Экобиологические механизмы акустического и теплового взаимодействия пчел 03. 02. 08 Экология

Вид материала

Информационно-измерительные системы контроля тепловых и акустических процессов в пчелиных семьях
Автоматизированная система дистанционного контроля параметров жизнедеятельности пчелиных семей
Тепловизионный контроль жизнеспособности развивающихся пчелиных маток
Устройство для акустического контроля физиологического состояния
Практические предложения
Список научных работ, опубликованных по теме диссертации

Подобный материал:

1 2 3 4 5

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЧЕЛИНЫХ СЕМЬЯХ

Круглогодичный контроль основные физических показателей, характеризующих физиологическое состояние пчел в разные периоды их жизнедеятельности, позволяет пчеловодам получать полную информацию об условиях существования пчел, прогнозировать развитие семей, анализировать эффективность используемых приемов и методов по уходу за ними и выбирать наиболее оптимальные. Однако на практике эти возможности ограничены из-за отсутствия пригодного оборудования. Большинство предлагаемых устройств обладают рядом существенных недостатков, таких как невозможность одновременного измерения и анализа, указанных выше параметров, сложность конструкции, кратковременность работы прибора в автономном режиме, ограниченность функциональных возможностей датчиков, главное, что используемые датчики предполагают вмешательство в жизнедеятельность пчелиных семей. Перечисленных выше недостатков лишен телеметрический модуль, который устанавливают непосредственно над гнездом пчел (между холстиком и утеплительной подушкой). Это устройство предназначено, прежде всего, для экспресс-диагностики состояния семей в полевых условиях.

Автоматизированная система дистанционного контроля параметров жизнедеятельности пчелиных семей

Разработанная информационно-измерительная система контроля микроклимата гнезда пчелиных семей представляет собой комплекс аппаратных и программных средств. Основные особенности работы аппаратной части (телеметрического модуля): комплексный контроль внутриульевого микроклимата по основным физическим показателям в динамическом режиме в течение всего пчеловодного сезона; сохранение результатов измерений во встроенной флэш-памяти и их считывание (через USB или Bluetooth) как в реальном времени, так и по истечении определенного периода; изменение интервала между измерениями в широких пределах; автономность работы модуля длительное время без подзарядки аккумуляторов (с указанными выше элементами до двух недель); визуализация результатов измерения с помощью стандартных программ Windows (построение графиков, автоматическое сравнение с эталонными данными других измерений и т.п.) или многострочного алфавитно-цифрового ЖК-индикатора; подключение исполнительных устройств, позволяющих управлять температурой, влажностью и газовым составом зимовника; применение датчиков других типов (ультрафиолетовых лучей, магнитного поля, положения, скорости воздушного потока и т.д.) и увеличения их количества.

Сбор и обработка информации, а также организация интерфейса с компьютером осуществляется микроконтроллером PIC16F628A, который большую часть времени находится в «спящем» режиме, что позволяет снизить средний потребляемый им ток до 100 мкА. В качестве датчиков использованы: аналоговый датчик концентрации кислорода в воздухе KE-25 (Figaro Engineering Inc., Japan), углекислого газа HD-4161 (Sencera, Taiwan), влажности HIH-4000 (Honeywell International Inc., USA), цифровой датчик температуры DS18B20 (Maxim, Dallas Semiconductor, USA) и терморезистор СТ3-19 (Россия). Возможно использование датчиков других типов.

Программная часть позволяет одновременно подключать и работать с пятью измерительными устройствами. Она скомпилирована и работает под операционными системами Win 9x, Me, 2000, XP, Vista. Интерфейс разделен на четыре логические области: мониторинг и анализ (постраничный интерфейс); настройка устройства; сохранение данных из флэш-памяти устройства на жесткий диск; настройка параметров отображения графиков.

Формат команд общения с системой и откликов от нее позволяет использовать для работы с ним стандартные терминальные программы Windows, например, HyperTerminal.

Устройство может быть использовано в качестве центральной части системы управления микроклиматом зимовников. Управление нагрузками по температуре, влажности и газовому составу можно осуществлять по заданным режимам, например, по выходу измеряемых значений за пределы определенных интервалов. Предусмотрено также управление по дням недели, датам или месяцам. Термостатирование (управление охлаждением или нагреванием) зимовника можно проводить в зависимости от внешней температуры.

