ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

Природные электромагнитные явления обладают высокой вариабельностью во времени и пространстве. Градиент магнитного поля (МП) Земли изменяется от экватора к полюсам. На Северном магнитном полюсе напряженность МП составляет около 48 А/м, на Южном — 56 А/м и на экваторе — 32 А/м.

: В истории Земли положение магнитных полюсов многократно изменялось. В палеозойскую эру они находились у экватора. Смещения магнитных полюсов порождаются процессами в недрах Земли и ее коры. Периодичность значительных вариаций МП Земли составляет примерно 0,1 млн. лет.

Магнитные бури, достигающие 200 гамм, связаны с изменением солнечной активности. Они имеют выраженные 11-летние и 27-суточные циклы. Суточные вариации горизонтальной- составляющей МП до 20—30 гамм порождаются влиянием ультрафиолетового излучения Солнца на токи в ионосфере.

Разность потенциалов между нижней границей ионосферы (50—60 км) и поверхностью Земли достигает 400 кВ, а величина постоянного электрического тока составляет около 10 *16 А/см. Возникновение - переменного тока в атмосфере Земли связано преимущественно с зарядами облаков. Порождаемые этим электрические разряды (атмосферики) занимают широкий диапазон частот (Чалмерс, 1974).

Естественный фон электромагнитных полей и ионизирующих излучений подвержен антропическому воздействию. В некоторых ' местах электромагнитные поля антропического происхождения многократно превышают их естественные уровни. Индустриальные МП могут превосходить естественные на несколько порядков. Значительное локальное искажение электрических полей (ЭП) порождают высоковольтные линии электропередачи.

Магнитная восприимчивость. Многие вещества биологического происхождения обладают магнитной восприимчивостью, что было обнаружено М. Фарадеем (1845). Магнитная восприимчивость выражается в изменении механической силы, действующей на вещество, помещенное в неоднородное МП.

У парамагнитных веществ (кислород, калий, алюминий) магнитная восприимчивость немного больше, а у диамагнитных (серебро, свинец, медь и др.) — меньше единицы. Высокой намагничиваемостью обладают ферромагнитные вещества (железо, кобальт, марганец, хром). Их магнитная восприимчивость достигает нескольких десятков, а иногда тысяч единиц. К тому же ферромагнитные вещества сохраняют МП после прекращения намагничивания.

Ферромагнитными свойствами обладает магнетит. В виде кристаллов он содержится в клетках магнитотоксических бактерий (Frankel et al., 1979,'Balkwill et al., 1980). Кристаллы магнетита обладают сильным остаточным магнетизмом, достигающим 9* 10“4 электромагнитной единицы на 1 г сухого вещества,- В ч цитоплазме бактерий магнетит локализуется цепочками, выполняющими роль компаса, реагирующего, на действие МП напряженностью 8 А/м (Frankel et al., 1980). e

Кристаллы магнетита размером 300—350 А обнаружены в передней чаісти брюшка пчел. Величина естественного остаточного магнетизма у них составляет. 1,2* 10~ь электромагнитной единицы. МП ориентировано поперек оси тела. По показателям магнетизма от взрослых пчел не отличаются куколки старшего возраста. У молодых куколок, личинок и яиц остаточный магнетизм совсем не регистрируется или он не превышает 0,2-0,4* 10"6 электромагнитной единицы. Для де- магнитизации пчел до 0,01-10-6 электромагнитной единицы достаточно воздействие переменного МП напряженностью 1,68* 10° А/м (Gould et al., 1978). Следовательно, пчелы могут воспринимать МП, напряженность которого не ниже 8*10? А/м. "              .

Гомогенат тела пчел притягивается электромагнитом, обеспечивающим МП напряженностью 4 *10? А/м. Судя по силе, действующей на этот гомогенат, его магнитная восприимчивость составляет в среднем — 0,405 *10 6 электромагнитной единицы. Различий по силе действия МП на гомогенаты брюшных, грудных или головных отделов пчел не обнаружено (Павлович, 1985), что служит показателем сходства их диамагнитных свойств.

