Сами себе калориферы, сами себе кондиционеры

Сами себе калориферы, сами себе кондиционеры

Благоустроенное жилище — это, разумеется, не только стены и крыша. Вы будете себя чувствовать здесь уютно и комфортно лишь при том условии, что сооружение надежно защитит вас от зноя летом и от стужи — зимой. Мы чувствуем себя не в своей тарелке, если температура в квартире отклоняется на несколько градусов от привычных 18–20 °C, хотя и сравнительно безболезненно переживаем эти временные неудобства. Большинство общественных насекомых, что живут в сооруженных ими замкнутых помещениях, гораздо менее терпимы к нарушению стандартного микроклимата жилища с его весьма высокой по нашим меркам температурой воздуха. У многих видов муравьев, например, оптимальная температура в гнезде поддерживается на уровне 27–32 °C, у безжальных пчел — в пределах 33–36°, а в лабиринтах гнезд австралийских термитов, живущих в толще древесных стволов, она составляет обычно 33–38°. При этом даже небольшие отклонения от этих стандартов в период выращивания молодняка могут оказаться катастрофическими для общины. Так, у нашей медоносной пчелы, у которой личинки выращиваются при температуре 32–35°, при повышении ее до 38° погибает почти половина выкармливаемого потомства, а при понижении до 29° — до 95 процентов приплода.

Коль скоро температура внутри жилища социальных насекомых много выше, чем за его «порогом» в прохладной ночи, в ненастье и зимой, и ниже температуры воздуха в знойные полуденные часы в теплое время года, не остается сомнений в том, что обитатели гнезда сами в состоянии регулировать микроклимат у себя дома. Разумеется, проще всего справиться с этой задачей обитателям теплых стран, живущих в местностях с незначительными колебаниями суточных и сезонных температур. Таковы, в частности, тропические леса экваториальной зоны, где, по нашим представлениям, всегда царит лето.

Здесь уместно будет вспомнить так называемых муравьев-кочевников, или легионеров, по имени эцитон, населяющих вечнозеленые дождевые леса Центральной и Южной Америки. Средняя температура воздуха удерживается здесь на протяжении всего года в пределах 22–28°, то есть она неизменно близка к тому оптимуму, при котором выращивает свое потомство большинство видов муравьев. У легионеров-эцитов этот оптимум составляет 29°, так что нетрудно понять, почему эти муравьи не утруждают себя сооружением каких-либо постоянных жилищ.

Община эцитонов, включающая в себя до миллиона и более бесплодных самок-рабочих и одну плодущую самку-царицу, вынуждена на время прекращать свои странствования лишь в тот период, когда продолжательница рода готова отложить очередную порцию яиц. Примерно за 10 дней до этого колонна муравьев после очередного дневного перехода выбирает место для бивуака, где община обоснуется теперь примерно на три недели, а не на несколько суток, как это было в предшествующий период. Облюбовав нависающий над землей ствол упавшего дерева, тысячи наиболее крупных, длиной до полутора сантиметров, красновато-черных рабочих взбираются на него и, сцепляясь друг с другом коготками лапок, образуют своими телами свисающие вниз живые цепочки (рис. 12.4). Эти гирлянды объединяются затем в многослойную сеть, которая по мере присоединения к ней все новых и новых добровольцев замыкается с боков и снизу в сплошной шар либо эллипсоид около метра в поперечнике, повисающий в нише между поваленным деревом и поверхностью земли. Не прошло и часа, как «гнездо» готово. За его живыми стенками, в которых предусмотрительно оставлены многочисленные отверстия для входа и выхода муравьев, уютно обосновались все прочие члены общины: внушительных размеров царица с непомерно длинными толстым брюшком, окруженная свитой заботливых фрейлин, и мириады мелких рабочих, хлопочущих вокруг принесенных ими с собой десятков тысяч личинок и куколок.

Рис. 12.4. Фрагмент грозди муравьев-кочевников эцитонов.

