Акустический контроль
Метод акустического контроля появился вместе с пчеловодством. Постучав по колоде или плетенке с пчелами, сразу можно было услышать, что они живы и готовы защищать свои запасы. Впоследствии,
вооружившись стетоскопом, пчеловоды стали слушать пчел, вставив трубку в леток или приложив к улью, оценивая интенсивность и характер звуков. В XX в. изучение перешло на новый уровень благодаря электронным приборам, способным исследовать акустический спектр звуков. Первым прибором для практического использования стал апидиктор Эдди Вудса, который позволял выделить один из наиболее важных сигналов пчел — сигнал «пения» улья на частоте около 250 Гц. Этот сигнал позволяет контролировать наличие и состояние матки в семье. Цена, громоздкость и сложность использования прибора ограничили его применение.
У насекомых нет голоса и слуха в нашем понимании. Они могут создавать вибрационные сигналы и улавливать их с помощью элементов своего тела. Пчелы издают сигналы, которые распространяются в двух средах: воздухе и твердых материалах (соты, рамки, корпус улья) — и улавливают их чувствительными элементами, расположенными в лапках и усиках. Оттуда сигнал поступает в мозг пчелы для распознавания.
Пчелы создают вибрационные сигналы двумя способами. Первый — движение крыльев в процессе вентилирования улья и полета, которое сопровождается специфическими звуками в диапазоне самых нижних частот. Они не являются информативными для пчел, но важны для нас. Второй способ — вибрация торакса. Главные элементы, создающие звук, — хитиновые тергиты пчелы. Для нас это важно, потому что объясняет возможность использования одного и того же алгоритма при работе с разными породами медоносных пчел. Ведь технически размеры вибрирующих элементов одинаковы, значит, и диапазон генерируемых вибраций и звуков одинаков у всех пород пчел.
Диапазон низких частот от 70 до 180 Гц (рис. 1) соответствует звукам, издаваемым пчелами при вентиляции жилища. На изменение интенсивности этих звуков и смещение пика сигнала в этом диапазоне влияет соответствие микроклимата гнезда состоянию семьи. При перегреве гнезда вентиляция усиливается, при охлаждении снижается; при большом приносе нектара и потребности удалить из него воду также усиливается; возрастает она и в период зимовки при повышении в улье температуры и концентрации углекислого газа. Высокочастотная часть диапазона вентиляции частично пересекается со звуками, издаваемыми трутнями при полете. Диапазон средних частот от 200 до 400 Гц характеризует внутриульевую активность пчел, их работу. В звуковом фоне роя после заселения в новый улей диапазон 300-325 Гц является наиболее интенсивным, так как первые дни посвящены внутриульевым работам и строительству сотов.
Проявляя кормособирательную активность, пчелы во время танца издают звуки частотой около 200-300 Гц. Сигналы фуражиров также лежат в двух диапазонах, один из которых составляет около 265 Гц. Отсутствие в природе корма сдвигает пик интенсивности сигналов в область 200-240 Гц. С появлением медосбора он перемещается в высокочастотную часть диапазона. При зимовке звуки диапазона средних частот характеризуют беспокойство пчел в связи с зараженностью варроатозом. Чем сильнее поражена семья, тем больше пчел и сильнее беспокоят клещи, тем дальше сдвигается пик интенсивности в область высоких частот.
Джонстоновский орган, с помощью которого пчелы могут слышать вибрации, максимально реагирует именно на диапазон работы. Во время медосбора молодые, свободные от работы пчелы разного возраста находятся около летка в ожидании звуков частотой 265 Гц. Их издают фуражиры, либо желающие разгрузиться и ищущие для этого молодых пчел, либо приглашающие новых летных пчел за нектаром при высоком медосборе и нехватке фуражиров. При сбалансированном количестве пчел, работающих на медосборе, интенсивность этого звука падает.
Диапазон верхних частот 400-550 Гц считается показателем возбуждения пчел и областью сигналов, имеющих мобилизационное значение. Возрастание составляющих этого диапазона замечено перед выходом роя, в периоды облетов, под влиянием стимуляции, резко изменяющей функциональное состояние пчел. Звуки в диапазоне возбуждения имеют наибольшую интенсивность в начале дня в часы первого приноса и выгрузки меда, а в течение дня стихают. Это также один из диапазонов сигналов пчел-фуражиров.