Реагирование пчел на градиенты и вариации МП. Градиент МП. Пчелы ориентируются в МП. Они в состоянии дифференцировать полюса магнита. Посредством подкормки пчел у положительного полюса и раздражения током у отрицательного обнаружено, что они реагируют на изменение МП. В среднем их чувствительность составляет 260 мТ. У некоторых пчел она была в 10 раз ниже указанного значения (Walker, Bitterman, 1989).

. Обнаружено, что при возможности выбора пчелы предпочитают локализоваться в зоне с повышенной плотностью магнитного потока. В частности, пчелы, помещаемые поодиночке на диэлектрическую поверхность размером 30x10 см, направлялись преимущественно в область повышенной плотности магнитного потока. Он создавался двумя электромагнитами и находился в пределах от 0,5 до 22 Гс (Caldwell, Russo, 1968).

В указанных условиях на поведение пчел могли повлиять процессы, сопутствующие работе электромагнитов. К числу таких процессов с высокой вероятностью ;можно отнести микровибрации опорного субстрата, порождаемые включенными электромагнитами. На микровибрации пчелы реагируют торможением двигательной активности (Еськов, 1979). Влияние градиентов МП вызывает сомнение также потому, что в специальных исследованиях не обнаружено реагирования пчел на изменения напряженности ЭП от 0 до 10 Гс (частота тока была в пределах 50—1000 Гц). Стеклянный садок с пчелами находился в солинои- де. В садке содержалось по 200 пчел (Еськов, Миронов, 1990).

Аномалии гнездовых построек обнаружены в зонах с напряженностью МП, превышающей естественную примерно в 10 раз (Lindauer, 1973, 1974). Однако в специальных исследованиях не получило подтверждения влияние искажений напряженности МП v на конструкцию сот (Еськов, 1990). . Исследования выполнены в период интенсивного строительства сот. В середине двух пустых рамок (без проволоки и вощины) укреплялось по три постоянных магнита размером 75x55x20 мм. Они располагались параллельно на расстоянии 65 мм друг от друга. Один из крайних магнитов был обращен к среднему одноименным, другой (с противоположной стороны) — разноименным полюсом. Напряженность МП между первыми приближалась к нулю, между вторыми — достигала 400 Г с. Рамка с этими магнитами находилась между крайними сотами, ограничивавшими гнездо. С противоположной его стороны также размещались две рамки, но с бронзовыми вставками. Они локализовались в рамке подобно , магнитам, соответствовали им по размеру и массе.

Отстройка сот на той и другой рамках начиналась в простран-* ствах между их углами и магнитами или бронзовыми вставками. Затем застраивалось пространство между этими металлическими

преградами. Ориентация сот не имела отличий между магнитами и бронзовыми вставками. Не различались также размеры ячеек сот. Диаметр пчелиных ячеек находился в пределах 5,3—5,4 мм, трутневых — 6,9—7,0 мм. После завершения строительства сот их верхнюю часть пчелы заняли медом, среднюю — расплодом. Он имел сходное размещение в ячейках сот, отстроенных между магнитами (независимо от ориентации их полюсов) и бронзовыми вставками. Обнаружено лишь небольшое (на 10—15%) превышение скорости отстройки сот на рамках с магнитами.

Суточные вариации МП. Пчелы-сигналыцицы, находясь на вертикальной поверхности неосвещенного сота, ориентируются по вектору гравитационной силы. Если направление к цели совпадает с^gt; направлением солнечного азимута, то пчела, совершая маятникообразные движения брюшком, перемещается вверх. Она перемещается вниз, если цель находится в противоположной стороне, но на одной линии с ульем и направлением на солнце. Отклонение направления движения от вектора силы тяжести в ту или другую сторону соответствует углу между направлением от улья к цели и солнцу.

