در مناطق سرد زمستانی، درجه حرارت برای خروج کارگران بسیار سرد می‌شود و به هر حال هیچ شهد یا گرده‌ای برای خوردن وجود ندارد. در پاسخ، ابرگانیسم زنبور عسل اروپایی به نوعی «خواب زمستانی» می‌رود تا ذخایر غذایی خود را تا زمان‌های بهتر حفظ کند.
دو پدیده جداگانه وجود دارد که در این مرحله از زندگی کندو اتفاق می‌افتد:
توقف پرورش نوزاد در پاسخ به کمبود گرده‌های ورودی و نیاز کلنی به صرفه جویی در انرژی در هوای سرد. هر دو پدیده فوق به طور همزمان در آب و هوای سرد زمستانی رخ می‌دهد، که ممکن اس
ت فرد را به این فکر بیندازد که لزوماً به فصل، طول روز یا دما مرتبط است. در واقع، پاسخ به کمبود گرده و پاسخ به دمای سرد مستقل از یکدیگراند، اما این دو اتفاق در مناطق سرد زمستانی همپوشانی دارند. در مناطق خشک نیمه گرمسیری یا گرمسیری، به دلیل کمبود گرده یا شهد ورودی، کلنی ممکن است مجبور شود در طول خشکسالی اواخر تابستان به حالت «بازمانده» تغییر مکان دهد. برخی از نژادهای زنبور عسل غربی (مانند برخی نژادها یا هیبریدهای آفریقایی) با فرار و مهاجرت به دنبال چراگاه می‌روند. برخی دیگر به سادگی پرورش مولدین را به طور کامل متوقف می‌کنند و منتظر می‌مانند تا در پاییز دوباره شکوفه‌دهی شروع شود و پس از آن پرورش مولدین را دوباره آغاز کنند.
از سوی دیگر نحوه برخورد کلنی با شرایط سرد است. گونه‌های زنبور منفرد معمولاً به صورت شفیره‌های خفته زمستان گذرانی می‌کنند. زنبورهای بامبل و زنبورهای اجتماعی به عنوان ملکه‌های جفت‌گیری کرده به طور خاص زمستانگذرانی می‌کنند. برخی از گونه‌های آسیایی زنبور عسل (مانند Apis dorsata) برای زمستان به مناطق گرمتر مهاجرت می‌کنند. در مقابل، کلنی زنبور عسل اروپایی از توده بدنی قابل توجه خود (درون خوشه) و عادت لانه سازی در حفره درخت محافظت شده برای حفظ دمای کنترل شده، مشابه دمای یک پرنده یا پستاندار گرمازا استفاده می‌کند. به عبارت دیگر وارد حالت خواب زمستانی با متابولیسم پایین می‌شوند و با چربی ذخیره شده خود زندگی می‌کنند). زنبور عسل تنها حشره‌ای است که در آب و هوای سرد زمستانی است که دمای بدن را بالا نگه می‌دارد و این کار را با (تامین انرژی) از عسل ذخیره شده خود انجام می‌دهد.
در این قسمت، بیشتر در مورد فیزیک خوشه در زمستان سرد بحث می‌شود.
کشف یک معما
زنبورهای عسل یک حشره گرمسیری‌اند، برای عملکرد خود باید دمای بدن خود را حداقل 60 درجه فارنهایت (5/15 سانتی گراد) حفظ کنند (و دمای نوزاد در محدوده 94 تا 95 درجه فارنهایت 4/34 درجه سانتیگراد). در یک محیط سرد زمستانی، این نیاز به تولید انرژی متابولیکی قابل توجهی دارد که ذخایر عسل تنها منبع سوخت است. این کلنی اکنون با معمایی مواجه است. این خوشه باید به اندازه کافی گرم بماند تا بتواند از خود دفاع کند و به انبارهای عسل خود برود، با این حال باید هر کالری ممکن را حفظ کند تا قبل از شکوفه بهار غذا تمام نشود. علاوه بر این، باید منبع آب برای رقیق کردن آن عسل برای مصرف فراهم شود.
در طول تکامل، زنبور عسل اروپایی متوجه شده است که چگونه می‌تواند تمام موارد فوق را در حفره درخت توخالی با عایق کمی انجام دهد. هر چه ما زنبورداران فیزیک و زیست شناسی کندو را بهتر درک کنیم، می‌توانیم کلنی‌های خود را که در حفره‌های مصنوعی (کندو) نگهداری می‌شوند، بهتر پرورش دهیم.