По ночам температура воздуха может опускаться до 23°, но внутри бивуака эцитонов она неизменно остается в пределах 28–30°. В этой комфортной обстановке царица в сжатые сроки откладывает от 100 до 300 тысяч яиц, из которых примерно через 10 дней вылупляются крошечные личинки. К этому времени приурочено также превращение куколок в новое поколение рабочих муравьев. Наряду с ними в гнезде могут появиться также новоиспеченные царицы и крупные крылатые самцы. Последние сразу же покидают бивуак и улетают на поиски молодых цариц, появляющихся на свет в других общинах эцитонов. Появление в гнезде молодежи и одновременное вылупление из яиц личинок знаменует собой начало очередного периода бродяжничества. Отныне на протяжении двух-трех недель община эцитонов будет с рассветом покидать место своего ночного лагеря. Пройдя за день в поисках добычи около 100–200 м, муравьи вновь соорудят из своих тел «живое гнездо» для ночлега. Впрочем, если колонна встретит на своем пути колоду с открытым дуплом или большую нишу под корнями дерева, муравьи могут устроиться здесь на ночь и без всех этих сложных приготовлений.

Эцитонам удается поддерживать на бивуаке постоянную температуру, на 2–5° превышающую температуру воздуха, за счет выделения так называемого метаболического тепла. Попросту говоря, процессы обмена веществ (метаболизма), идущие в организме каждого муравья, делают его своеобразным крошечным калорифером. Понятно, что даже несколько сотен этих насекомых не смогли бы нагреть свое столь своеобразное «убежище» хотя бы на доли градуса. Но не будем забывать, что бивуак эцитонов насчитывает сотни тысяч взрослых муравьев и примерно столько же единиц расплода, так что здесь результат высоко развитой коллективной деятельности проявляется как нельзя более эффективно.

Разумеется, обходиться без надежной крыши над головой, с большими потерями используя для обогрева расплода столь дорогостоящую тепловую энергию — все это могут позволить себе лишь обитатели мест с весьма постоянным, умеренно теплым климатом. Но даже здесь большинство социальных насекомых предпочитают жить в закрытых естественных убежищах либо сооружают всевозможные постройки для защиты от хищников и временной непогоды. Последнее относится, в частности, к знаменитым муравьям-портным, которые населяют влажные тропические леса Экваториальной Африки и Юго-Восточной Азии. Крупные, диаметром до полуметра, гнезда этих стройных, окрашенных в янтарные тона муравьев подвешены в кронах высоких деревьев и заключены в футляр из живых листьев, края которых рабочие «сшивают» с помощью шелковых нитей, вырабатываемых личинками (рис. 12.5). Когда впоследствии листья высыхают, рабочие подыскивают новый подходящий для строительства участок кроны, приносят туда личинок из прежнего гнезда и, действуя ими наподобие челноков, сооружают очередное убежище. Способность этих муравьев легко сниматься с места и переезжать на новую квартиру позволяет им соотносить ее расположение с грядущими изменениями погоды. Обитая в местностях с муссонным климатом, муравьи-портные при постройке очередного гнезда неизменно учитывают направление господствующих ветров и соответственно возводят новое жилище с подветренной стороны кроны. Тем самым они сводят до минимума потери метаболического тепла, используемого для обогрева гнезда.

Рис. 12.5. Гнездо муравьев-портных, обитающих в Юго-Восточной Азии.

Много больше хлопот при поддержании оптимального микроклимата в яслях выпадает на долю тех социальных насекомых, которые живут в местностях с резкими суточными и сезонными колебаниями температуры и влажности. В пустыне, например, даже в теплое время года по ночам бывает прохладно, а днем почва нагревается нередко до 70° и более. В умеренной зоне, в частности у нас, в центральных районах России, средняя температура наиболее холодного и самого теплого месяцев может отличаться в некоторые годы на 30–40°, а крайние значения температур зимой и летом разнятся подчас на 60–70°. В таких условиях даже самые прочные стены не в состоянии сами по себе противостоять перегреву или переохлаждению жилья общины, так что насекомым приходится прибегать ко всевозможным ухищрениям, чтобы режим выращивания потомства сохранялся достаточно комфортным.

Коротко говоря, стратегия маленьких тружеников в районах с неустойчивой погодой и сезонно меняющимся климатом состоит в том, чтобы аккумулировать энергию солнечных лучей, когда в гнезде не хватает метаболического тепла, и всеми возможными способами противостоять перегреву и чрезмерной сухости в сильную жару. И здесь на помощь общественным насекомым приходят их архитектурные способности. Наиболее просто решают задачу оптимизации микроклимата своих жилищ многие виды пустынных муравьев. Они роют в грунте жилые ходы, часть которых в виде узких шахт уходят вертикально вниз — нередко на 3–3,5 м в глубину, до уровня грунтовых вод. Жилые камеры и склады с запасами провизии отходят от этих шахт горизонтально на разной глубине, так что обитатели подземелья могут переходить из одного помещения в другое, выбирая в каждый данный момент наиболее устраивающий их режим температуры и влажности.

