Раскрыта божественная природа полета пчелы 29.11.2005 | 10:14
Раскрыта божественная природа полета пчелы
Соединение роботомоделирования с замедленной видеосъемкой движения пчел-медоносов помогло исследователям объяснить любопытную аэродинамику полета пчелы.
Инженеры в области аэронавтики предварительно "доказали", что пчелы… не могут летать. Майкл Дикинсон, эксперт по полету насекомых и его коллеги из технологической школы в Пасадене, Калифорния (США), решил исследовать силы, фактически работающие при полете пчелы.
Ранее в 1996 году Чарли Эллингтон из Кембриджского университета (Великобритания) показал, что вихри, проходящие по переднему краю крыльев многих насекомых, являются главным источником для подъема вверх.
Большинство летающих насекомых бьют крыльями, совершая большие махи – они описывают дугу в 145 ° - 165 ° с частотой, определяемой размером тела. Только так они могут создать аэродинамические силы, достаточные для полета. Но эта теория не может объяснить, как тяжелому насекомому с короткими крыльями, типа пчелы, удается поднимать себя в воздух.
Дикинсон и его коллеги сняли летящих пчел с частотой 6.000 кадров в секунду и создали необычную модель движения крыла. Вначале крыло уходит назад по дуге в 90˚, затем при возвратном движении переворачивается, и все это проделывается 230 раз (!) в секунду. Команда создала робота, чтобы измерить величину используемых сил.
У пчелы доминируют более "экзотические" силы, создаваемые изменением направления движения крыла. Дополнительные вихри производятся вращением крыла. “Это походит на пропеллер, где вращаются лопасти”, - отмечают исследователи. Кроме того, крыло возвращается назад в свой собственный "след", что создает большую силу подъема, чем простое колебание воздуха. Наконец, есть другая специфическая сила, известная как “сила добавленной массы”, которая достигает максимума в конце каждого удара, она связана с ускорением, возникающим при изменении направления движения крыла.
Эта работа может помочь при создании пропеллеров или более устойчивых и маневренных самолетов. Данное исследование также “доказывает, что пчелы летают, благодаря Богу”, шутя добавляет Дикинсон.
mignews.com/
Пчела и её орудия
Пчела и её орудия
Эти подвиги ума, эта настойчивость необходимы не только в исследованиях, результаты которых озаряют светом обширные области фактов и явлений. Они необходимы и при решении маленьких, частных вопросов, выяснение которых представляет будни науки. Немало таких опытов пришлось проделать исследователям, например, при изучении летной деятельности пчел, при анализе различных устройств их летательного аппарата.
Что дает пчеле возможность летать?
Грудь ее, по размерам значительно уступающая горошине, сверху и снизу охвачена хитиновыми полукольцами, которые покрывают сплетение мышц, приводящих в движение шесть ножек и четыре крыла.
Эти четыре крыла способны нести пчелу по воздуху со скоростью до шестидесяти пяти километров в час, то есть более километра в минуту. С полной нагрузкой пчела летит медленнее - километр минуты за три.
Прозрачные и отливающие перламутром перепончатые крылья пчелы расчерчены вдоль и вкось креплениями полых жилок. Они - каркас крыла. В спокойном состоянии крылья лежат от груди к брюшку в два слоя, параллельно продольной оси тела.
В полете пчелиное крыло делает за минуту больше двадцати пяти тысяч взмахов, за секунду - четыреста сорок.
При этом сами крылья пчелы полностью лишены мускулов. Закрепленные основаниями между спинным брюшным полукольцами груди, крылья поднимаются опускаются краями грудных полуколец, которые образуют здесь сильный рычаг.
Полукольца же приводятся в движение двумя группами мускулов: одни расположены вдоль груди, другие - вкось. Все мускулы крайне бедны нервами, сеть которых обычно в каждом органе тем гуще, чем интенсивнее он действует.
Непонятно стало, как же в этом случае могут с такой быстротой работать крылья, раз мускулы бедны нервами.
Чтобы разложить работу крыльев на отдельные движения, пришлось применить скоростную киносъемку «лупой времени» — аппаратом, производящим тысячу и больше снимков в секунду.