شرح خوشه زمستانی
خوشه زمستانی که آخرین «زنبورهای تابستانی» عمر کوتاه خود را از دست داده است، اکنون عمدتاً از زنبورهای دوتینوس (زنبورهای زمستان گذران) با عمر طولانی تشکیل شده است. با توجه به نشانه‌های رفتاری هنوز نامشخص، زنبورها از پرورش مولدین خودداری می‌کنند (یا فقط به صورت پراکنده آن را پرورش میدهند) تقریباً یک ماه یا بیشتر قبل از (معمولا) باروری مداوم از ژانویه به بعد، در طول دوره خواب، زنبورهای موجود در کلنی یک خوشه با اندازه و شکل بهینه قرار میدهند تا گرما را حفظ کنند و مصرف ذخایر را به حداقل برسانند.
کاربرد عملی:
بهترین نتیجه با کلنی‌هایی است که زمستان را به عنوان یک خوشه محکم، با اندازه خوب و بسیار آرام شروع می‌کنند که عمدتاً در اتاقک پایینی نوزادان متمرکز شده است، با مقدار زیادی شانه‌های پر عسل بالای آن. کلنی‌های که در بازرسی زمستانی «بیدار» یا در زیر درب فعال هستند، معمولاً مشکل دارند.
زنبورهای موجود در پوسته عایق به دلیل دمای پایین قفسه سینه، نسبتاً گیر کرده اند و یک یا دو دقیقه طول می‌کشد تا گرم شوند. این توانایی کلنی را برای دفاع از خود در برابر غارتگران زمستانی مانند موش کاهش می‌دهد. اما زنبورهای گرم درون هسته می‌توانند به سرعت راه خود را برای دفاع از کلنی در صورت لزوم بیرون برانند – این مزیت برای نگه داشتن برخی از سربازان در حال آماده‌باش است (شکل 3).
فیزیک خوشه
این خوشه زمستانی در حفظ گرما کاملاً کارآمد است – یک خوشه 12 قابی (6 پوند زنبور تقریبا 7/2 کیلوگرم) با دمای داخلی 94 درجه فارنهایت (4/34 درجه سانتیگراد) فقط در حدود 25 وات انرژی در دمای انجماد مصرف می‌کند (شکل 4؛ این خروجی گرما را با آن مقایسه کنید. یک لامپ 25 واتی). این کارایی در حفظ گرما، با بهترین مهره داران سازگار با سرما برابری می‌کند. همانطور که توسط Southwick مشاهده شد: “پاسخ خوشه زنبور عسل شبیه به پترمیگان (پرنده‌ای شکاری از خانواده با قرقره‌ها با جثه‌ای متوسط اندازه کبک) است، پرنده‌ای با عایق بسیار خوب (با پرهای پوشیده و متراکم حتی روی پاهایش) ساکن مناطق قطبی و کوهستانی غرب آمریکای شمالی.”
او میزان متابولیسم را با اندازه‌گیری مصرف اکسیژن اندازه‌گیری کرد.
کاربرد عملی: داده‌های سوتویک Southwick نشان می‌دهد که کلنی زنبور عسل در دمای محیط بین انجماد و 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد)، با افزایش مصرف انرژی در خارج از این محدوده، به طرز شگفت‌آوری مصرف انرژی کارآمد دارد. در دمای حدود 40 درجه فارنهایت (4 درجه سانتیگراد) – دمایی که برای زمستانهای داخلی توصیه می‌شود – بسیار بدتر است. (جدول 1).
کاربرد عملی: در تجربه نویسنده، کمترین کارآمدی زمستان گذرانی در حدود 55 تا 60 درجه فارنهایت (13 تا 16 درجه سانتیگراد) رخ می‌دهد، زمانی که به اندازه کافی برای چرای زنبور عسل هوا گرم نیست، در عین حال به اندازه کافی سرد نیست که یک خوشه فشرده تشکیل دهد، برای تولید نوزادان انرژی زیادی هدر می‌رود زیرا کلنی هر روز برای آماده‌سازی برای جستجوی احتمالی شهد و گرده (و اغلب بی‌ثمر) خوشه را ترک می‌کند.