Когда за порогом прохладно, муравьи переносят яйца, личинок и куколок в верхние галереи гнезда, используя солнечное тепло, которое аккумулируется верхними слоями почвы. При сильном зное и в периоды длительных похолоданий зимой насекомые спускаются в нижние камеры, где температура и влажность остаются более или менее постоянными на протяжении всего года. Примерно так же ведут себя другие обитатели тропических и субтропических пустынь — термиты. В общинах этих насекомых, которые из-за нежности своих покровов не переносят повышенной сухости, существует особая категория рабочих-водоносов. Их задача состоит в том, чтобы доставлять в верхние камеры подземного гнезда воду из нижних горизонтов, с глубины до 6 м, куда проникают вертикальные шахты, вырытые совместными усилиями членов общины.

У всех термитов сооружение жилища начинается с обустройства подземных галерей, архитектоника которых весьма сходна с тем, что мы видели у пустынных муравьев. В дальнейшем у многих видов тропических термитов над этим первоначальным гнездом надстраивается купол той или другой формы, который обычно и называют «термитником». Он сооружается из пережеванной клетчатки, замешенной на слюне и испражнениях этих насекомых и не уступающей по твердости цементу лучших сортов. У африканских термитов-грибоводов, к замечательным особенностям которых я еще вернусь позже, термитники достигают иногда 8–9 м в высоту и 20–30 м в диаметре у основания. Что же касается технологии регулирования микроклимата, наиболее замечательными в этом отношении считают постройки термитов амитермес, населяющих засушливые саванны Северной Австралии. Выглядят их термитники наподобие очень крутых двускатных крыш, плоскости которых сходятся на конус по фронтальным фасадам (рис. 12.6). Эти впечатляющие сооружения длиной до трех и более метров и высотой до четырех ориентированы своей длинной осью точно с севера на юг, почему и получили название компасных термитников. Ученые предполагают, что особенности архитектуры этих построек позволяют наиболее рационально использовать солнечную энергию: максимальные по площади поверхности имеют восточную и западную экспозицию и аккумулируют умеренное тепло солнца на восходе и ближе к вечеру. В самые знойные часы к палящему солнцу обращены острый зазубренный гребень и узкий южный фронтон, что отчасти препятствует чрезмерному нагреванию замка термитов в полуденное время.

Рис. 12.6. Компасные термитники в Австралии.

Если в отношении термитов амитермес суждения о соответствии их архитектурных изысканий потребностям поддержания приемлемого микроклимата в гнезде остаются пока что лишь правдоподобным предположением, продуктивность очень похожей стратегии безусловно доказана на примере самых обычных наших насекомых — рыжих лесных муравьев. Именно им принадлежат столь обычные в лесах средней России «муравьиные кучи», выстроенные из тонких обломков веточек и покрытые сверху слоем хвои. Для непосвященного муравейник — это и есть жилище маленьких тружеников. На самом деле такое мнение верно только наполовину, ибо насыпной холм муравьев представляет собой лишь надземную часть всего сооружения, как и цементные башни термитов.

Под куполом муравейника располагается подземная система. Нижние камеры гнезда находятся на глубине до 2,5 м под поверхностью почвы, и здесь муравьи проводят зиму, сбившись в плотную массу и пребывая в малоактивном состоянии при температуре около 4–5 °C. С наступлением теплых дней они постепенно переходят в надземный купол, который, как сейчас установлено, служит в основном для аккумулирования солнечного тепла. Именно поэтому скат муравейника, обращенный к югу, бывает обычно более пологим. За счет этой хитрости насекомые увеличивают площадь поверхности купола, обогреваемый солнцем в самое теплое время суток. Муравьи имеют то преимущество перед термитами, что они в состоянии быстро изменить форму купола, перетащив в авральном порядке строительный материал из одной его части в другую. Эта их способность была воочию показана в опыте, когда муравейник освещали мощными инфракрасными лампами, установленными на разной высоте и под разными углами по отношению к куполу муравейника. Таким образом, талант рыжих лесных муравьев наиболее рационально использовать энергию солнца не подлежит сомнению.

