Если вы когда-нибудь проходили мимо пчелиного гнезда в жаркий летний день, вы, вероятно, были слишком сосредоточены на том, чтобы избежать укусов, вместо того, чтобы остановиться, чтобы задаться вопросом, как все эти пчелы остаются прохладными. Не волнуйтесь, гарвардские ученые не побоялись задать этот вопрос и ответить на него.
Медоносные пчелы живут в больших, переполненных гнездовых полостях, часто в дуплах деревьев с узкими отверстиями. Когда внутри гнезда становится жарко, группа пчел подползает к входу и использует свои крылья как вентиляторы, чтобы вытягивать горячий воздух и впускать более холодный воздух. Вопрос в том, как пчелы самоорганизуются в эти живые вентиляционные устройства?
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Департамента органической и эволюционной биологии (OEB) разработали схему, которая объясняет, как пчелы используют сигналы окружающей среды для коллективного скопления и непрерывной вентиляции улей.
«На протяжении тысячелетий социальные насекомые, такие как пчелы, эволюционировали, чтобы обуздывать и использовать потоки и силы и коллективно решать физиологические проблемы, такие как механическая стабилизация, терморегуляция и вентиляция, в масштабах, намного превышающих индивидуальные», - сказал Л. Махадеван, декан. Вальпийский профессор прикладной математики, физики, органической и эволюционной биологии и старший автор исследования. «Комбинация измерений и вычислительных моделей дает количественную оценку и объясняет, как пчелы, раздувающие веером, создают появляющуюся крупномасштабную схему потока для вентиляции своих гнезд».
«Мы продемонстрировали, что пчелам не нужны сложные схемы вербовки или связи, чтобы поддерживать прохладу в своих гнездах», - сказал Джейкоб Питерс, научный сотрудник SEAS и OEB и первый автор статьи. «Вместо этого реакция отдельных пчел на колебания температуры и физика потока жидкости приводят к их коллективной пространственной организации, что приводит к эффективному решению для охлаждения».
Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.
Эксперименты начались летом 2017 года. В течение нескольких недель Питерс, Махадеван и бывший научный сотрудник SEAS Орит Пелег наблюдали за группой искусственных ульев на полевой станции Конкорд Гарвардского университета.
Исследовательская группа измерила температуру, поток воздуха в гнездо и из него, а также положение и плотность пчел, летящих веером у входа в гнездо. Они заметили, что вместо того, чтобы рассредоточиться по всему входу в гнездо, пчелы собирались в самых жарких местах и отделяли те области, которые имели самый высокий отток воздуха, от более прохладных областей с самым высоким притоком воздуха. Важно отметить, что они обнаружили, что разные пчелы имеют разные температурные пороги, выше которых они начинают размахивать веером, так что в совокупности они лучше реагируют на колебания температуры.
Моделируя систему, исследователи обнаружили, что все эти модели поведения связаны с физикой окружающей среды гнезда. Веер наружу позволяет пчелам ощущать температуру выше по течению в гнезде; различные пороги температуры позволяют обеспечить более постоянную вентиляцию и более стабильную температуру в улье; и, из-за физики трения и потока, группирование для отделения притока от оттока позволяет большему количеству холодного воздуха поступать в гнездо из-за физики трения и потока.
«Наше исследование демонстрирует, как использование динамики физической среды позволяет организовать крупномасштабный физиологический процесс», - сказал Пелег, который является соавтором статьи и в настоящее время является доцентом Университета Колорадо в Боулдере..
«Хотя это история, ориентированная на физику, биологические вариации, уходящие корнями в генетику и эволюцию, вероятно, играют большую роль в том, чтобы эта система работала», - сказал Питерс.«Наша теория предполагает, что не только индивидуальная изменчивость температурного порога приводит к более стабильной температуре улья, но также это разнообразие имеет решающее значение для стабильности паттерна поведения веером, необходимого для эффективной вентиляции».
"Во всем, от больших систем HVAC до вентиляторов, которые охлаждают наши компьютеры, биоинспирированные, самоорганизующиеся системы могут адаптироваться и реагировать на конкретные требования лучше, чем существующие системы", - сказал Питерс.
«В более широком смысле наше исследование еще раз подчеркивает необходимость рассмотрения как биологических организмов, так и их физической среды, чтобы понять богатство коллективной экофизиологии, отличительной черты самой жизни», - сказал Махадеван.