در طول سال‌ها، تعدادی فرضیه و مدل ارائه شده است تا توضیح دهد که چگونه خوشه دمای خود را تولید و تنظیم می‌کند تا چنین بازده انرژی شگفت‌آوری را تحقق بخشد.
سیمپسون (1961) توضیح می‌دهد:
یک فرض غلط این بوده است که چون مرکز یک خوشه گرمتر از محیط اطراف است، زنبورهای مرکز باید گرمای بیشتری نسبت به زنبورهای بیرون تولید کنند. اما قوانین انتقال حرارت به ما می‌گویند که اگر زنبورهای مرکز گرما تولید کنند، باید دائماً گرما را به زنبورهای بیرونی بدهند تا در دمای ثابت باقی بمانند و گرما فقط از یک منطقه گرمتر عبور می‌کند و زنبورهای درونی باید گرمتر از زنبورهای بیرونی باشند.
این فیزیولوژیست افسانه ای حشرات، برند هاینریش بود که نشان داد حتی تولید گرمای متابولیکی پایه توسط زنبورهای داخل خوشه برای حفظ محیط گرمسیری در داخل خوشه کافی است، تا زمانی که یک لایه عایق از زنبورها در خارج باشند.
من تردید دارم که بگویم ما به طور قطعی تمام سیستم تنظیم گرمای خوشه را درک می‌کنیم، اما خلاصه آنچه محققان مطالعه کرده‌اند نتیجه می‌دهد که:
نقطه شروع ما این است که زنبور عسل یک حشره گرمسیری است و باید دمای بدن نسبتاً بالایی را حفظ کند. همانطور که توسط Johannson اشاره شده است: “حیوانات کوچک با مساحت سطح بزرگ نسبت به توده بدن خود گرمای نسبتاً بیشتری را از دست میدهند و باید میزان متابولیسم بالاتری را حفظ کنند.” زنبورهای عسل در هوای خنک با جمع شدن در کنار هم و ایجاد یک ابر ارگانیسم خونگرم بزرگتر، این مشکل را حل می‌کنند.
در یک روز خنک، چند زنبور را روی زمین تکان دهید، آنها بلافاصله شروع به جمع شدن برای گرما می‌کنند. با نزدیک شدن به یکدیگر، آنها می‌توانند گرمای متابولیک خود را به اشتراک هدر می‌رود، در حالی که میزان سطحی که گرما از این اشتراک بین می‌رود را به حداقل می‌رساند. یک خوشه ناپایدار متشکل از چند پوند زنبور، گرمای متابولیکی بسیار کمی تولید می‌کند، همانطور که هر کسی که دست خود را بالای دسته یا بسته ای از زنبورها در یک روز خنک گذاشته باشد، می‌تواند تأیید کند.
همانطور که سیمپسون توضیح داد: «یک زنبور غیرفعال در دمای 35 درجه سانتیگراد حداقل 1 میکرولیتر اکسیژن در دقیقه مصرف می‌کند. این، نسبت به وزن بدن، با مصرف اکسیژن مردی که کارهای یدی توان فرسایی انجام می‌دهد، قابل مقایسه است… یک زنبور در حال پرواز یا شاید 100 برابر بیشتر از یک زن در حال استراحت، گرما تولید کند.
زنبوری که می‌خواهد تولید گرمای خود را افزایش دهد، می‌تواند ماهیچه‌های عظیم بال قفسه سینه‌اش را به صورت ایزومتریک به ارتعاش درآورد (شاید ارتعاش را نبینید، اما می‌توانید پمپاژ شکمش را در حین تنفس شدید تماشا کنید). زنبورها قادر به تولید نرخ متابولیسمی برابر با مهره داران پرانرژی مانند مرغ مگس خوار هستند. اما زنبور هرگز نباید به خود اجازه دهد خیلی سرد شود – در دمای حدود 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد) به “کما سرد” می‌رود، در نتیجه توانایی فعال کردن مجدد عضلات پرواز خود را برای گرم کردن از دست می‌دهد و در نهایت می‌میرد.
بنابراین، 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد) کمترین دمای مجاز برای هر زنبور در خوشه است. و این دقیقاً دمای قفسه سینه بیرونی ترین زنبورها در خوشه است که یک پوسته عایق بسته بندی شده محکم از کارگران را تشکیل می‌دهد که تقریباً 1-3 اینچ ضخامت دارد. همانطور که توسط Southwick توضیح داده شده است، این بیرونی ترین زنبورها معمولاً رو به داخل (یا اگر قطرات آب متراکم شده روی پشتشان چکه می‌کند) رو به بالا هستند، “قفسه سینه به قفسه سینه با انبوهی از کرک‌های سینه ای به هم پیوسته.”