Когда заснятые такой «лупой» фотографии демонстрируются затем с обычной для кино скоростью - двадцать четыре кадра в секунду, движение воспроизводится замедленным во много десятков раз. Это и дало возможность увидеть на экране важные подробности техники полета.
Анализ снимков показал, что пчела, готовясь к летному старту, подвигает крылья вперед и прочно связывает передние и задние крылья в два треугольных воздушных весла, которые поднимаются почти под прямым углом к груди.
Скоростная съемка помогла увидеть, как расправленные крылья сразу начинают двигаться, описывая почти полный круг, едва не смыкаясь над спиной и опускаясь вниз, насколько это возможно, чтобы не ударяться о ножки.
Изучение движений крыльев сделало понятным, почему пчела, как геликоптер, с места поднимается в воздух.
Пчеле, работающей на цветках, такая способность совершенно необходима.
Зоологи-анатомы подробно описали и проанализировали механизм действия крыльев, мускульного двигателя и важных деталей той оснастки, которая обеспечивает маневренность летящей пчеле, способной на редкость быстро и круто менять силу и направление полета. Однако множество существенных подробностей остается все еще невыясненным и ждет исследования. Немало интересного расскажут эти исследования не только биологам, но, может быть, и специалистам по аэродинамике.
Напомним, что К. Циолковский в своих работах, посвященных вопросу о возможности осуществления полетов более простыми средствами, не раз напоминал о природных летательных аппаратах, в частности и о насекомых. Он писал: «Если аэропланы когда-нибудь заменятся орнитоптерами, то разумное устройство их потребует от нас еще более тщательного изучения полета птиц и насекомых». Этой же точки зрения придерживался, как известно, и один из величайших теоретиков воздухоплавания — Н. Жуковский.
Возвращаясь в улей, рабочая пчела на лету продолжает щеточками счищать с тела и ножей (правой — с левой стороны, левой — справа) пыльцу, которую она на лету же спрессовывает и укладывает в особые углубления на задних ножках. Округлые комочки пыльцы (обножка) висят по бокам пчелы наподобие настоящих корзиночек и в старых детских сказках пчела с обножкой часто изображалась заботливой хозяйкой, спешащей с рынка с двумя корзинками продуктов.
Приземляясь после полета, пчела совершает посадку на шесть точек. При ходьбе, неправильно называемой ползанием, она опирается на три точки, передвигая с каждым шагом две ножки с одной стороны тела и одну — с другой.
Сила, развиваемая пчелой при ходьбе, довольно велика: по шероховатой поверхности пчела способна тащить груз, в двадцать раз превышающий вес ее тела (лошадь, к примеру, везет обычно груз, равный ее собственному весу).
Коготки лапки, то есть последних члеников каждой из ножек, дают возможность пчеле легко двигаться по вертикальной поверхности, например, сотов или стебля растения, а подушечки между коготками, присасываясь к гладкой поверхности, позволяют быстро ходить даже по отвесно стоящему шлифованному стеклу или по потолку - вверх ногами.
Строение ножек у разных форм насекомых отличается, как известно, чрезвычайным разнообразием. Здесь можно видеть множество интереснейших ходильных и бегательных устройств, приспособленных для применения на горизонтальной плоскости, на наклонных и вертикальных поверхностях, а также для хождения и бега вверх ногами. Немало есть и ног, так сказать, специального назначения: прицепные ноги паразитов, прыгательные задние ноги некоторых прямокрылых и блошек, передние прыгательные ноги некоторых видов тлей, плавательные ноги водяных клопов и вертячек, поплав ковые и рулящие ноги скользящих по поверхности воды клопов водомерок, опорные и гребные ноги живущих под водой плавунцов и гладышей, хватательные ноги хищных богомолов, роющие и копательные ноги медведок...
Во всем этом ряду собирательные ноги пчел занимают особое место.
Строение каждой пары ножек, форма каждого их членика, расположение и число щетинок и волосков на них говорит об орудийном характере этих органов.