Впрочем, одной только солнечной радиации было бы недостаточно, чтобы поддерживать температуру вокруг расплода на уровне 27–32°, необходимом для развития молоди. Ученые доказали это, поставив следующий опыт. Они нашли два совершенно одинаковых муравейника и один из них посыпали нафталином, чтобы заставить его обитателей покинуть свое жилище. Через несколько дней при температуре воздуха около 29° одновременно поместили термометры в оба купола. На глубине 20 см от поверхности купола в жилом муравейнике температура оказалась равной 28°, а в брошенном — на целых 9° ниже.

В жилом муравейнике наиболее постоянная высокая температура сохраняется в его основании, покоящемся в конусовидном углублении почвы, от которого вниз идут многочисленные ходы и галереи. Именно в этом «внутреннем конусе» выращивается молодь. Здесь мириады рабочих, занятых уходом за расплодом и прочими заботами по дому, обогревают помещение выделяемым ими метаболическим теплом. Другие рабочие, надзирающие за состоянием купола, с наступлением дня открывают многочисленные вентиляционные отверстия, регулируя тем самым температуру и влажность в гнезде.

В гнездах муравьев и термитов рабочие размещают отложенные царицами яйца на полу камер, где температура, влажность и содержание кислорода в воздухе наиболее удовлетворяют в данный момент потребности развития расплода. Если микроклимат здесь почему-либо резко меняется, насекомые-няньки переносят яйца ближе к поверхности гнезда или, наоборот, в более глубокие его камеры. Вылупляющиеся из яиц личинки термитов представляют собой миниатюрное подобие взрослых рабочих и сами способны выбирать для себя помещения с наиболее комфортными условиями. Что касается безногих, беспомощных личинок муравьев и их куколок, называемых в простонародье «муравьиными яйцами», то их рабочие транспортируют туда или сюда по собственному усмотрению. Например, у обитающих в средней полосе России муравьев мирмика перед наступлением зимних холодов рабочие утаскивают личинок в самые нижние камеры гнезда, где даже в сильную стужу температура не опускается ниже +5 °C. Здесь личинки проводят всю зиму вместе со сбившимися в плотный клубок, оцепеневшими взрослыми членами общины.

У медоносных пчел сам принцип обустройства их жилища не дает возможности рабочим перемещать расплод, руководствуясь сиюминутными обстоятельствами. В отличие от термитов и муравьев то место, где будет выращиваться каждый будущий член общины, жестко предопределено уже в момент откладки маткой очередного яйца. Она помещает яичко в приглянувшуюся ей, подходящую к случаю ячейку сот, прикрепляя его ко дну колыбели в вертикальном положении. Что бы ни случилось далее, яйцо, вышедшая из него личинка и развившаяся затем куколка останутся здесь. Поэтому, чтобы развитие будущей пчелы в ее колыбели прошло благополучно, взрослые члены общины должны сделать все для сохранения здесь оптимального микроклимата, даже если погода за стенками дупла или улья будет меняться самым непредсказуемым образом. И, надо сказать, пчелы с честью справляются с этой сложной задачей, показывая истинные чудеса в искусстве регулирования температуры, влажности и чистоты воздуха в гнезде.

Усики-антенны рабочей пчелы можно уподобить точнейшим термометрам, способным измерять также влажность воздуха и концентрацию в нем углекислоты. Каждая антенна снабжена несколькими сотнями крошечных датчиков, мгновенно реагирующих на изменения температуры и состава воздуха в гнезде. Достаточно, чтобы температура около сота с расплодом понизилась всего на полградуса по сравнению с нижним пределом ее оптимума, составляющим 35,5°, чтобы тепловые датчики рабочей пчелы начали посылать тревожные импульсы в ее центральную нервную систему. Мозг-компьютер насекомого в ответ на эти сигналы дает команду включить обогрев. Мышцы грудного отдела пчелы начинают ритмически сокращаться, вырабатывая тепловую энергию наподобие того, как это происходит у человека, дрожащего от холода. При таком режиме работы мышц тельце пчелы разогревается со скоростью около 2° в минуту, так что вскоре температура груди насекомого поднимается до 36–39°. Понятно, что чем крупнее община и чем больше ее членов одновременно включаются в работу по обогреву гнезда, тем быстрее удается восстановить режим в пределах 34,5–35,5°, требуемых для наилучшего развития яиц рабочих пчел и самцов-трутней.