این جهت گیری سر در زنبورهای پوسته از آناتومی آنها استفاده می‌کند – سیستم گردش خون زنبور همولنف (و هر گرما) را به سمت سر پمپ می‌کند. و به دلیل آرایش مبادله جریان آئورت در دمبرگ (کمر)، عملاً هیچ گرمایی به شکم نمی‌رسد. بنابراین، پوسته ای از زنبورهای محکم بسته بندی شده (از جمله آنهایی که در سلول‌های خالی هستند) به عنوان ترکیبی از عایق (به دلیل “موهای” پرزدار که بدن آنها را پوشانده است)، مانعی برای گردش هوای همرفتی (در نتیجه گرما و رطوبت را به دام می‌اندازد) عمل می‌کند. خوشه)، و به عنوان یک “پمپ حرارتی” که به طور مداوم گرما را به سمت مرکز خوشه به عقب می‌راند عمل می‌کند.
در هوای سرد، پوسته عایق زنبورها گرادیان دما را از حدود 48 تا 65 درجه فارنهایت (9 تا 18 درجه سانتیگراد) حفظ می‌کند – خنک در بیرون، گرمتر به سمت مرکز. این خوشه به دلیل اینکه زنبورهای گوشته به سمت داخل سر قرار دارند، کمترین میزان گرما را ساطع می‌کند، با همولنف آنها، گرما را از ماهیچه‌های سینه ای مولد گرما به سمت سرشان پمپاژ می‌کند – و فقط شکم سرد آنها را در معرض هوای سرد خارج از خوشه قرار می‌دهد. و هنگامی که پوسته زنبورها به اندازه معینی رسید، اتلاف حرارت آن با گرمای تولید شده توسط متابولیسم پایه ترکیبی زنبورها در تمام زنبورهای داخل خوشه به تعادل می‌رسد. در واقع، همانطور که توسط برخی از نژادهای شمالی زنبورها نشان داده شده است، همه زنبورهای یک خوشه به اندازه توپ نرم می‌توانند به دلیل متابولیسم پایه خود بالاتر از دمای کمای سرد باقی بمانند. همانطور که برند هاینریش مشاهده کرد، تولید گرمای متابولیکی پایه زنبورهای خوشه ای در پوسته به تنهایی برای حفظ گرمای کلنی بالاتر از دمای سرد بدون هیچ گونه تولید گرمای اضافی از هسته خوشه، کافی است.
چنین خوشه کوچکی برای زنده نگه داشتن یک کلنی برای مدت کوتاهی کافی است، اگر دو شرط ضروری دیگر نبود:
برای گرم کردن به اندازه کافی برای انتقال به سلول‌های عسل جدید، و برای پرورش کارگران جایگزین یا برای ساخت اوایل بهار، یک گلخانه را گرم می‌کرد و این ما را به هسته بسیار مهم می‌رساند. ایزوترم‌های اندازه‌گیری شده توسط اوونز نشان می‌دهد که این خوشه سعی می‌کند دمای هسته حدود 80 درجه فارنهایت (27 درجه سانتیگراد) را حفظ کند که به زنبورهای با فاصله کم اجازه می‌دهد در آنجا حرکت کنند، عسل مصرف کنند، از ملکه مراقبت کنند و غیره. پس بیایید به آن هسته 80 درجه فارنهایت فکر کنیم. زنبورهای موجود در پوسته هرگز به آن دما نمی‌رسند و از آنجایی که گرما فقط از مناطق گرمتر به مناطق سردتر منتقل می‌شود، نمی‌توانند مسئول دمای استوایی در هسته باشند. توجه داشته باشید که زنبورهای موجود در پوسته عایق، اگرچه گرما تولید می‌کنند، اجازه میدهند شکم آنها تا 40 درجه فارنهایت سرد شود. اما نویسندگان نشان میدهند که سر زنبورها گرمتر از قفسه سینه خود هستند، بدان معنی که آنها گرما را از هسته دریافت می‌کنند. در ترموگراف بالا، می‌توانید برخی از “زنبورهای گرمکن” را در هسته ببینید (موقعیت ملکه با فلش نشان داده شده است).
