Nu har vi kommit till sista delen i hur klustret fungerar och hittills har vi lärt oss följande
1. Minst energi (honung) går åt vid ca 5 grader C
2. Konsekvens av detta är att mängden honung som behövs beror på hur kall vintern är samt hur lång den är
3. Bina håller normalt ca 20-25 grader C i klustret vilket ökas upp till 34-35 grader C vid yngelsättning.
4. Värmen alstras av klusterbinas metaboliska värme men vid behov kan några “värmebin” generera extra värme. Värme går från klustret till mantelbina och inte tvärtom.
5. För små samhällen kommer inte kunna sätta vinterbin vid behov och riskerar problem med utsot.
Reglering av gaser i klustret
Det är avgörande för kolonins överlevnad att minimera konsumtionen av honungsförråd över vintern. Det fysiska arrangemanget av de värmande och isolerande bina ger ett extremt energieffektivt kluster. Ibland, kanske för effektivt – även den vilande metaboliska värmeeffekten från bina i ett stort kluster kan producera så mycket värme att klustret kan tvingas expandera (för kylning) till en punkt att det slösar värdefull energi. Van Nerum och Buelens [24] ställer den skarpa frågan: “Är höga temperaturer [i kärnan] funktionella eller är de bara en bieffekt?”
De fann att bina har ännu ett trick i rockärmen – genom att skapa en nästan perfekt hermetisk tätning i skalet på isolatorbin (som bara behöver begränsa luftflödet i bivägarna mellan kammarna), kan de faktiskt kontrollera mängden syre , CO2 och fukt i den instängda luften, och går därmed in i ett diapause- (eller viloläge) liknande tillstånd av minskad ämnesomsättning.
Övervintringskluster verkar uppvisa en metabolisk hastighet som är lägre än de “vilande” ämnesomsättningshastigheterna för de enskilda bina tillsammans, vilket indikerar att bina i vinterklustret kan minska sin ämnesomsättning ännu mer än hos ett normalt “vilande” bi. De verkar göra det genom att gå in i ett “hypoxiskt” (lågt syretillstånd).
De normala koncentrationerna av syre och CO2 i atmosfären är 21 % respektive 0,04 % [25]. I klustrets snäva gränser förändras förhållandet mellan dessa gaser dramatiskt – syre sjunker till cirka 15 % och CO2 stiger dramatiskt till 6-10 % (en koncentration som är tillräckligt hög för att döda en människa). Först i den övre delen av det intervallet initierar bina i kärnan hörbar fläkt för att fräscha upp luften [26].
Praktisk sammanfattning: det är inte klart exakt vilka signaler (eller kombinationer därav) som gör att bina i skalet expanderar. Ledtrådar kan vara temperaturen som de känner av med huvudet, en outhärdlig nivå av CO2, eller kanske fläkten och trycket av bina i kärnan när de blir upprörda på grund av för hög temperatur eller CO2 [27].
I vilket fall som helst visade Van Nerum experimentellt att bina kraftigt minskar sin ämnesomsättning i en hypoxisk atmosfär, tills CO2 överstiger en viss nivå. Detta trick verkar vara till nytta för kolonin genom att det hjälper den att bevara honungsförråd. Dessutom kan det vara viktigt för dess bevarande av vatten…
Vattenbesparing
En biodlare lär sig snabbt att för mycket fukt i kupan under vintern är riktigt tufft för bina (bild 7).
Biodlare gör ofta mycket för att undvika fuktuppbyggnad i kupan under vintern. Man bör göra det med försiktighet, vilket förklaras i en fascinerande artikel av Möbus för en tid sedan i denna tidskrift [28]. Han påpekar att bina i en klunga ofta är desperata efter vatten, och att ju större klunga desto mer sannolikt är det att de drabbas av uttorkning.
På samma sätt som vi förlorar en insekt fukt vid varje utandningsandning (såvida den inte befinner sig i en miljö med 100 % relativ fuktighet). Insekter använder alla knep i boken för att undvika uttorkning, och bin är inget undantag. Bin andas bara ungefär två gånger i minuten, såvida de inte genererar värme, då man lätt kan se dem pumpa sina underliv snabbare för att få in syre och släppa ut CO2. Men de måste öppna sina spirakler när CO2-halten i luften ökar (som i vinterklustret), och därmed förlora vatten ännu snabbare.
Bin i klungan konsumerar honung för energi, men måste späda ut den med vatten för att smälta den. Så var får de det vattnet? När kolonin bryter kluster under varma vinterdagar kan du se arbetare som desperat letar efter vatten. Resten av tiden måste kolonin bevara sin dyrbara fukt. Till att börja med tätar de det inre av hålrummet med propolis och vax, för att göra ytan relativt vattentät. Och då drar de fördel av relativ luftfuktighet och kondens.
Relativ luftfuktighet är andelen vattenånga i luften i förhållande till den mängd som den skulle kunna hålla om den är helt mättad vid den temperaturen (ju varmare luften är, desto större mängd vatten än den kan hålla). I likhet med effekten av att orsaka mycket låg luftfuktighet genom att värma upp luften i ett hus under vintern, kommer den relativa luftfuktigheten i den varma kärnan av klustret att vara ganska låg, vilket gör att bina där blir ständigt törstiga. Å andra sidan kondenserar vattenånga till flytande vatten på ytor som ligger under daggpunkten (den temperatur som vattenånga vid en given relativ fuktighet börjar kondensera).
