Vinterklustret del 1

Randy Oliver
ScientificBeekeeping.com

First published in ABJ July 2016

Del 1. Klustrets uppbyggnad

English summary: The bees need to keep the body temperature above 15 degree C to function properly and at a lower temperature than 10 degree C they fall into a chill coma. To survive the harsch winter in the north they have developed the cluster which enables them to keep a nice climate in the core and even increase the core temperature to 35 degree C to keep brood sporadically. The below article is based on Randy Olivers origional article: “Understanding Colony Buildup and Decline: Part 13a – The Physics of the Winter Cluster”.

Problemet
Honungsbin, som är en tropisk insekt, måste hålla en kroppstemperatur på minst 15˚C för att fungera (och för att sätta yngel behövs ca 35˚C i yngelrummet). I en kall vintermiljö kräver detta betydande metabolisk produktion av energi, med honungsreserver som den enda bränslekällan. Kolonin står nu inför en problem. Klustret måste förbli tillräckligt varmt för att försvara sig och röra sig till sina honungsförråd, men ändå spara på kalorierna för att inte få slut på mat innan vårblomningen. Dessutom måste den tillhandahålla en vattenkälla för att späda ut den honungen för konsumtion. Under årmiljonernas utveckling har det europeiska honungsbiet kommit på hur man kan åstadkomma detta i den lätt isolerade håligheten i ett ihåligt träd. Ju bättre vi biodlare förstår den inblandade fysiken och biologin, desto bättre kan vi sköta våra samhällen som hålls i konstgjorda håligheter (bikupor).

Beskrivning av vinterklustret
Vinterklustret, som har förlorat det sista av sina kortlivade “sommarbin”, består nu till stor del av långlivade vinterbin. Under de kalla vintermånaderna undviker bina att föda upp yngel kontinuerligt och under perioden november-februari (i södra Sverige) förekommer yngel endast sporadiskt. Under viloperioden arrangerar bina i samhället sig i ett kluster av optimal storlek och form för att spara värme och minimera deras konsumtion av honung. Bilden nedan (fig. 1) visar bin i ett tätt kluster.

Hur kan bina hålla en konstant temperatur?
Vid kroppstemperatur < 10 ˚C hamnar bina i koma och dör så småningom och det har visat sig att de yttre mantelbinas bröstmuskler håller exakt den temperaturen.
Genom att klumpa ihop sig skapar de en effektiv isolering (jämförbart med arktiska fåglar) Southwick [2] och vid behov kan de skapa lika hög ämnesomsättning som en kolibri. Energibehovet vid 0˚C motsvarar en 15 W glödlampa och för att hålla temperaturen vid konstant 20 ˚C räcker den metaboliska energifrisättningen . Energiåtgången är som lägst vid 4-5 ˚C och stiger när yttertemperaturen sjunker och vid minus 20 ˚C är den lika hög som på sommaren vid full yngelsättning (fig 2).

Fig 2. Diagram från Southwick (1982). energiförbrukningen minskar ner till 5 ˚C för att därefter öka med sjunkande yttertemperatur. I södra Sverige ligger temperaturen ofta i spannet -5-+5 ˚C vilket ger en åtgång på drygt 1 kg/ månad för normalstort samhälle på ca 10-12000 bin.

Klustrets uppbyggnad
När temperaturen sjunker börjar samhället dra ihop sig och vid minus 15˚C är mantelns isolerande skikt endast några cm tjock tack vare binas goda isolering, bild 3. Värmefördelningen visas i fig 5 där man tydligt ser att bina i manteln är svalare än bina i kärnan och eftersom värme går från varmt till kallt betyder det att mantelbina får värme från kärnan och inte tvärtom. Mantelbina producerar mängder av värme men den räcker nätt och jämnt för att hålla biet över “komatemperaturen” och deras uppgift är att isolera kärnan. Bina i kärnan kan röra sig relativt fritt och tar hand om drottningen (pilen) på samma sätt som de gör på sommaren. Endast några få bin behöver skapa extra värme för att höja kärnans temperatur från 20-25 ˚C (normalfallet) till 34-35 ˚C när det är dags att sätta yngel.

**Fig 3. Isotermer från Owens 1971** **visar hur klustret drar ihop** drar ihop sig när temperaturen sjunker från +6˚C ner till -17 ˚C. Alla figurerna visar Isotermer “från sidan” och “bakifrån” och man ser tydligt att den isolerande manteln minskar sin tjocklek (röda pilar, 10-20˚C ) medan kärnan (gula pilar, över 20 ˚C) i stort sett är lika stor oberoende av yttertemperatur.

**Bild 4. Farar (1944). Ca 18000 bin från samhälle i norra USA**. Den inre linjen visar kärnan där bina rör sig fritt och den yttre linjen visar mateln där bina sitter så tätt det går. I den nedre lådan ser vi tomma celler (“fiskbensstruktur”) och i den övre ser vi dels honungsfyllda celler (rutmönstrade) och pollenceller (mörka). **Bina har tillgång till både honung och pollen i tillräckjlig mängd vilket garanterar en bra övervintring i tufft klimat**.

Bild 5. Foton från Stabentheiner. Till vänster ser vi klustrets värmeprofil där det är som minst 10 ˚C i ytterkant av manteln och 30 ˚C i kärnan. Endast några få bin alstrar värme för att lokalt värma upp kärnan. Bilden ovan visar ett par bin som alstrar värme och de kan kortvarigt nå upp till över 40 ˚C

Referenser:
[1] Understanding Colony Buildup and Decline: Part 13a – The Physics of the Winter Cluster
[2]Southwick, EE (1982) Metabolic energy of intact honey bee colonies. Comp. Biochem. Physiol 71A: 277-281.
[3] Owens, CE (1971) The thermology of wintering honey bee colonies. USDA Technical Bulletin 1429.
[4] Farrar-1944-Productive-management-of-honeybee-colonies-1
[5] Stabentheiner, A, et al (2003) Endothermic heat production in honeybee winter clusters. Journal of Experimental Biology 206: 353-358