داده‌های استابنتالر نشان می‌دهد که بیشتر زنبورهای موجود در هسته، گرما را در سطح پایینی تولید می‌کنند، اما برخی واقعاً هر از گاهی تولید گرما را افزایش میدهند. به طور مشابه، تنها بخش کوچکی از زنبورهای گوشته به نظر می‌رسد که گرما را با سرعت فوق العاده بالایی تولید می‌کنند.
یافته‌های (کواک 2007) تنفس زنبورهای عسل در حال استراحت را نشان می‌دهد که سرعت متابولیسم پایه زنبور با گرم شدن محیط از 50 درجه فارنهایت به 95 درجه فارنهایت افزایش می‌یابد. همانطور که هاینریش توضیح می‌دهد، اگر گرما از خوشه خارج نشود، نرخ متابولیسم پایه برای زنبورهای داخلی کافی است تا خودشان را بپزند. بنابراین، وظیفه زنبورهای گوشته سفت کردن یا شل کردن برای حفظ یا تخلیه گرما (با باز کردن راه‌های تهویه) است. هر چه خوشه بزرگتر باشد، بیشتر مستعد گرم شدن بیش از حد است! بنابراین، زنبورهای گوشته فقط باید بالاتر از دمای کمای سرد بمانند، تا یک گرادیان دما از هسته گرم به بیرون خوشه ایجاد کنند، به طوری که گرمای اضافی بتواند از آن خارج شود و در صورت لزوم منقبض شوند تا در مواقع ضروری گرما را حفظ کنند.
به دلایل فوق، عموماً به نفع کلنی است که بزرگتر باشد – تا حد معینی. همانطور که توسط هاینریش توضیح داده شده است، هر چه تعداد زنبورها در خوشه بیشتر باشد، نسبت تولید گرمای متابولیکی به اتلاف حرارت از پوسته بیرونی بیشتر است بنابراین خوشه قادر است دمای هسته بالاتری را حفظ کند. در واقع، هنگامی که یک خوشه به اندازه توپ والیبال است، گاهی زنبورهای موجود در پوسته عایق ممکن است مجبور شوند برای جلوگیری از گرم شدن ناخواسته هسته به بیرون منبسط شوند (حداکثر دمای مطلوب 95 درجه فارنهایت (35 درجه سانتیگراد) خواهد بود. زنبورهای حجیم تکان داده شده متوجه خواهند شد که دسته بزرگی از زنبورها با چه سرعتی می‌توانند بیش از حد گرم شوند.
کاربرد عملی: بنابراین خوشه منبسط یا منقبض می‌شود (شکل 5) تا میزان تولید گرما خود را با سرعت از دست دادن گرما به تعادل برساند و دمای محیط اطراف خود را به اندازه کافی گرم نگه دارد تا زنبورهای داخل پوسته از سرد شدن جلوگیری کنند. نه خیلی گرم در هسته. احتمالاً زنبورهای موجود در پوسته وقتی سرد می‌شوند، محکم‌تر می‌شوند، اما هنوز دقیقاً مشخص نیست که کدام نشانه‌ها باعث انبساط آنها به بیرون می‌شوند. این هسته گرم همچنین گزینه دیگری را به کلنی ارائه می‌دهد – اگر لازم باشد، اکنون می‌تواند با افزایش دمای نزدیک به 94 تا 95 درجه فارنهایت (34 تا 35 درجه سانتیگراد) بچه‌زایی کند. Stabentheiner از یک دوربین تصویربرداری حرارتی استفاده کرد تا دقیقاً نشان دهد که چگونه نسبت کوچکی (حدود 15درصد) از زنبورهای موجود در هسته به عنوان “زنبورهای گرمکن” عمل می‌کنند (شکل 6) و در صورت نیاز به شدت گرما تولید می‌کنند. بقیه زنبورها منفعلانه از مهد کودک گرم لذت می‌برند. جالب اینجاست که برخی از این “زنبورهای گرمکن” گاه به گاه (کمتر از 10 ثانیه) به سطح پوسته خنک حمله می‌کنند، شاید برای نظارت بر دمای بیرون. یا شاید برای به دست آوردن رطوبت در پوسته با رطوبت بالا. برعکس، زنبورهای موجود در پوسته ممکن است برای تبخیر آب اضافی از روده‌هایشان (به منظور جلوگیری از اسهال خونی)، یا اجازه دادن به آنزیم‌های بدنشان برای رسیدن به فرآیندهای متابولیک در دمای بهینه، نیاز به سفر به هسته داشته باشند.
