Впервые идея о тесной зависимости явлений, происходящих в биосфере, от электромагнитных полей (ЭМП), генерируемых на Солнце, в межпланетной среде или в земной магнитосфере была высказана А. Л. Чижевским и В. И. Вернадским. Развивая их идеи в свете достижений современного естествознания, А.С. Пресман предложил концепцию планетарно-космических основ организации жизни [2], а В.П. Казначеев ввел понятие «информационная среда жизни» и предложил рассматривать ЭМП как абиотический экологический фактор [3]. Напряженность электрического поля Земли зависит от географической широты и испытывает годовые и суточные вариации. Годовые изменения имеют планетарный характер "(с максимумом в декабре - феврале и минимумом в мае - июле), а суточные вариации - и планетарный, и местный [2].
Первым воздействие электрического поля на пчел исследовал в 1926 г. А.Л. Чижевский. Он установил, что ионизация воздуха вызывает возбуждение пчел и действует на половые органы трутней и пчелиных маток. Проф. Чижевский высказал предположение, что с экологической точки зрения существенная роль может принадлежать ионам воздуха [4; 5]. Современными исследованиями доказано, что снижение концентрации легких отрицательных и положительных ионов соответствует по своему угнетающему биологическому действию загрязнению воздуха химическими веществами. При этом резко понижается иммунобиологический потенциал и выживаемость организмов [6]. В связи с переводом пчеловодства на промышленную основу повышенные требования к свежести воздуха предъявляют технологии зимнего содержания и искусственного воспроизводства пчел. Поэтому использование в указанных технологиях пчеловождения электрических полей для ионизации и озонирования воздуха является перспективным и требует технического и методического обеспечения.
В известной нам литературе нет специальных исследований по ЭЭ медоносных пчел, основанных на методической платформе экологии - системном подходе. Однако актуальность таких исследований не вызывает сомнений в связи с использованием пчелами электрических и магнитных полей и расширением исследований, связанных с применением электрических полей антропогенного происхождения в технологиях пчеловождения. Накопленный в мировой литературе фактический материал требует систематизации и обобщения. Наиболее полные исследования по применению электрических полей в пчеловодстве выполнены в СССР проф. Е. К. Еськовым.
Механизм генерации пчелами электрических полей многообразен и связан со способностью покрова их тела приобретать электрический заряд Е.К. Еськов установил, что заряд пчел, спокойно сидящих на сотах, колеблется от -1,8 до +2,9 пКл, а у пчел-разведчиц заряд, при влажности воздуха 70...80 %, составляет 800 пКл [7].
Зарядка пчел может быть обусловлена различными физическими процессами:
а) электризацией трением (трибоэффект). Пчела получает трибозаряд, например при перемещении по восковым сотам, при трении крыльев о воздух во время полета со скоростью до 65 км/ч. Известно правило полярности трибозаряда: отрицательный заряд возникает на материале, испытывающем при трении разрыхление, положительный - уплотнение. В соответствии с этим правилом пчела, покидающая улей, после перемещения по сотам должна заряжаться отрицательно;
б) сорбцией ионов на поверхности пчелы. При этом дрейфующий атомарный или молекулярный ион прилипает к волоскам или наружному хитиновому скелету пчелы и отдает ей свой заряд, Величина заряда зависит от времени полета и плотности ионного тока, а полярность - от экологической зоны. В степной зоне (в ясную погоду) на землю течет положительный ионный ток плотностью 10-12 А/м2; в лесной зоне преобладают отрицательные ионы, т. к. положительные ионы задерживаются вершинами деревьев, а почва и растительность насыщают воздух избытком отрицательных ионов [4];
в) поляризацией под действием электрического поля хитина, из которого состоят покровные, органы и экзоскелет пчелы.
При теоретических расчетах пчелу можно представить в виде диэлектрического вытянутого сфероида длиной 12 мм и диаметром 4,4 мм [4]. Для пчелы, обладающей электрическим зарядом, электрическое поле Земли представляет вполне осязаемую среду, и всякое изменение или неоднородность этого поля она воспринимает в виде действующих на нее пондеромоторных (механических) сил. Различают следующие пондеромоторные силы: сила Кулона; сила, обусловленная неоднородностью электрического" поля; сила электростатического (диполь - дипольного) взаимодействия; сила зеркального отображения; сила Лоренца.