Расположение меда, перги, расплода и свободных зон в пчелином гнезде может варьировать в зависимости от конкретных условий жизни пчел и места, которое они выбрали для жилища, но в целом всегда остается неизменным. При любом варианте мед находится максимально далеко от входа в улей, обычно в верхней части сотов. Ближе к центру располагаются запасы перги. Всю центральную часть гнезда занимает расплод. Нижняя передняя часть сотов обычно пустует, но это самое оживленное место в улье — логистический центр. Именно здесь летные пчелы выгружают нектар, передают для обработки молодым особям и исполняют мобилизующие танцы. В этой же части улья сходятся воздушные потоки от пчел, вентилирующих гнездо. Тут также дежурят охранницы летка.
На небольшом участке гнезда в логистической зоне пересекается много функций. Поэтому именно здесь и целесообразно проводить замеры акустических сигналов в дневное время для оценки работы семьи, наличия и количества пассивных пчел, возможность роевого состояния.
У пчел отсутствует иерархическая структура. Нет возможности определить, есть ли особи, которые управляют работами в улье и отдают команды. Пчелиная семья — саморегулирующийся социум, работающий на общую цель выживания вида. В основе любой саморегулирующейся системы лежат информация и коммуникация. Отдельные индивидуумы являются датчиками. Они получают специфическую информацию и доводят до сведения остального социума. Чем большему количеству индивидов они ее передадут, тем быстрее сообщество отреагирует и система будет оптимально сбалансирована. В основе системы передачи информации у пчел лежат вибрационные сигналы. Тело пчелы создает вибрацию весьма высокой мощности. Прижимая тело к поверхности сотов или улья, на которых пчела находится, она распространяет вибрационный сигнал по материалу, доводя до ближайших особей, возбуждая их чувствительные рецепторы. Дальность распространения таких сигналов не велика, и чувствует их не весь улей. Человек воспринимает вибрационные сигналы пчел как звук.
Рассмотрим работу одного из важнейших участков саморегулирующейся системы — регулирование деятельности пчел на медосборе. К этому моменту они готовятся всю жизнь, и качество его использования определяет состояние всей семьи. На медосборе пчелы четко дифференцируются по выполняемым функциям, и прекрасно видны незанятые особи. Изучая акустические сигналы, можно косвенно получить информацию о возрастном составе пчелиной семьи и объемах выполняемых в улье работ.
В начале лета перед главным медосбором молодые пчелы, достигшие оптимального для выделения воска возраста, готовят или обновляют соты, которые станут складом для меда. После этого из группы пчел другого возраста формируется группа приемщиц. Их задача — забрать нектар у прилетающих фуражиров, обеспечить его доставку на склад и первичную ферментацию, которая занимает около 15 мин. В это время пчела выпускает капельку нектара из хоботка и снова втягивает в зобик, обогащая ферментами слюны и выпаривая часть влаги. Часть нектара уходит на кормление молодых пчел и расплода, остальное попадает на склад для дальнейшей обработки, а приемщица снова спешит в логистическую зону и располагается по направлению к летку в ожидании фуражиров. Чем больше приемщиц и меньше фуражиров, тем ближе к летку находится логистическая зона и тем раньше ульевые пчелы готовы встретить летных и забрать у них нектар.
Если растения выделяют много нектара и сбор меда может быть большим, фуражиры начинают исполнять виляющие танцы (waggle dance). Они содержат в себе вызов новых фуражиров и объяснения, куда и за чем лететь. Так система приводит к равновесию свойства природы и силу семьи, наращивая летные возможности. Но через какое-то время поток фуражиров начинает преобладать, а время ожидания разгрузки расти. Это дезорганизует нормальную работу. Фуражирам приходится самим нести мед в сторону склада и терять время, поэтому они начинают танцевать вибрирующий танец (tremble dance), сообщая о своем нетерпении и требуя увеличить количество приемщиц нектара. Проскочив нулевое положение, система начинает обратное движение (рис. 2).
Таким образом, главным фактором, определяющим какой танец исполняют фуражиры, является время ожидания разгрузки. Система стремится поддержать оптимальный баланс, но поскольку она не имеет четкого командного центра, то ее регулирование требует большого количества «переговоров», которые фиксирует прибор акустического контроля как сигналы в диапазонах работы и возбуждения. Наибольшее количество одинаковых звуков издают танцующие фуражиры, часть составляют модулирующие сигналы, обеспечивающие перераспределение работ.