От положения Солнца и цели зависит точность указания угла между ними. Она имеет выраженную тенденцию к уменьшению с увеличением угла между вертикалью и направлением передвижения пчелы-сигналыцицы. Точность направления ее движения подвержена также влиянию суточных вариаций МП Земли. Связанные с ними «ошибки» указания направления достигают 30—35° (Frisch, Lindauer, 196 іу.

Посредством локального изменения МП Земли возможно уменьшение или увеличение отклонения («ошибки») указываемого пчелой-сигнальщицей угла от реального расположения цели по отношению к направлению на Солнце. Помещение улья в катушку Гемгольца диаметром 2 м, компенсировавшую МП Земли до 0—5%,-уменьшает «ошибку» указания направления в среднем в 3,4 раза. При этом «ошибка» в сторону превышения указываемого угла к цели уменьшалась в 1,75, занижания — в 1,5 раза. В случае локального увеличения напряженности земного МП в 9—13 раз «ошибка» указания направления возрастала до 2 раз (Lindauer, Martin, 1968).

Пчелы реагируют на локальное изменение напряженности МП с некоторой задержкой. На компенсацию МП Земли пчелы реагировали уменьшением «ошибки» указания направления примерно через 30 мин. Она восстанавливалась до уровня, характерного для определенного времени суток, через 10— 15 мин. после отключения питания катушки Гемгольца. На повышение напряженности МП пчелы реагировали намного

'              **              л

медленнее. Отмеченное усиление МП стимулировало увеличение «ошибки» лишь к концу 2-х суток его действия.

С суточными вариациями. МП связана изменчивость структуры звуков, генерируемых пчелами-сигналыцицами. Подобно «ошибке» указания направления уменьшается вариабельность структуры этих звуков под влиянием компенсации земного МП (Kilbert, 1979). Это влияет также на активность пчел-сигналыциц (Martin et al., 1989). Однако не обнаружено влияния локального изменения напряженности МП от 10,3 до 70,0 А/м на динамику циркадного ритма пчел (Neumann, 1988).

Итак, в некоторых ситуациях пчелы реагируют на суточные вариации МЦ Земли. Они используются в системе указания направления к цели полета и расстояния до нее. Исходя из того, что диапазоны невозмущенных (спокойных) вариаций вертикальной и горизонтальной составляющей МП Земли находятся в пределах 13—25 нТл, порог чувствительности к магнитной индуїщии очевидно не должен превышать эти значения.

Развитие пчел в условиях, отличающихся по индукции магнитного потока. Исследование выполнено на развивающихся рабочих пчелах. Участки сот с расплодом после запечатывания ячеек помещали между параллельно расположенными плоскостями постоянных магнитов (размер — 75x55 мм, расстояние между ними — 65 мм). За счет разной ориентации их полюсов плотность магнитного потока превосходила естественную примерно в 600 или была ниже ее в 6 раз. Расплод, находившийся между магнитами и вне зоны их действия, инкубировался при 34,5+ 0,5°С (Еськов, 1991 г.).

Не обнаружено влияния повышения или понижения плотности магнитного потока на жизнеспособность развивавшихся пчел. Их гибель вне зоны действия магнитов и между ними независимо от ориентации полюсов не имела отличий. Пчелы, развивавшиеся в условиях, отличавшихся по плотности магнитного потока, не различались по морфометрическим признакам (измеряли размеры 4-х тергитов, передних и задних крыльев).

Обнаружено некоторое влияние изменений' напряженности МП на массу тела. У пчел, развивавшихся при естественной плотности магнитного потока, масса тела составляла в среднем

5. мг (lim — 100—134; Cv=6,5%), между разноименными полюсами магнитов на 7,3 одноименными — на 2,0% меньше. Это связано в основном с. отличиями по массе ректумов. Она была меньше, чем у пчел, которые развивались в условиях, нормальных по плотности магнитного потока, соответственно на 57 и 21%. Отмеченные различия не связаны с содержанием воды. Ее средние значения независимо от условий развития пчел не различались более чем на 1%.

