Медоносные пчелы находятся под сильным давлением. С 2010 года пчеловоды в США ежегодно теряют, а затем заменяют в среднем 40% семей медоносных пчел, что, вероятно, является неустойчивым и неприемлемым для других видов хозяйств. Наибольший вклад в это снижение вносят вирусы, распространяемые паразитом Varroa Destructor. Но это не естественная ситуация. Паразиты распространяются благодаря пчеловодству, в том числе содержанию пчел в условиях, сильно отличающихся от их естественного обитания в дуплах деревьев.
Несколько лет назад я продемонстрировал, что теплопотери в искусственных ульях для медоносных пчел во много раз превышают теплопотери в естественных гнездах. Теперь, используя инженерные методы, которые обычно применяются при решении промышленных проблем, я показал, что современная конструкция искусственных ульев также создает более низкий уровень влажности, благоприятный для паразита Варроа.
Естественные гнезда в дуплах деревьев создают высокий уровень влажности, при котором медоносные пчелы процветают и не дают варроа размножаться. Поэтому, если мы сможем изменить конструкцию ульев, чтобы воссоздать эти условия, мы сможем остановить паразита и дать медоносным пчелам шанс на выздоровление.
Жизнь колонии медоносных пчел тесно переплетена с ее домом. Это видно по тому, как искусно медоносные пчелы выбирают гнезда нужных размеров и свойств и как усердно они их обустраивают. По сути, гнездо можно рассматривать как часть самой медоносной пчелы — понятие, которое в биологии известно как «расширенный фенотип«, обозначающее все способы влияния генов существа на окружающий мир.
Возможно, самым распространенным примером расширенного фенотипа является бобр, который формирует свою среду обитания, контролируя поток воды с помощью плотин. Гнезда позволяют медоносным пчелам аналогичным образом регулировать окружающую среду, контролируя потоки двух жидкостей — воздуха и водяного пара — и того, что действует как жидкость, — тепла.
Медоносные пчелы выбирают дупло дерева с входом внизу, чтобы горячий воздух, поднимающийся внутри гнезда, имел меньше шансов выйти наружу. Затем они модифицируют его, нанося антибактериальный паронепроницаемый герметик из древесной смолы (прополис) на внутренние стенки и все мелкие отверстия или трещины. Это предотвращает утечку теплого воздуха и помогает поддерживать необходимый уровень водяного пара. Внутри гнезда пчёлы строят соты, состоящие из тысяч ячеек, каждая из которых обеспечивает изолированный микроклимат для выращивания личинок (пчелиных маток) или производства мёда.
Неестественные конструкции
Несмотря на важность гнезд для медоносных пчел, ульи, которые мы строим, мало похожи на естественные древесные гнезда, в которых эволюционировали европейские медоносные пчелы, и обладают лишь некоторыми их свойствами. В XXI веке мы все еще используем ульи, разработанные в 1930-1940-х годах на основе идей 1850-х годов. Научное исследование естественных гнезд было проведено только в 1974 году, а изучение их физических свойств началось только в 2012 году.
Искусственные ульи — приземистые и квадратные (например, высотой 45 см), построенные из тонкого дерева (толщиной примерно 2 см) с большими входами (около 60 см²) и часто с большими отверстиями из проволочной сетки под ними. Они были разработаны для того, чтобы быть дешевыми и чтобы пчеловоды могли легко получить доступ к пчёлам и удалить мёд. В отличие от них, европейские медоносные пчёлы эволюционировали с естественными гнездами на деревьях, которые в среднем высокие (около 150 см), узкие (20 см), с толстыми стенками (15 см) и маленькими входами (7 см²).
Чтобы оценить, насколько хорошо искусственные ульи воссоздают условия естественных гнезд, мне нужно было измерить потоки жидкостей (воздуха, водяного пара и тепла) вокруг них. Для этого я обратился к разделу физической и инженерной науки под названием «термофлюиды» — изучению жидкостей, газов и твердых тел при горении, а также изменений состояния, массы и движения энергии.
В гнезде медоносной пчелы это означает «сгорание» сахаров в меде и нектаре, испарение и конденсацию воды, а также движение воздуха через гнездо. Сюда же относится все, что пчелы переносят через вход или просачивают через стенки.
Различные барьеры, которые создают гнезда медоносных пчел, можно использовать в качестве удобных границ в математических моделях необходимых затрат энергии и влажности, образующихся внутри гнезда. В моем новом исследовании эти модели объединены с данными экспериментальных исследований тепловых свойств гнезд и ульев медоносных пчел и поведенческих исследований того, как медоносные пчелы вентилируют свое гнездо.
Это позволило мне сравнить среднюю влажность в искусственных ульях и гнездах на деревьях с влажностью, необходимой медоносным пчелам и их паразитам. Я обнаружил, что в большинстве искусственных ульев теплопотери в семь раз выше, а размер входа в восемь раз больше, чем в гнездах на деревьях. Это создает более низкий уровень влажности, благоприятный для паразитов.
Мои исследования показывают, что роль гнезда медоносной пчелы гораздо сложнее, чем простое укрытие. Простые изменения в конструкции ульев, направленные на снижение теплопотерь и повышение влажности, например, использование меньших входов и более толстых стенок, могут снизить стресс для колоний медоносных пчел, вызванный Varroa Destructor. Мы уже знаем, что простое строительство ульев из полистирола вместо дерева может значительно повысить выживаемость и медопродуктивность пчел. Дальнейшие исследования термофлюидической сложности гнезд позволят нам разработать оптимальные ульи, в которых будут сбалансированы потребности медоносных пчел и людей, содержащих их.