Слово «организм», писал К. Тимирязев, включает понятие об орудии, а понятие об орудии предполагает понятие об употреблении, об отправлении, о служебном значении.
Интересно с этой точки зрения подробнее рассмотреть ножки пчелы.
Они служат ей не только для передвижения, но и для сбора корма, строительства сотов, чистки тела. На этих процессах орудийный, служебный характер их строения раскрывается особенно наглядно. Ф. Энгельс называл пчел производящими животными с органами-орудиями. Наблюдение и показывает, что форма разных щетинок, кисточек, гребней, ушков, шилец, щипчиков, характер сочленений и профили кривизны превращают ножки в орудия если не универсального, то столь разностороннего назначения и в то же время столь совершенные, что они производят впечатление настоящих рабочих инструментов.
Установлено, например, что волоски на передних ножках служат пчеле для собирания пыльцы с передних частей тела и для чистки сложных глаз. В последнем случае они оказываются в некотором роде как бы глазными «веками» пчелы.
В первых члениках лапки передних ножек хорошо заметны правильные округлые вырезы, которые, закрываясь шиповатым отростком голени, наглухо смыкаются с ним, образуя сплошные кольцевые гребни, сквозь которые протаскиваются при чистке усики. На голени средних ножек выделяется шильце шпорка, при помощи которой сбрасывается в ячейки обножка, принесенная в улей. Между голенью и первым члеником лапки на задних ножках существуют пыльцевые щипчики, которые используются для формирования обножки. Окаймленный крепкими и короткими волосками и щетинкамн участок голени и образует «корзинку», которая уже упоминалась в нашем рассказе.
Но и это еще не все: на задних лапках нетрудно рассмотреть густые щетинки. Ими молодая пчела очень ловко снимает с себя восковые пятиугольные пластинки, выделяемые железистыми клетками на нижней стороне брюшка.
В брюшке помещается главный орган кровообращения — трубчатое сердце, которому не нашлось места в груди. «Кровь», гемолимфа пчелы (вес гемолимфы составляет до тридцати процентов веса тела), содержит около трех процентов сахара, а в некоторые периоды жизни насекомого и значительно больше.
Дышит пчела тоже брюшком через несколько пар просветов, называемых дыхальцами. Воздух поступает в находящиеся в голове, груди и брюшке воздушные мешки и в пронизывающие все тело трубки трахей. Эти особенности строения дают пчеле возможность сосать нектар, буквально не переводя дыхания. Беспрерывные движения брюшком - полтораста дыхательных сокращений в минуту - накачивают воздух в воздушные мешки.
Рядом с сердцем в брюшке помещается медовый зобик.
Если только есть для того хоть какая-нибудь возможность, пчела жадно и без устали сосет корм, до отказа наливая им зобик, который способен, растянув брюшко, вместить до восьми десятков кубических миллиметров меда и превратить, таким образом, пчелу в настоящий воздушный нектаровоз. Однако жадность, с какой поглощается корм, на поверку оказывается вовсе не прожорливостью. Об этом говорит уже тот факт, что зобик плотно облицован изнутри хитином, который непроницаем для нектара.
Запомним эту анатомическую особенность. Как будет ясно из дальнейшего, она очень важна для понимания биологии пчелы.
На самом конце брюшка спрятано всем известное жало пчелы. Не все знают, однако, что это орудие защиты пчелы, которое было в далеком прошлом ее яйцекладом, несет на поверхности десять острых зазубрин. В зазубринах жала, не дающих пчеле извлечь его из тела врага, орудийный характер каждой подробности строения органов живого тела снова отчетливо проступает перед нами.
Пчелиная семья беспрерывно бодрствует. Тысячи внимательных наблюдателей изучали ее, но никому еще не удалось подметить, чтобы она когда-нибудь «спала».
Но, может быть, это не удавалось потому, что улей всегда осматривали при свете?
- Быть может, мы сами будим пчел, заглядывая к ним в гнездо днем при солнце или ночью с лампами? - спросили себя пчеловоды на одной подмосковной пасеке. - А что, если проследить за пчелами ночью и в полной темноте?