В естественных условиях’ пчелы нередко подвергаются действию постоянного и переменного тока. Природа действующего на них постоянного тока связана в основном с электризацией, переменного — с наводками (см. «Низкочастотные ЭП»). В пчеловодстве стимуляции пчел током используются для получения яда (Benton et. al., 1963, 1966; Gatuszka, 1973 и др.)

Личинки. Чувствительность личинок рабочих пчел к переменному току определена по стимулируемым им микровибрациям мышц. Личинки находились в поле зрения бинокулярной лупы (16 или 32-кратное увеличение). Сила тока, протекавшего через личинок, контролировалась микроамперметром (Еськов, 19936).

С повышением частоты от- 10 до 5000 Гц чувствительность личинок к току уменьшается в среднем в 137 раз. Порог чувствительности слабо повышается в диапазоне от 10 до 500 Гц и резко — от 1000 до 5000 Гц. В первом из них на 50-кратное повышение частоты чувствительность уменьшается в 13,1, во втором — на 5-кратное — в 5,2 раза (рис. 105). На частоте 10 Гц порог чувствительности составляет в среднем 0,029 мА (lim.— 0,012—0,050; Cv=48%), на 100 Гц — 0,13 (lim.—0,10—0,16; Cv=23%), на 500 Гц — 0,40 (lim— 0,22—0,70; Cv=41%), на 1000 Гц — 0,77 (lim.— 0,32—1,30; Cv=48%) и на 5000 Гц— 3,98 мА (lim.— 1,6—6,8; Cv=46%).

Рабочие пчелы. Частотная характеристика чувствительности к току определена на пчелах, наполняющих зобики 60%-ным водным раствором сахарозы. Напряжение подводилось к металлической пластине, служившей опорным субстратом для пчел, и электроду, помещенному в раствор сахарозы. Ток, протекающий через пчелу во время наполнения ею зобика, увеличивали до уровня, стимулирующего выраженные признаки реагирования (Еськов, Сапожников,' 1979).

Чувствительность к току с повышением частоты от 50 до 2500 Гц уменьшается в среднем в 11,7 раза. Наибольшей эффективностью обладает постоянный ток. Реагирование на него обнаружено при 0,1 • 103 нА. Переменный ток частотой 50 Гц стимулирует адекватную реакцию при 0,18* 103 нА. С повышением его частоты до 250, 1000 и 2500 Гц необходимо увеличение силы тока соответственно до 0,25* 103, 0,81* 103 и 2,1* 103 нА (рис. 105). В отличие от этого активное сопротивление с увеличением частоты понижается. Оно детерминируется в основном сопротивлением току контактирующих с поверхностью проводника участков ног пчелы. Сопротивление к постоянному току у них составляет в среднем 14 мОм, на частоте 50 Гц — 4,6, 500 Гц —

3. и 2500 Гц— 1,7 мОм.

мкА

Рис. 105. Частотная зависимость реагирования личинок (А), взрослых рабочих пчел (Б) и половозрелых трутней (В) на стимуляцию электрическим током (пояснения в тексте). ,

Итак, сила тока, необходимая для стимуляции реагирования на него пчел, наполняющих медовые зобики углеводным кормом, зависит от частоты. Эта зависимость характеризует функциональные свойства механизма частотной дискриминации к электрическому току. Однако обнаруженные значения реагирова-4 ния на него существенно превосходят реальные пороговые уровни чувствительности, так как сильная трофическая мотивация пчел- фуражиров снижает эффективность других отвлекающих стимулов. Пороги чувствительности к току можно ВЫЧИСЛИТЬ, используя минимальные напряженности низкочастотных ЭП, раздражающих пчел, и значения наводимых в них токов. В частности, в ЭП частотой 60 Гц при напряженности 20 кВ/м через пчелу протекает наведенный ток силой 480 нА (Bindokas et al., 1989]. Для возбуждения пчел, находящихся в гнезде, достаточна стимуляция ЭП напряженностью 0,5 кВ/м (Еськов, 1982 в, 1990). Отсюда максимальная чувствительность к току может составлять 12 нА.