Сила Кулона определяется как произведение заряда пчелы и напряженности поля. Вектор напряженности электрического поля Земли направлен в сторону Земли (от плюса к минусу), а средняя напряженность поля Земли 100 В/м [2].
Как сказано выше, при полете под кронами деревьев пчела заряжается отрицательно, а при полете над лесом - положительно. Поэтому в первом случае сила Кулона поддерживает пчелу в полете, во втором - прижимает к Земле. Перед грозой напряженность электрического поля возрастает в 10-15 раз, соответственно возрастает и пондеромоторная сила. Поэтому пчелы в случае настигшего их ненастья прячутся в траве или на деревьях. За счет неоднородности электрического поля и вызванной ею прижимающей пондеромоторной силы затрудняется полет пчелы вблизи больших водоемов, линий электропередач, над холмами, разломами в земной коре, одинокими строениями и другими участками, где наблюдается резкая неоднородность электрического поля.
Сила электростатического взаимодействия ничтожно мала на расстоянии 5-10 радиусов частиц, но резко возрастает при их сближении. Поэтому эту силу необходимо учитывать при анализе электрического взаимодействия между пчелами в рое, в зимнем клубе, в момент «выкучивания» и в других случаях, когда расстояние между пчелами не превышает 5 см.
Сила зеркального отображения возникает при нахождении пчелы на подложке, соте, цветке, летковой доске. При этом электрические заряды на поверхности пчелы притягивают равные по величине и обратные по знаку заряды на подложке. Рассматриваемая сила, например, способствует притяжению и удержанию пыльцы на брюшке пчелы. Согласно ориентировочным расчетам электрическая сила притяжения пыльцы более чем в 1000 раз превышает вес обножки [4].
Важным направлением в исследовании ЭЭ медоносных пчел является изучение электрических взаимодействий между пчелами и медоносными растениями, которые представляют для пчел один из элементов экологической среды: цветы покрытосемянных растений служат пчелам источником узкоспециализированного питания, а нектар и пыльца являются не только полноценной пищей, но и посредником, с помощью которого обеспечивается энтомофилия. На одном цветке имеется равное количество пыльцевых зерен разного знака. При посещении цветков пчела заряжена отрицательно. Этот заряд притягивает электроположительную фракцию пыльцы, которая благоприятнее для перекрестного опыления. Потенциал электрического поля, возникающий между цветком и пчелой, достигает 1,5 В [15]. Измерения электрических полей вблизи растений показывают наличие двух физико-химических эффектов, создающих это поле [8; 9]. Первый, так называемый «ландшафтный», обусловлен механическими колебаниями листьев в электрическом поле Земли. Второй, биоэлектрический, обусловлен пространственным разделением зарядов и возникающей при этом разностью потенциалов на поверхности растений.
Исследования электрических взаимодействий между пчелами и эктопаразитами также входят в круг задач ЭЭ медоносных пчел. Есть основания полагать, что клещ Варроа удерживается на поверхности пчелы и за счет пондеромоторных сил. По нашему мнению, эффективность использования пылевидных веществ в борьбе против клеща Варроа [10] объясняется, с электрофизической точки зрения, уменьшением или нейтрализацией пондеромоторных сил. Попытка использования электрического поля для удаления клещей, слабо фиксированных на дорзальной части пчел, предпринята Д. Попесковичем [11].
Сила Лоренца является результатом взаимодействия заряженной пчелы и магнитного поля Земли. Величина этой силы столь Мала (1,5∙10-12Н), что силовым воздействием поля на пчелу можно пренебречь [4].
Однако, вероятно, эта сила, воздействуя на магнитные рецепторы пчел, является информационным источником при актах ориентации и навигации [12]. При этом важное значение имеет относительная устойчивость магнитного поля в экологическом (в отличие от эволюционного) масштабе времени в сочетании с его географической аксиальной и экваториальной симметрией.
Уокер впервые показал, что у пчел можно выработать условный рефлекс на магнитные поля [16].
Для количественной оценки рассмотренных выше пондеромоторных сил необходимы специальные исследования, привязанные к электрическим свойствам экологической ниши конкретной популяции. С точки зрения ЭЭ особый интерес представляет башкирская популяция среднерусской пчелы. Среда обитания этой пчелы («бурзянки») характеризуется относительным экологическим благополучием, уникальной кормовой базой (две трети произрастающей в стране липы сосредоточено в Башкирии) и сохранением в заповедной зоне бортевой формы пчеловождения.