Тепловизионный контроль жизнеспособности развивающихся пчелиных маток

Надежность тепловизионной диагностики развивающихся маток подтверждена испытаниями с использованием для этой цели тепловизора ИРТИС-2000. Он размещался на расстоянии 40-50 см от принимающей антенны тапловизоров. Сканирование продолжалось в течение 5-6 с. Жизнеспособность развивающихся маток определяется по абсолютному значению поверхностной температуры. Маточники, имеющие слабо выраженные тепловые поля, бракуются. Удаление с рамки-штатива маточников с погибшими матками позволяет перегруппировать оставшихся, разместив их компактно в центральной части рамки-штатива. Целесообразность этого обусловлена тем, что в центральной части гнезда пчелами поддерживается оптимальный микроклимат для развития маток.

Устройство для акустического контроля физиологического состояния

пчелиных семей

Устройство для акустического контроля состояния пчелиных семей реализовано на одноплатном компьютере, в котором организация интерфейса и обработка сигналов осуществляется на высокопроизводительном микропроцессоре с архитектурой ARM. Акустический сигнал, преобразованный в электрический конденсаторным микрофоном с чувствительностью 50 мВ/Па, поступает на вход АЦП (аудиокодек). Особенностью аудиокодека является то, что его разрешение (16,20,24,32 бит) и частота дискретизации в диапазоне 8- 96 кГц могут быть выбраны программно при отношении сигнал/шум на уровне 95 дБ. К линейному выходу аудиокодека подключены головные телефоны (наушники). Они необходимы для предварительной локализации источника шума. Данные с аудиокодека считываются микропроцессором и хранятся во встроенной флэш-памяти устройства или на внешних картах памяти. При включении питания микропроцессор выводит меню пользователя, предлагая осуществить запись звука с его дальнейшим анализом. Стандартная карта памяти размером 2 Гб позволяет сохранить звук длительностью 6.5 ч (22675 с) с частотой дискретизации 44100 Гц и разрешением 16 бит в формате WAV.

Для вывода обработанной информации использованы современные интерфейсы передачи данных, чтобы пользователь по своему желанию мог подключить устройство к компьютеру или видиодисплейному терминалу. Для этой цели в устройстве установлен USB-интерфейс. Это позволяет пользователю не только проверять результаты работы устройства, но и иметь постоянный доступ к расчетным процедурам и заложенным в них алгоритмам. Для хранения информации используется Flash-память. Преимуществом устройства являются программно-математические средства регистрации и анализа акустических шумов пчелиных семей. Для эффективного диагностирования физиологического состояния пчел реализован неинвазивный метод признакового описания акустических шумов во временной области по принципу опыт-образец. Предлагаемый подход выявляет и классифицирует внутреннюю структуру сравнительно коротких фрагментов и дает возможность использовать динамику изменения сильно-флуктуирующих величин общего звукового шума пчелиной семьи для определения соответствия ее физиологическим потребностям внутригнездовой температуры, концентрации углекислого газа и других показателей микроклимата гнезда.