Ungefär 6/10 av ett kg vatten frigörs under smältningen av ett kg honung [29] – det mesta “metaboliskt vatten” från nedbrytningen av socker till CO2 och vatten. Det betyder att en icke-flygande koloni som konsumerar en typisk sjättedel av ett kg honung per dag producerar ungefär en halv kopp vattenånga per dag. Möbus visar en tabell över metabolisk vattenproduktion och förlust från bins kroppar vid olika temperaturer. Tabellen visar att de varma bina i klusterkärnan skulle förlora vatten, medan de kalla bina i det isolerande skalet skulle få det. Vi förväntar oss att mycket av det metaboliska vattnet från till kärnan kondenserar på den svala ramen (kanske späder honungen i öppna celler) eller på binas kroppar i skalet, varifrån det på något sätt förs tillbaka till bina i skalet. kärna [30], kanske med honungen som passerat från skalet av bin i periferin av klustret till de hungriga bina i kärnan.
Sen har vi frågan om värmeåtervinning från den vattenånga som släpps ut från klustret varje dag. Det tar ungefär en halv kalori att förånga ett gram vatten; den energin kan återvinnas genom att kondensera vattenångan på en sval yta (vilken yta som helst under daggpunkten för den utströmmande varma luften från klustret). Tänk på att vattenånga är mindre tät än luft. Som ett resultat, såvida inte det tätt packade skalet av bin begränsar det, kommer den uppvärmda, vattenångrika luften i klustret snabbt att fly ut ur de övre passagerna mellan kammarna.
Mycket av denna vattenånga kommer att kondensera i binas svala yttre skal, och på så sätt fånga dess värme i kärnan. Men om en koloni konsumerar en sjättedel av ett kg honung om dagen, måste den också släppa ut den vattenånga som produceras varje dag (antingen ventileras ut som ånga, eller rinner ut ingången som vätska). Den ångan innehåller ungefär 12 % av energin i honungen som konsumeras. Om den ångan kondenserar på ramarna eller kavitetsväggarna som omger klustret, kommer den frigjorda “latenta värmen” att värma upp utrymmet runt klustret, vilket sparar energi (särskilt om det släpps ut under klustret; jag återkommer till detta ämne när jag diskuterar design av bikupor).
Sammanfattning
I nästa avsnitt kommer jag att fortsätta med de biologiska och praktiska aspekterna av vinterklustret, såsom matkonsumtion, dysenteri, sjukdomar och design av bikupor. Men jag tänkte avsluta den här diskussionen med att skapa diagrammet nedan i ett försök att sammanfatta de fysiska processerna som äger rum inom vinterklustret (Fig. 8).
I ovanstående diagram har jag illustrerat fysiken som äger rum i vinterklustret. Den stora massan av tätt packade, inåtvända bin i det isolerande skalet genererar kontinuerligt (asterisker) precis tillräckligt med värme för att förbli över kyltemperaturen – pumpar värmen inåt från deras bröstkorg till huvudet (samt låter nederdelen vara kall). Spridda bin i kärnan höjer sina bröstkorgstemperaturer för att värma upp sin omgivning, vilket sedan kan tvinga skalbina att öppna upp och expandera storleken på klungan. Om kolonin behöver föda upp yngel, kommer värmebin i mitten av kärnan att reglera temperaturen där till cirka 35˚C.
Jag har ritat pilar för att indikera att när temperaturen stiger i kärnan, sjunker nivåerna av syre och relativ luftfuktighet dramatiskt, medan CO2 stiger till skyhöga nivåer. Vattenånga lämnar klustret tillsammans med den uppvärmda luften och avger sin latenta värme då den kondenserar på ytorna som omger klustret, vilket minskar strålningsvärmeförlusten.
Summa summarum: även om ett antal forskare har ägnat mycket tid åt att undersöka vinterklustret, dynamiken i värmeproduktion, bins beteende när det gäller att reglera klustrets storlek och överföring och bevarande av vatten och föda, är mycket fortfarande dåligt förstått. Jag har gjort mitt bästa för att smälta och sammanfatta det vi vet, men det finns fortfarande mycket kvar att lära.
Erkännanden
Vår förståelse av vinterklustrets fysik kommer från otaliga tusentals timmar av tidskrävande och noggranna mätningar och experiment av biforskare. Vi biodlare är står i tacksamhetsskuld till dem och borde göra allt vi kan för att stödja nästa generations forskare. Jag vill också uttrycka min tacksamhet till min kollega Peter Borst och Dianne Behnke för deras snabba hjälp med litteraturforskning när jag skyndade mig att slutföra denna artikel
Referenser:
[25] CO2 was at only 0.032% when I was born. We humans are causing CO2 to rise relentlessly, which is having serious effects in the biosphere.
[26] Johansson (1979) op cit..
[27] Simpson, J (1961) op cit.
[28] Möbus, B (1998) Rethinking our ideas about the winter cluster; Part II. ABJ August 1998: 587-591.
[29] By my calcs, 77g of water in 17% moisture honey, plus 211 g of metabolic water produced from the digestion of the sugar, from a pound of honey.
[30] Simpson, however, notes that such condensation is not visible on or immediately adjacent to the shell bees.
DoD's bisyssla 