Пчелы обладают высокой чувствительностью к электрическим полям. В соответствии с исследованиями Е. К. Еськова максимальная чувствительность пчелиной семьи к переменному электрическому полю приходится на частоту около 500 Гц [7]. Семья, содержащая 10 тыс. особей, реагирует на электрическое поле указанной частоты уже при напряженности 400...500 В/м. Порог чувствительности к электрическому полю на частоте 10 Гц снижается вдвое, а при повышении до 5000 Гц - в 10 раз. Толерантность медоносных пчел по отношению к напряженности ЭМП также зависит от численности пчел в группе: отдельная особь на электрическое поле напряженностью 50000 В/м не реагирует, а двигательная активность группы пчел до 200 особей растет по мере роста напряженности до 15000...20000 В/м, а затем падает. Первые признаки возбуждения 100 пчел наблюдаются при частоте 300...600 Гц и напряженности поля 8000...20000 В/м. Антенны на мертвых и наркотизированных пчелах притягиваются к наэлектризованному диэлектрику, несущему на себе заряд любого знака, а антенны на живых пчелах отводятся. Незаряженное тело пчелы ощупывают, прикасаясь к нему антеннами, а переменные электрические поля отдельные пчелы, антеннами практически не воспринимают [4; 7].
А.А. Аливердиевым установлено, что при облучении пчелиного расплода ЭМП сверхвысокой частоты длиной 7,5 м в морфологических показателях нарождающихся пчел появляются сдвиги, имеющие селекционную ценность [4].
Рассмотренные примеры не оставляют сомнения относительно информационного воздействия ЭМП, имеющего, вероятно, характер спускового механизма, мобилизующего и приводящего в действие внутренние вещественно-энергетические ресурсы пчел. При изучении информационного воздействия ЭМП целесообразно, на наш взгляд, использовать системный подход, который позволяет рассматривать пчелиное семейство как единый организм.
Именно такой подход использовал впервые в своей работе Д. Зэган [13]. Целью работы является усовершенствование методов и технологий разведения и содержания пчелиных семей с помощью электроники и вычислительной техники. Предложенная автором структура системы пчелиной семьи содержит 40 подсистем и реализует 6 общественных функций. К сожалению, в работе нет математического описания функционирования, взаимодействия со средой, формирования поведения пчелиного семейства. Автор не рассматривает электрические поля в качестве экологического, информационного или управляющего фактора.
Конечную задачу ЭЭ медоносных пчел с инженерной точки зрения можно определить как обоснование методологии применения электрических полей различной структуры в технологиях пчеловождения и разработку на этой основе технических устройств использованием электрических полей. Для решения этой задачи требуется знание как параметров управляющего электрического поля, так и управляемой биосистемы. Последнее можно узнать при учете достижений всего комплекса биологических наук, но оценку электрофизиологических свойств и зоны экологической толерантности медоносных пчел по отношению к электрическим параметрам среды обитания должна дать ЭЭ.
В пределах зоны толерантности обычно наблюдается определенная связь реакций организма с интенсивностью фактора [14]. И непосредственной близости к критическим точкам расположены «зоны пессиума», в которых активность организма сильно ограничена, далее - «субоптимальные зоны», в границах которых по мере удаления от зоны пессиума наблюдается рост положительных экологических реакций организма. Средняя зона определяется как экологический оптимум. Интенсивность фактора в этих границах наиболее благоприятна для функционирования организма. Знание зоны электрической толерантности необходимо при решении практических задач - при разработке электрических устройств для сбора пчелиного яда, стимуляции развития пчелиного семейства, управлении поведением пчел, регулировании микроклимата пчелиного жилища, и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
Протасов В. Р. Введение в электроэкологию. М., 1982.
Пресман А. С. Электромагнитные поля и живая природа. М., 1968.
Казначеев В. П., Михайлова Л. П. Биоинформационная функция естественных электромагнитных полей. Новосибирск, 1985.
Барбаровнч Ю. К. Пчелы и электричество//Из келью восковой. Л., 1985.
Чижевский А. Л. Солнце и мы. М., 1963.
Дмитриев М. Т. и др. Животноводческим помещениям - естественную вентиляцию//Ветеринария, 1988. № 12.
Еськов Е. К., Сапожников Л. М. Генерация и восприятие электрических полей пчелами//Зоологический журнал. 1974. Вып. 5.