Несколько рабочих пчел из семьи, обитающей в стеклянном улье, были помечены светящимися красками.
Ночью на темной поверхности сотов можно было видеть, как шевелятся, ползают, исчезая и вновь появляясь среди невидимых в темноте пчел, светящиеся точки меток, говорившие о том, что действительно днем и ночью, в ясный и дождливый час, в любой холодный и теплый день семья непрерывно находится в движении.
Поиски и сбор корма, выкормка личинок, доставка воды в улей или выпаривание влаги из нектара, строительство сотов, уборка гнезда или его обогрев - семье всегда что-нибудь требуется. Одни работы ведутся только днем, другие - в основном ночью, третьи - круглые сутки. Многие процессы чередуются, некоторые идут одновременно. При этом все в улье делается только рабочими пчелами, за исключением кладки яиц, которая производится маткой. Но матка, отложив яйцо в ячейку, этим и ограничивает свою заботу о потомстве. Рабочая пчела яиц не кладет; органы воспроизводства у нее настолько недоразвиты, что пчелу в обычных условиях можно считать существом практически бесполым.
Впрочем, свойства пола не совсем погашены в рабочих пчелах. Именно они являются матерью-кормилицей новых поколений. Выделения кормовых желез пчелы (по мнению одних специалистов, это нижнечелюстные железы, по мнению других — глоточные) представляют «молочко», которым выкармливаются личинки. Ошибочно поэтому считать одну только матку матерью пчелиных потомств. Говорится же: «Не та мать, что породила, а та, что вскормила».
Если почему-либо погибла матка, откладывавшая яйца, молодым пчелам-кормилицам вскоре некому становится отдавать свое молочко, и это так сильно воздействует на их состояние, что они приобретают способность сами откладывать яйца.
Правда, из яиц, которые откладывают такие пчелы очень беспорядочно (вразброс) и неаккуратно (иной раз по нескольку в одну ячейку и не обязательно в пустые, а и в ячейки с пергой или с медом), выводятся самцы - трутни. Пчел, кладущих яйца, и называют трутовками.
Личинка рабочей пчелы, достигнув полной зрелости, завивается в кокон и окукливается. В это время сестры будущей пчелы запечатывают ячейку, в которой она зреет, крышечкой. Естественно, никакого корма куколка больше ниоткуда получать не может. Однако когда химический состав тела окуклившейся личинки сравнили с составом тела пчелы, в ней нашли азота значительно больше, чем в личинке, начавшей окукливаться.
Это показалось настолько невероятным, что пришлось провести несчетное количество проверочных анализов, прежде чем признать: никакой ошибки тут не было. В выходящей из ячейки молодой пчеле азота действительно было больше, чем в отрезанной от внешнего мира окуклившейся личинке. Состав тела созревшей личинки и сформировавшейся пчелы разнится и в других отношениях, но возникновение новых количеств азота было наиболее загадочным. Высказано было предположение, что азот этот усваивается куколкой в процессе ее дыхания. Воздух-то сквозь крышечку может проникать, она ведь пористая. Большинство биологов решительно отвергли такую возможность. Но в таком случае, посчитали другие, остается допустить, что в процессе метаморфоза, когда личинка превращается в куколку и затем во взрослое насекомое, все ткани личинки претерпевают изменения не только на молекулярном уровне, но и на элементарном.Споры вокруг этого почти алхимического вопроса не утихли.
А тем временем выяснилось, что на этой же фазе в строго локализованном участке тела куколки, в первых сегментах ее брюшка, формируются кристаллы магнетита. Впоследствии пчела станет одной из строи-тельниц гнезда, и эти кристаллы окажутся необходимы, чтоб ориентироваться в магнитном поле Земли, благодаря чему соты строго параллельны.
Откуда взялась железная руда, она-то и есть магне тат, в куколке, неясно. Зато известно по крайней мере, какую функцию выполняет при жизни пчелы ее магнетитный орган.
«Пчелы»,Е. Васильева, И. Хвлифман, Москва 1981г.
www.airbees.com/articles/bmp/5/1/