Поскольку вся регулирующая информация о медосборной активности поступает из зоны, расположенной вблизи летка, значит, ее и нужно прослушивать в дневное время. На рисунке 3 хорошо видно, что она меняет свое положение в течение дня в зависимости от колебаний системы. При большом притоке нектара и нехватке пчел-приемщиц зона активности несколько отодвигается от летка в глубину гнезда, при избытке выдвигается практически в леток, а иногда и за него. Оптимальное место для микрофона находится в 5-10 см вглубь летка. Но, как мы уже говорили, это верно для дневного времени. Вечером структура работ меняется. С окончанием полетов пчел центр выполняемых при медосборе работ перемещается вверх, в складскую зону. Проведя здесь измерения, можно узнать, хороший ли был сегодня принос нектара. Оценивать силу работы на медосборе лучше во время пика летной активности, направляя акустический прибор через леток в сторону логистической зоны.
Совершенно аналогично работает система снабжения улья водой. Пчелы используют ее для питья, а еще чтобы охлаждать гнездо в жаркую погоду: с помощью воды пчелы регулируют температуру в гнезде. Когда улей перегрет (выше 35°С), пчелы-водоносы активно выполняют такие же мобилизационные танцы, что и фуражиры. После того как гнездо охладится, танцев становится меньше, а количество пчел, носящих воду, постепенно снижается. Пчелы-водоносы ориентируют свою деятельность только по быстроте, с которой у них забирают воду в улье. Если это занимает 2 мин или менее, пчелы летают за водой непрерывно. Если передача воды ульевым пчелам занимает 2-3 мин, то водоносы работают с перерывами. Если время ожидания становится еще больше, то поступление воды в улей прекращается. Мобилизационные танцы прекращаются, если передача воды занимает более 2 мин.
Если пчелы чувствуют острый дефицит воды, то уже на летке водоносов встречают 2-3 пчелы. А если потребность умеренная, то одна пчела. Либо пчела-водонос должна пройти немного вглубь, прежде чем ее разгрузят ульевые особи. Логистическая зона смещается внутрь улья. Если вода семье не нужна, водоносам придется очень долго бродить по сотам, пока не опустошат свой резервуар.
Система работы логистической зоны распространяется и на мед, и на воду. В обоих случаях она использует одинаковые модулирующие сигналы и работает по принципу самобалансирующейся системы с обратной связью, в основе регулирования которой лежит интервал времени, в течение которого ульевые пчелы забирают принесенный продукт.
Совместные усилия социальных насекомых часто регулируются коллективными решениями, которые возникают благодаря децентрализованным системам контроля. Многие виды деятельности пчел требуют для их выполнения совместных действий множества особей одновременно, зачастую в различных частях гнезда. Важно понимать механизмы организации информационных потоков между группами пчел, занимающихся различными видами деятельности с единой целью, и между пчелами внутри групп.
У всех общественных насекомых поведение зависит от комплексной системы сигнализации и распределения рабочих задач. Все сигналы этой системы можно разделить на две основные группы. Первая включает в себя основные рабочие сигналы: такие как виляющий танец (waggle dance), дрожащий танец (tremble dance), ухаживающий танец (grooming dance), — которые используют в специфической обстановке. Они достигают небольшой группы пчел и вызывают конкретный отклик. Эти сигналы помогают решать одну или две специфические задачи внутри ограниченной группы особей.
Деятельность рабочих групп пчел, имеющих различные задачи и стимулы, частично координируется с помощью второй группы сигналов — модулирующих. Они продуцируются в различных ситуациях и вызывают неспецифические отклики, заставляя перераспределять работников по различным группам со специфическими задачами. Модулирующие сигналы могут влиять на большое число особей одновременно, изменяя участие пчел во многих видах деятельности. Это один из важнейших компонентов в организации работы пчел. Примером может служить вибрирующий сигнал, который генерирует рабочая пчела, дорсо-вентрально вибрируя телом в течение 1-2 с, обычно при этом держа получателя сигнала передними ногами. Как правило, вибрирующие пчелы перемещаются по большим площадям сотов и продуцируют серии таких сигналов, иногда до 20 сигналов и более в минуту, на протяжении времени от нескольких минут до 1 ч. Это самый распространенный сигнал в пчелиной семье, который появляется в различные моменты ее жизнедеятельности и распространяется на многих особей: рабочих пчел всех возрастов, плодных и неплодных маток. Он вызывает всеобщий подъем активности в очень широком диапазоне видов деятельности (сбор нектара, уход за расплодом, вывод матки, репродукция семьи и выход роя и другие).