Stabentheiner A و همکاران (2010) تنظیم حرارت کلنی زنبور عسل – مکانیسم‌های تنظیمی و سهم افراد در وابستگی به سن، مکان و استرس حرارتی را تشریح کردند.
گرمای تولید شده توسط زنبورها در هسته را می‌توان به طور موثری توسط پوسته عایق زنبورها در خارج به دام انداخت که دمای هسته می‌تواند تا سطوح خطرناک افزایش یابد. در پاسخ، زنبورهای داغ محبوس شده در داخل پوسته عایق ممکن است سر خود را به زنبورهای پوسته رو به داخل فشار دهند که هم گرما را به بیرون منتقل می‌کند و هم سیگنالی به زنبورهای پوسته می‌دهد که شل شوند و در نتیجه باعث افزایش قدرت می‌شود. مساحت سطح خوشه (برای اتلاف حرارت بیشتر)، و همچنین باز کردن گذرگاه‌های بالایی در فضاهای بین شانه که از طریق آن هوای گرم می‌تواند توسط جریان‌های همرفتی خارج شود. کاربرد عملی: هر زنبوردار می‌تواند انبساط و انقباض خوشه را در پاسخ به دما مشاهده کند. با این حال، بهتر است برای خوشه مزاحمت ایجاد نکنید، مگر اینکه “شکسته” شده باشد، که معمولاً در دمای محیط بالای 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد) رخ می‌دهد. ایجاد اختلال در یک خوشه بزرگ و فشرده می‌تواند منجر به استرس شدید برای کلنی و گاهی اوقات مرگ ناگهانی شود.
تنظیم گازها در خوشه
برای بقای کلنی بسیار مهم است که مصرف ذخایر عسل در زمستان به حداقل برسد. آرایش فیزیکی زنبورهای حرارت دهنده و عایق، خوشه ای بسیار کارآمد انرژی تولید می‌کند. گاهی اوقات، شاید خیلی کارآمد باشد – حتی خروجی گرمای متابولیکی در حال استراحت از زنبورهای یک خوشه بزرگ ممکن است آنقدر گرما تولید کند که خوشه مجبور شود (برای خنک کردن) به حدی منبسط شود که انرژی گرانبها را هدر دهد. Van Nerum و Buelens این سوال را مطرح می‌کنند: “آیا دمای بالا [در هسته خوشه] عملکردی است یا صرفاً یک عارضه جانبی است؟”
آنها دریافتند که زنبورها یک ترفند دیگر در آستین دارند – با ایجاد یک مهر و موم تقریباً کامل هرمتیک در پوسته زنبورهای عایق (که نیاز به محدود کردن جریان هوا فقط در راه‌های عسل بین شانه‌ها دارد)، آنها در واقع می‌توانند میزان اکسیژن را کنترل کنند.، CO2 و رطوبت موجود در هوای محبوس شده و در نتیجه به حالت دیاپوز (یا خواب زمستانی) کاهش می‌یابد.
به نظر می‌رسد که خوشه‌های زمستان گذران نرخ متابولیک کمتری نسبت به نرخ متابولیک «در حال استراحت» زنبورهای مجزا نشان میدهند، که نشان می‌دهد زنبورهای خوشه زمستانی می‌توانند سرعت متابولیک خود را حتی بیشتر از یک زنبور معمولی «در حال استراحت» کاهش دهند. به نظر می‌رسد که آنها این کار را با رفتن به حالت “هیپوکسیک” (اکسیژن کم) انجام میدهند. غلظت طبیعی اکسیژن و CO2 در جو به ترتیب 21درصد و 0.04درصد است. در محدوده‌های تنگ خوشه، نسبت آن گازها به طور چشمگیری تغییر می‌کند – اکسیژن به حدود 15درصد کاهش می‌یابد و CO2 به طور چشمگیری به 6-10درصد افزایش می‌یابد (غلظت به اندازه کافی برای کشتن یک انسان). تنها در انتهای آن محدوده زنبورهای موجود در هسته، بادکش شنیداری را برای تازه کردن هوا آغاز می‌کنند.
