. Вода с минеральными веществами (пасока), протекающая по сосудам живого дерева, защищает пчелиное гнездо в дупле от внешнего перегрева солнечными лучами летом и способствует отражению теплового излучения зимнего клуба и сохранению внутреннего тепла в жилище пчел зимой.
10. В дупле не может быть сквозняков, так как свежий воздух поступает, а отработанный удаляется из зам­кнутой полости через один леток.
11. Как правило, зимний клуб располагается в типичном дупле выше летка. При этом он своей массой пол­ностью перекрывает поперечный разрез дупла.
12. Семья не заклеивает леток дупла в продолжение всего летнего сезона. С наступлением похолоданий. заклеивает прополисом леток, сообразуясь со своей силой и величиной дупла. Чем глубже полость дупла под летком, тем легче семье обеспечить себе комфортные условия зимовки.
13. Живое дерево благотворно влияет на жизнедеятельность пчелиной семьи, находящейся в дупле. Прежде всего живое дерево участвует в удалении части излишней влаги из дупла за счет действия естественного механизма удаления влаги проводящей системой дерева.
14. При наступлении продолжительного периода низких отрицательных температур (ниже —15...20 °С) дерево переходит в состояние вынужденного (экзогенного) покоя, при котором функционирование механизма удаления влаги проводящей системой будет носить ограниченный характер, а в отдельные периоды очень низких температур и вовсе прекращаться. В этом случае излишняя влага из гнезда будет накапливаться в ситовине нижней холодной части дупла, не оказывая негативного влияния на семью пчел, находящуюся в теплой верхней части дупла.
15. В зимнее время холодный и тяжелый наружный воздух будет поступать в дупло через нижнюю половину летка и заполнять собою нижнюю часть дупла. Это процесс будет продолжаться до тех пор, пока давление воздуха в верхней закрытой и теплой зоне дупла не уравняется с давлением воздуха в нижней холодной зоне. Когда наружный тяжелый воздух поднимется выше верхнего среза летка, он закупорит, как поршнем, менее плотный теплый воздух клуба в верхнем герметичном объеме. В этом состоянии (пассивная фаза воздухообмена) потребление семьей О₂ и удаление СО₂ и части влаги будет происходить за счет явления диффузии через границу раздела зон теплого отработанного и холодного свежего воздуха.
16. После использования свежего воздуха и при повышении концентрации углекислого газа за пределами клуба выше 3—4% пчелы начинают активное вентилирование дупла (активная фаза воздухообмена). В результате этого отработанный теплый воздух под небольшим избыточным давлением оттесняет холодный воздух вниз и сам начинает выходить наружу через верхнюю часть летка. Это приведет к тому, что через нижнюю половину летка свежий наружный воздух начинает поступать в нижнюю часть дупла.
17. После окончания активного вентилирования нижняя часть дупла окажется заполненной свежим воздухом, который, поднимаясь вверх, снова закупорит своей массой теплый воздух гнездовой полости. Опять наступит пассивная фаза воздухообмена, которая продлится до начала очередной активной фазы воздухообмена, и так эти циклы будут повторяться сколь угодно долго.
18. Таким образом, в зимнее время обмен воздуха в дупле и удаление продуктов жизнедеятельности пчел из гнезда осуществляется двумя путями — за счет диффузии в нижнюю часть дупла (пассивная фаза воздухообмена) и за счет создания избыточного давления пчелами-вентилировщицами и выноса отработанного воздуха через леток наружу (активная фаза воздухообмена). Но в любом случае в верхней части дупла сохраняется своеобразный тепловой «колпак», герметически закрытый сверху и полностью открытый снизу.

Удаление избыточной влаги из дупла происходит также и за счет действия механизма удаления влаги проводящей системой живого дерева. Совместное действие указанных факторов создает оптимальный микроклимат внутри природного жилища пчел — типичного дупла в живом дереве.

19. Типичное дупло достаточного объема и формы является оптимальным (наилучшим) жилищем для пчел из всех известных естественных жилищ.

Дупла меньшего объема, дупла другой формы, а так­же дупла в сухих деревьях не могут являться опти­мальными жилищами для пчел.

20. При конструировании и изготовлении качественных искусственных жилищ для пчел алгоритмом работы должно быть не копирование физических параметров дупла, а натурное воспроизведение термодинамических процессов и механизмов влаго- и воздухообмена, присущих типичному дуплу в живом дереве.