В среднем только 13% рабочих пчел за всю свою жизнь производят вибрационные сигналы без ограничений по возрасту. Большинство сигналов издают старые рабочие пчелы в возрасте фуражиров, потому что сбор меда является основополагающим фактором в жизни пчелиной семьи. Тем не менее 10-20% всех сигналов в семье не имеет прямой связи со сбором меда, их производят молодые пчелы. Треть этих сигналов они издают во время ориентировочных облетов.
Таким образом, сигналы издают небольшое количество рабочих пчел в соответствии с обстановкой и возрастными задачами. Один такой сигнал может влиять на многие группы пчел, занимающихся разными видами деятельности. Ответ пчел не бывает мгновенным. Как правило, его можно заметить лишь через 15-30 мин. Старые пчелы выдвигаются в сторону летка ближе к логистической зоне, молодые, напротив, больше времени отдают уходу за расплодом, обработке меда, строительству сотов. Одна из версий использования вибрационных сигналов — они активизируют работу, а также увеличивают число выполняемых работ или изменяют их состав. Интенсивность модулирующих сигналов, очевидно, возрастает ранней весной, когда нужно нарастить силу семьи при ограниченных ресурсах, поэтому необходимо четко регулировать деятельность всех пчел. Аналогичный случай — вселение роя в новое жилище. Также при наличии ограниченных ресурсов требуется в кратчайшие сроки выстроить гнездо, чтобы начать выращивать расплод и собирать мед. Ученые подтверждают повышенное возбуждение в рое иногда до одного месяца после заселения в новый улей. Рост интенсивности модулирующих сигналов также отмечается при выходе второго роя, который может оставить материнскую семью без маток. Во время медосбора тоже существуют максимумы и минимумы сигнальной активности пчел.
Многие вибрационные сигналы демонстрируют немедленную ассоциацию с медосборной активностью и в среднем 10-25% связаны с танцами пчел или генерацией сигналов в процессе переноски пыльцы. Некоторые другие аспекты жизни пчелиной семьи тоже вызывают генерацию вибрационных сигналов: возобновление или усиление медосбора после его прекращения или ослабления, контакт с танцующими фуражирами, изменения в потребностях продуктов для семьи, новые более сильные источники медосбора, сезонные изменения в медоносной флоре. Общий уровень сигналов семьи колеблется в течение дня и имеет свои, ярко выраженные ритмы, связанные со сбором меда.
Малые пики сигнальной активности возникают в послеобеденные часы и часто совпадают с усилением активности виляющих танцев. Более сильные пики наблюдаются рано утром и могут на несколько часов предшествовать началу медосборной активности. Экспериментально установлен факт, что если пчелам 2-4 дня не давать возможность собирать нектар, то утренний пик исчезает, но он восстановится в течение 3-4 дней активного сбора корма. Большинство этих утренних сигналов производят фуражиры, которые собрали много нектара в прошедший день. То есть большой размер утреннего пика говорит о богатом медосборе в предыдущие дни и дарит надежду на хороший медосбор в этом. Интенсивность утренних сигналов положительно соотносится с количеством виляющих танцев, которые происходят в этот день, а также с вечерним пиком интенсивности сигналов, характеризующим результат дня работы. Успех в медосборе предшествующего дня и хорошие запасы нектара, найденные фуражирами, становятся утром всем известны и при удачном сочетании погоды и активности пчел приводят к регулярной нехватке фуражиров, что выражается в периодическом запросе с исполнением виляющего танца. После этого количество пчел на некоторое время сбалансируется, затем цикл повторяется опять. При нехватке приемщиц и длительном ожидании разгрузки возникают дрожащие танцы, требующие увеличения численности приемщиц.
Таким образом, основной объем вибрационных сигналов так или иначе связан с необходимостью синхронизации работ по сбору и обработке нектара. Распределение функций и задачи прочно взаимосвязаны. Определенными работами занимаются пчелы определенного возраста, их деятельность напрямую зависит от количества расплода, меда, пыльцы, что, в свою очередь, влияет на работу старых пчел и на стоящие перед ними задачи. Вечерний пик также может быть достаточно большим, и его уровень связан напрямую с успехом дневного медосбора. Активность сигнальщиков обычно возрастает вечером, когда медосборная активность снижается, а вот обработка меда и уход за расплодом должны продолжаться. Это подтверждается большим разнообразием откликов получателей сигнала и видно в режиме «Мониторинг» по увеличению амплитуды фоновых составляющих сигнала. Появляется очень много узких пиков почти во всем диапазоне сигналов. Это означает малочисленность и разрозненность групп пчел, которые их создают. После этого они объединяются в новые группы, создавая на экране в режиме «Мониторинг» новые сигналы большой интенсивности, которые означают, что часть пчел сменила вид деятельности и присоединилась к другой группе работников.