Трутни. Переменный ток стимулирует у трутней реакцию выворачивания эндофаллуса. Эта реакция зависит от частоты. На стимуляцию 10 Гц током посредством электродов, контактирующих латерально с брюшными отделами трутней, выворачивание ими эндофаллусов происходит, когда его сила достигает в среднем 100,7 мкА. С повышением частоты тока до 1000 Гц необходимо увеличение его силы в 4 раза (Еськов, Миронов, 1990а). В указанном диапазоне частотная характеристика реагирования трутней, личинок и взрослых рабочих пчел на стимуляцию током несущественно различается. Отличается лишь величина тока, стимулирующая ту или иную реакцию (рис. 105).

v ПОСТОЯННЫЕ ЭП

Отношение пчел к постоянному ЭП и изменению его напряженности оценивали по терморегуляторной активности, спектральной структуре И интенсивности генерируемых ;ИМИ звуков. Пчелиные семьи жили в 12-рамочных ульях. В них находилось примерно по 30 тыс. взрослых и развивающихся пчел. Минимальная напряженность ЭП (напряжение прикладывалось к двум металлйческим пластинам, покрытым изоляционным материалом) составляла 5 кВ/м. На такую же величину ее трехкратно повышали через 5-минутные интервалы (Еськов, Миронов, 1990).

Не обнаружено изменений внутригнездовой температуры, под влиянием действия на пчелиные семьи постоянного ЭП или повышения его напряженности. В частности, до подключения напряжения к электродам температура в центре гнезда равнялась в среднем 34,9°С (Cv=0,2%). В течение 5 мин. действия ЭП напряженностью 5 кВ/м среднее значение температуры составляло 34,8°С (Cv=0,l%). В течение таких же интервалов действия ЭП напряженностью 10 кВ/м и 15 кВ/м температура равнялась gt; соответственно 34,9° С (Cv=0,2%) и 34,7° С (Cv=0,2%). В течение всего этого времени внешняя температура не выходила за пределы 23—26° С.

Подобно этому не обнаружено изменений интенсивности звуков в полосе от 150'до 500 Гц. Спектральные составляющие этого диапазона взяты для контроля за состоянием пчел, так как сильно зависят от него (Еськов, 1979). До включения ЭП интенсивность звуков указанного диапазона составляла в среднем 63,4 дБ (С=3,2%). Во время действия ЭП напряженностью 5 кВ/м их интенсивность равнялась 63,3 дБ (С=3,3%), 10 кВ/м —63,1 дБ (С=3,4%) и 15 кВ/м — 63,2 дБ (С=3,9%).

Пчелы индифферентно относятся к локальным повышениям напряженности постоянного ЭП. Они не реагируют’на постоянные ЭП при подлете, пребывании или вылете из зоны его действия. В частности, поведение пчел, приученных посещать кормушку, расположенную между двумя металлическими пластинами, не изменялось под влиянием прикладываемого к ним напряжения. Напряженность ЭП у кормушки составляла 10—г 15 кВ/м (Еськов, 1966).

При явно выраженном индифферентном отношении к постоянному ЭП, пчелы специфически реагируют на прикосновение к проводнику, подсоединенному к источнику постоянного тока. Например, резкое торможение локомоций стимулирует металлическая пластинка, подключенная к одной клемме источника постоянного тока напряжением 300 В или заряженного от него конденсатора. Пластинка шириной 1,5—2,5 см, расположенная у выхода из летка, замедляет скорость их передвижения в 5—7 раз. Прикосновение к пластине не возбуждает пчел. Напротив, оказавшись на ней, пчелы продолжают двигаться. Но все движения во время перемещения по пластине замедляются. После преодоления пластины локомоторная активность восстанавливается. Она не изменяется в то время, когда эта пластина отключена от источника напряжения.