خلاصه عملی: دقیقاً مشخص نیست که کدام نشانه‌ها (یا ترکیبی از آنها) باعث گسترش زنبورهای داخل پوسته می‌شود. نشانه‌ها می‌توانند دمایی باشند که با سرشان احساس می‌کنند، سطح غیرقابل تحمل دی‌اکسید کربن، یا شاید باد زدن و فشار دادن زنبورها به درون هسته‌ای که به دلیل دمای بیش از حد یا CO2 تحریک می‌شوند.
تحقیقات Van Nerum به طور تجربی نشان داد که در یک جو هیپوکسیک، زنبورها تا حد زیادی متابولیسم خود را کاهش میدهند، تا زمانی که CO2 از سطح معینی فراتر رود. به نظر می‌رسد این ترفند برای کلنی مفید است زیرا به حفظ ذخایر عسل کمک می‌کند. علاوه بر این، ممکن است برای حفظ آب مهم باشد.
زنبورداران اغلب برای جلوگیری از تجمع رطوبت در کندو در طول زمستان اقدامات زیادی انجام میدهند. باید این کار را با احتیاط انجام داد، موبوس توضیح داد که زنبورهای یک خوشه اغلب به دنبال آب هستند و هر چه خوشه بزرگتر باشد، بیشتر از کم‌آبی رنج می‌برند.
مشابه انسان، حشره با هر بازدم رطوبت خود را از دست می‌دهد (مگر اینکه در محیطی با رطوبت نسبی 100درصد باشد). حشرات از تمام ترفندهای موجود برای جلوگیری از کم آبی استفاده می‌کنند و زنبورها نیز از این قاعده مستثنی نیستند. زنبورها فقط دو بار در دقیقه نفس می‌کشند، مگر اینکه گرما تولید کنند، در این زمان می‌توان به راحتی مشاهده کرد که شکم خود را با سرعت بیشتری پمپ می‌کنند تا اکسیژن را وارد کرده و CO2 آزاد کنند. اما زمانی که میزان CO2 هوا افزایش می‌یابد (مانند خوشه‌های زمستانی) باید مارپیچ‌های خود را باز کنند و در نتیجه با سرعت بیشتری آب از دست بدهند.
زنبورهای خوشه، عسل را برای انرژی مصرف می‌کنند، اما باید آن را با آب رقیق کنند تا بتوانند آن را هضم کنند. پس این آب را از کجا می‌آورند؟ هنگامی که کلنی در روزهای گرم زمستان به هم می‌ریزد، می‌توانید کارگرانی را ببینید که ناامیدانه در جستجوی آب هستند. بقیه زمان، کلنی باید رطوبت گرانبهای خود را حفظ کند. برای شروع، داخل حفره را با بره موم و موم می‌بندند تا سطح را نسبت به آب غیرقابل نفوذ کنند. و سپس از رطوبت نسبی و تراکم بهره می‌برند.
رطوبت نسبی درصد بخار آب موجود در هوا به مقداری است که در صورت اشباع کامل در آن دما می‌تواند در خود نگه دارد (هرچه هوا گرمتر باشد، مقدار آب کمتری می‌تواند نگه دارد). مشابه اثر ایجاد رطوبت بسیار کم با گرم کردن هوای خانه در زمستان، رطوبت نسبی در هسته گرم خوشه بسیار کم خواهد بود و باعث تشنگی دائمی زنبورهای آنجا می‌شود. از سوی دیگر، بخار آب در سطوحی که زیر نقطه شبنم هستند، به آب مایع تبدیل می‌شود (دمایی که بخار آب در رطوبت نسبی معین شروع به متراکم شدن می‌کند).
تقریباً 6/10 پوند آب در طول هضم یک پوند عسل آزاد می‌شود بیشتر آن “آب متابولیک” از تجزیه قند به CO2 و آب است. این بدان معناست که یک کلنی غیر پروازی با مصرف معمولی یک سوم پوند عسل در روز، تقریباً نیم فنجان بخار آب در روز تولید می‌کند. موبوس جدولی از تولید و از دست دادن آب متابولیکی از بدن زنبورها در دماهای مختلف را نشان می‌دهد. جدول نشان می‌دهد که زنبورهای گرم در هسته خوشه آب را از دست میدهند، در حالی که زنبورهای خنک در پوسته عایق، آب دریافت می‌کنند.