Поразительно, но способности терморегуляции у пчел идут еще дальше. В нижней части сот, где располагаются особые ячейки для выращивания цариц, так называемые маточники, оптимальная температура должна быть несколько ниже. Пчелы стремятся удержать ее здесь на уровне 33°, ибо именно при такой температуре гибель маток минимальна. Стало быть, маленьким труженицам удается не только создать максимально благоприятный тепловой режим внутри гнезда, но еще и сохранять разницу порядка 1,5° между центральными участками сота, где выращиваются рабочие, и его нижним краем, отведенным под маточники.

В знойные летние дни пчелам нередко приходится сталкиваться с другой проблемой: не допустить перегрева своего жилища. Печальные последствия чрезмерного повышения температуры очевидны. Дело в том, что рабочие кормят личинок жидкой пищей (в зависимости от ряда обстоятельств это могут быть выделения специальных желез рабочих либо смесь меда с пыльцой). Если принесенный рабочими в ячейку корм слегка подсохнет и превратится в желе, личинка обречена на гибель. Именно это и грозит расплоду при перегреве, когда влажность в гнезде резко падает. В такие моменты часть рабочих быстро переключается на роль водоносов. За один маршрут к ближайшей луже или к пруду водонос доставляет в гнездо от 25 до 50 миллиграммов живительной влаги. Здесь пчела может отрыгнуть капельку воды в пустую ячейку либо распределяет жидкость между страдающими от жажды товарками, в медовом содержимом зобиков которых из-за жары слишком повысилась концентрация сахара. Чем сильнее зной, тем больше пчел занято доставкой в гнездо воды, которая, испаряясь, быстро охлаждает воздух в жилище.

Насекомые, подобно нам с вами, при дыхании поглощают из воздуха кислород и выделяют во внешнюю среду углекислый газ. Поступление углекислоты идет тем интенсивнее, чем выше концентрация насекомых в замкнутом помещении и чем активнее они действуют, выполняя всевозможные обязанности по дому. В гнездах термитов и муравьев для удаления излишней углекислоты служат вентиляционные ходы, которые рабочие могут открывать или закрывать по требованию обстоятельств. Пчелы в этом смысле имеют преимущество: обладая крыльями, они способны активно вентилировать с их помощью свое жилище, при необходимости быстро очищая в нем воздух от углекислоты и избытка водяных паров. Коль скоро концентрация углекислого газа возрастает одновременно с увеличением температуры, именно в жаркий день вы чаще всего увидите пчел-вентиляторщиц, сидящих перед летком улья и с неимоверной быстротой работающих крыльями. Удаляя из гнезда углекислый газ, вентиляторщицы одновременно и охлаждают помещение, поскольку под влиянием тока воздуха быстрее испаряется вода, разбрызгиваемая в гнезде рабочими водоносами.

Когда с приближением осени царица постепенно прекращает откладку яиц, так что рабочим уже не приходится постоянно быть начеку в их заботах о молодняке, отпадает и необходимость столь пунктуально следить за температурным режимом жилища. Подчас достаточно и того, чтобы температура в его центральных зонах не опускалась ниже 30°. С наступлением холодов пчелы перестают вылетать за взятком и собираются в плотную живую гроздь на сотах, подальше от охлаждающихся в сильную стужу стенок дупла или улья. Так они и проводят зиму, не впадая в оцепенение спячки, как это делает большинство муравьев умеренных широт, а оставаясь все время в более или менее деятельном состоянии. В центре зимнего клубка даже в сильнейшие морозы пчелы удерживают температуру порядка 24–28°, в чем им могут позавидовать даже крестьяне, отапливающие свои избы дровами.

У пчел «горючим» для обогрева служит запасенный за лето мед — концентрированная смесь Сахаров глюкозы и фруктозы, которая никогда не портится и представляет собой один из самых калорийных продуктов среди всех известных человеку. Общине из 30–40 тысяч пчел для благополучной зимовки требуется 20–30 кг меда, и если семье удалось обеспечить себя на зиму таким запасом консервированной пищи, то уже к середине февраля царица принимается за откладку яиц. Вот так удивительно слаженная и рациональная деятельность пчелиной общины дает этим насекомым возможность не только кое-как перебиться в трудные зимние месяцы, но и приступить к выращиванию нового поколения в то время, когда снаружи еще стоят трескучие морозы.