Как пчёлы охлаждают улей в жаркие дни
Учёные из Гарварда выяснили, как медоносные пчёлы самоорганизуются для вентиляции гнезда в жару, используя простые правила и законы физики.
Механизм коллективного охлаждения
В жаркие дни группа пчёл перемещается ко входу в улей (часто узкому, как в дупле дерева) и использует крылья как вентиляторы, выталкивая горячий воздух и втягивая прохладный. Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Департамента организменной и эволюционной биологии (OEB) разработали модель, объясняющую, как пчёлы используют сигналы среды для коллективной организации этого процесса.
Результаты экспериментов и моделирования
В ходе экспериментов летом 2017 года учёные наблюдали за искусственными ульями на полевой станции Гарварда. Они измерили температуру, воздушные потоки и расположение пчёл-вентиляторщиц. Было обнаружено, что пчёлы не распределяются равномерно по всему входу, а кластеризуются в самых горячих зонах, разделяя области с максимальным оттоком горячего воздуха и области с максимальным притоком холодного.
Ключевой фактор: у разных пчёл разный температурный порог, при котором они начинают обмахивать крыльями. Эта индивидуальная изменчивость позволяет колонии лучше реагировать на колебания температуры.
Моделирование показало, что такое поведение тесно связано с физикой среды улья:
- Обмахивание наружу позволяет пчёлам чувствовать температуру внутри гнезда.
- Разные температурные пороги обеспечивают более стабильную и непрерывную вентиляцию.
- Кластеризация и разделение потоков (вход/выход) повышает эффективность охлаждения благодаря физике трения и потока воздуха.
Значение исследования
Как отметил старший автор работы, профессор Л. Махадеван, социальные насекомые эволюционно научились коллективно решать физиологические проблемы, такие как терморегуляция, в масштабах, превышающих возможности одной особи.
«Мы показали, что пчёлам не нужна сложная система коммуникации для охлаждения улья. Ответная реакция отдельных особей на изменение температуры и физика потока жидкости сами по себе приводят к их коллективной пространственной организации, которая оказывается эффективным решением», — сказал первый автор статьи, постдок Джейкоб Питерс.
Исследование, опубликованное в Journal of the Royal Society Interface, демонстрирует, как биоинспирированные самоорганизующиеся системы (например, для вентиляции или охлаждения электроники) могут лучше адаптироваться к конкретным условиям. Оно также подчёркивает необходимость рассматривать биологические организмы и их физическую среду как единое целое для понимания коллективной эко-физиологии.