ما انتظار داریم که بیشتر آب متابولیک هسته بر روی شانه خنک (شاید رقیق کردن عسل در سلول‌های باز شده) یا روی بدن زنبورهای داخل پوسته متراکم شود و از آنجا به نحوی به زنبورهای داخل پوسته منتقل شود. هسته، شاید با عسل منتقل شده از پوسته زنبورها در حاشیه خوشه به زنبورهای گرسنه در هسته.
همچنین مسئله بازیابی گرما از آن بخار آبی که هر روز از خوشه آزاد می‌شود وجود دارد. برای تبخیر یک گرم آب تقریباً نیم کالری لازم است. این انرژی را می‌توان با متراکم کردن بخار آب در یک سطح خنک (هر سطحی زیر نقطه شبنم هوای گرم فراری از خوشه) بازیابی کرد. به خاطر داشته باشید که بخار آب چگالی کمتری نسبت به هوا دارد. در نتیجه، مگر اینکه پوسته محکم زنبورها آن را محدود کند، هوای گرم شده و غنی از بخار آب در خوشه به سرعت از گذرگاه‌های بالایی بین شانه‌ها خارج می‌شود.
بیشتر این بخار آب در پوسته بیرونی خنک زنبورها متراکم می‌شود و در نتیجه گرمای خود را در هسته به دام می‌اندازد. اما اگر یک کلنی روزی یک سوم پوند عسل مصرف کند، باید یک چهارم پوند بخار آب تولید شده در روز را نیز آزاد کند (یا به صورت بخار تهویه شود، یا از ورودی به صورت مایع خارج شود). این بخار حاوی تقریباً 12 درصد از انرژی موجود در عسل مصرف شده است. اگر بخار روی شانه‌ها یا دیواره‌های حفره اطراف خوشه متراکم شود، «گرمای نهان» آزاد شده فضای اطراف خوشه را گرم می‌کند و در نتیجه در انرژی آن صرفه‌جویی می‌کند مخصوصاً اگر در زیر خوشه آزاد شود.
خلاصه
در قسمت بعدی، جنبه‌های بیولوژیکی و عملی خوشه زمستانی مانند مصرف غذا، اسهال خونی، بیماری و طراحی کندو را ادامه خواهم داد. اما فکر کردم این بحث را با ایجاد نمودار زیر در تلاش برای خلاصه کردن فرآیندهای فیزیکی در خوشه زمستانی (شکل 8) به پایان برسانم.
شکل 8. در این نمودار تلطیف‌شده، من حالت فیزیکی که در خوشه زمستانی اتفاق می‌افتد، نشان داده‌ام. توده بزرگ زنبورهای محکم بسته شده و رو به داخل در پوسته عایق به طور مداوم (ستاره‌ها) گرمای کافی تولید می‌کنند تا بالاتر از دمای سرد باقی بمانند این گرما را از قفسه سینه‌هایشان به سمت سرشان پمپ می‌کنند (به شکمشان اجازه می‌دهد تا سرد شود). زنبورهای پراکنده در هسته، دمای قفسه سینه خود را افزایش میدهند تا محیط اطراف خود را گرم کنند، که ممکن است زنبورهای صدفی را مجبور به شل شدن و بزرگ شدن اندازه خوشه کند. اگر کلنی نیاز به نوزاد داشته باشد، زنبورهای گرم کننده در مرکز هسته دمای آن را به شدت تا حدود 94 تا 95 درجه فارنهایت 35-32 درجه سانتیگراد تنظیم می‌کنند.
من برای نشان دادن این که با بالا رفتن دما در هسته، فلش‌ها را ترسیم کرده‌ام، سطح اکسیژن و رطوبت نسبی به طور چشمگیری کاهش می‌یابد، در حالی که CO2 به سطوح بالایی افزایش می‌یابد. بخار آب همراه با هوای گرم شده از خوشه خارج می‌شود و گرمای نهان خود را همانطور که در سطوح اطراف خوشه متراکم می‌شود، از دست می‌دهد و در نتیجه از دست دادن گرمای تابشی کاهش می‌یابد.
خط پایانی: اگرچه تعدادی از محققین زمان زیادی را به بررسی خوشه زمستانی اختصاص داده اند، پویایی تولید گرما، رفتار زنبور عسل در تنظیم اندازه خوشه، و انتقال آب و غذا و حفظ خوشه، اما هنوز اطلاعات در این زمینه کامل نیست.