Самоорганизация в процессе реагирования пчел на охлаждение

Самоорганизация в процессе реагирования пчел на охлаждение*

В.А. Тобоев, к.ф.-м.н, доцент, Чувашский ГУ

Как известно, биологические системы функционируют без внешнего управляющего воздействия или внутреннего «дирижера». Они существуют благодаря механизму децентрализованного управления, согласно которому многочисленные подсистемы (молекулы клетки, клетки организма, организмы — группы), входящие в состав системы, функционируют, используя лишь ограниченную, локальную информацию [1, 2]. При этом все подсистемы тесно взаимодействуют между собой.

По мнению большинства авторов [3, 4, 5], взаимосвязь и взаимодействие между подсистемами формирует кооперативность и ритмическую согласованность всей целостной системы. То есть возникает некоторая качественная определенность, присущая всей совокупности и обладающая интегративным свойством. Это интегративное свойство определяет границы системы, изменяющие и разрушающие при его исчезновениях. При этом эволюция системы задается несколькими возможными состояниями динамического равновесия [6, 7]. Это равновесие достигается не за счет полной автономизации подсистем, а за счет возникновения особого рода когерентных структур. Система при этом приходит не к хаосу и распаду, а к порядку и структурированности.

В качестве объекта исследований нами использована семья медоносных пчел. У них осо-

бенно высока консолидация, взаимосвязь и взаимозависимость членов семьи (подсистем) [8], что обуславливает целесообразность их использования для моделирования и изучения процессов самоорганизации в сложных системах с децентрализованным управлением.

У пчел явно прослеживается использование децентрализованного управления при регуляции внутригнездовой температуры. По-видимому, это связано с тем, что рабочие пчелы (подсистемы) не формируют устойчивых связей между собой, т.е. в определенной мере существует недостаток коммуникаций (информационной связи) между ними. Например, в настоящее время нет убедительных доказательств какого-либо контакта между пчелами периферии и теплового центра. К тому же децентрализованное управление целесообразнее в тех ситуациях, где высокие затраты на управление ничем не оправданы.

Рассмотрим динамику холодового агрегирования пчел. Очевидно, это не одномоментный процесс, связанный с понижением температуры. Начиная с 20—16°С пчелы, спорадически образуют небольшие временные скопления на сотах с кормом. По мере понижения температуры до уровня, стимулирующего холодовое оцепенение, активность агрегирования пчел возрастает [9—11]. При такой перестройке прослеживается согласованность в реагировании отдельных пчел на холодовое воздействие, направленное на поддержание стабильной и достаточно высокой тем-

и 0,6-,

Он °-4 - •'

I* /

в. 0,2-и

с

I 0,0-

н .

8 -0,2- ,

& Л /

^ -0,4

И ^

I" ‘

*0Н -0,6----

ноябрь декабрь январь февраль март

Рис. - Нормированные значения крупномасштабных флуктуаций внешней температуры (3) и температуры в тепловом центре семей, содержащих разное количество пчел: 1 - в семье около 18 тыс. пчел, 2 - около 10 тыс. пчел

пературы (24—32°С) в определенной зоне гнезда, называемой тепловым центром.

В процессе агрегирования пчелы, по-видимому, с точки зрения целостной структуры, функционируют как простые объекты с малым числом эффективных степеней свободы. При этом каждая пчела внутри скопления в зависимости от местоположения и функциональных возможностей может находиться в трех состояниях: покоя, активной термогенерации и неглубокого оцепенения. С точки зрения минимизации энергетических затрат, а значит и потребления корма, предпочтительнее для нее тот температурный режим, который обеспечивает минимальную продолжительность периода активности и максимальную — оцепенения. Однако пчелы не могут долго находиться в состоянии оцепенения, при малейшем увеличении температуры, они стараются уйти из этого состояния, передвигаясь по температурному градиенту. Поэтому постоянная миграция пчел в теплую часть гнезда, а из нее на периферию и возможность увеличения метаболической активности при определенных температурах за счет микровибраций грудных мышц позволяют им адекватно реагировать на изменения внешней температуры, сохраняя или изменяя как пространственную структуру, так и длительность поддержания температурных параметров в различных зонах гнезда [5, 12].

Проведенные нами исследования тепловых полей внутри скоплений пчел показывают, что температура внутри такой целостной структуры (в тепловом центре) характеризуется высокой степенью устойчивости: диапазон ее суточных изменений не превышает 1—2°С. При этом наибольшие флуктуации внутригнездовой температуры характерны для начальных этапов Холодовой агрегации. К середине зимовки пчелиные семьи адаптируются к внешним условиям, и тепловой режим стабилизируется (рис.).

Таким образом, в зависимости от состояния семьи и внешних условий, каждая пчела включается в иерархию, в системную упорядоченность, она встраивается в процессы взаимосвязи, детерминированные уровнями структурирования. Из этого следует, что самоорганизация в жизни пчелиных семей сопровождается нарушением (изменением) симметрии структуры и увеличением или уменьшением координирующих внешних стимулов.

Литература

1. Camazine, S. Self-organization pattern formation on the comb of honey bee colonies // Behavioral Ecology and Sociobiology. 1991. v. 28. pp. 61-76.

2. Seeley T.D. and Visscher, P.K. Group decision making in nest-site selection by honey bees // Apidologie. 2004. v. 35. pp. 1-16.

3. Романовский, Ю.М. Математическая биофизика / Ю.М. Романовский, Н.В. Степанова, Д.С. Чернавский. М.: Наука. 1984.

4. Николис, Ж. Самоорганизация в неравновесных системах / Ж. Николис, И. Пригожин. М.: Мир. 1979.

5. Еськов, Е.К. Экология медоносной пчелы. Рязань: Русское слово. 1995.

6. Асташкина, Е.В. Флуктуации в процессе самоорганизации. В кн. Математические модели в экологии / Е.В. Асташкина, Ю.М. Романовский. Горький: Изд-во ГГУ. 1980. С. 74-82.

7. Князева, Е.Н. Законы эволюции и самоорганизации в сложных системах / Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов. М.: Наука. 1994.

8. Еськов, Е.К. Индивидуальные и социальные адаптации медоносной пчелы к зимовке // Успехи современной биологии. 2003. Т. 123. № 4. С. 383-390.

9. Еськов, Е.К. Микроклимат пчелиного жилища. М.: Рос-ссельхозиздат. 1983. 191 с.

10. Southwick E.E., Heldmaier G. Temperature control in honey bee colonies. Bio Sci. 1987. 37. p. 395-399.

11. Seeley, T.D., Camazine, S., Sneyd, J. Collective decision making in honey bees: how colonies choose among nectar sources // Behavioral Ecology and Sociobiology. 1991. v. 28. pp. 277-290.

12. Еськов, Е.К. Реагирование зимующей пчелиной семьи на холодовое воздействие / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Материалы 1-й межд., 3-й Всероссийск. науч.-практ. конф. «Пчеловодство холодного и умеренного климата». Москва. 2006. с. 19-24.