Теория и эксперименты американских ученых полностью согласуются с нашими наблюдениями и рекомендациями, которые даем тем, кто будет использовать наш прибор. Основная рекомендация — если хотите определить общее состояние семьи, то лучше всего это делать максимально близко к пику летной активности. Пассивных пчел должно быть минимальное количество. Если хотите узнать, какой был медосбор в предыдущий день, то можете получить локальные данные, делая измерения с 7 до 9 ч утра. Конечно, время зависит и от погоды. Его можно определить для своего региона экспериментально. Вечерний замер в период от снижения до полного прекращения летной активности, с 16 до 19 ч, дает примерное понимание итогов прошедшего рабочего дня. Локальные данные, полученные в это время, определяют объемы предполагаемых пчелами вечерних и ночных работ. Ночные измерения, производимые сверху рамок через холстик, с учетом длительности интервала времени, прошедшего после прекращения полетов пчел, помогут понять объем нектара, оставшегося к вечеру и подлежащего дальнейшей обработке и хранению. Чем больше был дневной принос нектара, тем дольше пчелы заняты его интенсивной обработкой.
Поставив перед собой цель обобщить знания об акустических сигналах пчел, использовали открытые источники из США, России, Англии, Испании. К сожалению, ни одна из методик не показалась подходящей для нового прибора. При этом основная техническая сложность — постоянная изменчивость сигналов. Отдельные сигналы и весь общий фон улья непрерывно пульсируют, никогда не оставаясь в покое. Это создает большие сложности с обработкой звуков и выделением информативных составляющих.
Наряду с прибором для акустической диагностики APIVOX AUDITOR разработали собственный метод анализа, который позволяет получать достаточно стабильные результаты, хорошо описывающие общее состояние семьи пчел. Основные режимы прибора следующие.
Режим «Мониторинг» предназначен для ежедневного оперативного контроля опытными пчеловодами. Время, затраченное на оценку каждой пчелиной семьи, составляет около 15-20 с.
Режим «Контроль общего состояния» наиболее подходит для оценки семей пчел в любое время года и суток. Прибор в этом режиме производит несколько серий измерений, а затем усредняет полученные значения по специальному алгоритму. Этот метод позволяет избавиться от помех и дает пчеловоду наиболее достоверную информацию. Режим особенно хорошо подходит начинающим пчеловодам, потому что после тестирования прибор выдает текстовое сообщение с описанием ситуации в улье и делает прогнозы. В этом режиме учитываются сезонные и временные изменения, происходящие в пчелиной семье, он помогает контролировать пчел зимой так же легко, как и летом.
Режим «Контроль готовности» используют при замене матки, а также во время деления семьи и создания отводков. APIVOX AUDITOR улавливает в качестве основного сигнала ощущение безматочности, испытываемое пчелами через некоторое время после удаления старой матки. Это наиболее благоприятный момент, чтобы подсадить новую.
Режим «Контроль приема» позволяет услышать настроение пчел и сделать прогноз, будет ли новая матка принята или убита.
Режим «Контроль роения» — специализированная процедура, которую проводят в период наибольшей вероятности перехода пчелиных семей в роевое состояние. APIVOX AUDITOR в срок до 14 дней, до того как рой может уйти, сообщит об этом. Основной причиной роения являются пассивные пчелы. И когда производимые ими звуки становятся достаточно громкими, можно определить, что начинается процесс роения.
Режим «Новый Апидиктор» использует один из самых старых методов работы с пчелами — удар рукой по улью и ответ на него пчелиной семьи. Он используется в летнее и зимнее время для диагностики состояния пчел, наличия и качества матки, а также готовности семьи к роению. Метод был придуман и использован в Апидикторе Э.Вудса. В этом режиме APIVOX AUDITOR использует два сигнала пчел для того, чтобы контролировать семью: «Hiss» и «Warble». В соответствии с комбинацией этих сигналов и соотношением их силы можно сделать прогноз о состоянии пчелиной семьи.
С.ГЛЕБСКИЙ
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
ж-л «Пчеловодство» №5, 6, 2017 г.
Смотрите также