ВЫВОДЫ

Сигналом, обеспечивающим тепловое взаимодействие взрослых и развивающихся пчел, служит генетически запрограммированная ответная генерация тепла расплодом, реагирующим на повышение его температуры. Обратная связь между взрослой и развивающейся пчелой устанавливается по ее ответному тепловому излучению. Оно возрастает у живых куколок при их разогреве. Отсутствие этого ответного сигнала позволяет пчелам выявлять погибших куколок, находящихся в закрытых ячейках.
Семьи и консолидированные скопления пчел, не имея централизованного механизма контроля и регуляции температуры, взаимодействуют по принципу децентрализованного управления, согласно которому многочисленные подсистемы (отдельные особи) функционируют, используя лишь ограниченную, локальную информацию, получаемую от терморецепторов. В наибольшей мере неблагоприятному воздействию термофактора подвергаются пчелы, локализующиеся на периферии скопления, особенно те их них, которые находятся на его нижней части. Поэтому у пчел, случайно оказавшихся в этой зоне, холодовые рецепторы испытывают наибольшее возбуждение, что, очевидно, стимулирует миграцию внутрь скопления. Эти охлажденные пчелы, проникнув внутрь скопления, воздействуют холодом на соприкасающихся с ними особей, которые таким образом получают информацию о понижении внешней температуры. В этом смысле наиболее охлаждаемая часть пчел выполняет в их скоплении функцию «динамического холодового рецептора» и «холодоносителя».
Интегральной величиной отражающей тепловое состояние агрегировавшихся насекомых, является изменение теплосодержания, определяемое их численностью и геометрией агрегации. В диапазоне температурного оптимума температурные градиенты в скоплении, характеризующие теплосодержание, поддерживаются на относительно постоянном уровне, понижаясь от теплового центра к верхней границе скопления примерно в 1.5, а к нижней – в 3 раза. Эти соотношения за пределами температурного оптимума меняются в зависимости от колебаний внешней температуры, физиологического состояния пчел, что отражается на изменении теплосодержания.
У агрегировавшихся пчел различной численности энергетические затраты на обеспечение процессов жизнедеятельности минимальны в диапазоне от -3,0 до +8,8 °С. Изменение степени дисперсии (вариабельности) температуры в скоплении от начала к завершению зимовки служит показателем адаптивного потенциала пчелиной семьи. Высокая степень дисперсии в начале зимовки соответствует большему числу возможных состояний и вероятности перехода к ним, чем достигается выбор оптимальной стратегии поведения. Снижению разброса флуктуаций внутренней температуры к завершению зимовки соответствует уменьшение возможных вариантов реагирования на изменения внешних условий.
Доминирующую роль в синхронизации циркадных ритмов и консолидации пчел в единую биосистему играет тепловой шум (флуктуации температуры внутри скоплений пчел). Он формируется в процессе взаимодействия между отдельными особями и выражается в колебаниях, отличающихся по амплитуде. Периодичность крупномасштабных колебаний температурной активности пчел не имеет выраженной связи с изменениями внешней температуры. Ее стабилизация также не влияет на установившийся ритм внутригнездовых флуктуаций температуры. Несмотря на отсутствие в пчелиных семьях единого координирующего центра, биологически целесообразное функционирование каждой пчелы обуславливается синхронизацией единого для всех ритма активности и связанных с ним тепловых процессов. Их структурированию способствуют флуктуации теплового шума, выступающего в роли пейсмекера ритмов активности.

6. Температура и газовый состав в гнездах пчелиных семей зависят от численности пчел. В гнездах больших семей разогретая зона занимает большую площадь, но температура в них ниже, чем в малочисленных семьях. Температура тела зимующих пчел зависит от локализации в гнезде. При прочих равных условиях относительно высокую температуру имеют пчелы, локализующиеся в области теплового центра, а низкую – в нижней части гнезда. Независимо от локализации в гнезде разные отделы тела пчел отличаются по температуре. Обычно наиболее высокой температурой отличается грудной отдел, а низкой – брюшной.

7. Пороги холодового оцепенения и замерзания жидких фракций тела, характеризующие индивидуальную холодостойкость пчел, связаны с диэлектрической проницаемостью. Это указывает на связь толерантности к охлаждению со свойствами молекул воды, находящейся в свободном и связанном (гидратационном) состоянии. Независимость порогового значения температуры оцепенения может быть обусловлена относительно большим количеством свободной воды, в которой водородные связи образуются только между ее молекулами. С тесной зависимостью значений температуры переохлаждения от биохимического состава связанной воды, обусловленного сезонной возрастной динамикой физиологического состояния, очевидно, связана соответствующая вариабельность диэлектрической проницаемости. Поэтому по изменениям диэлектрической проницаемости пчел, как и других пойкилотермных животных, можно определять изменение их толерантности к переохлаждению.

8. Электрическое и магнитное поля промышленной частоты, активизирующие пчел, дестабилизируют внутригнездовой микроклимат, но не оказывают влияния на динамику циркадных ритмов. Пчелиные семьи, находящиеся под ВЛ ЛЭП, реагируют на изменение нагрузки на линию электропередачи.

9. Подготовке к размножению пчелиной семьи и связанному с ней прогрессивному увеличению численности группы физиологически молодых пчел сопутствует увеличение в звуковом шуме семьи статистически однородных участков, выделяющихся в общем шуме. В результате семья, дифференцируясь по физиологическому состоянию пчел, идентифицируется по структуре генерируемых ими звуков. Идентификации во временной структуре шума статистически близких участков позволяет с высокой надежностью определять степень готовности к вылету из улья новой семьи.

10. На вибрационную стимуляцию зимующие пчелы реагируют резким повышением интенсивности генерируемых звуков, структура которых зависит от физиологического состояния пчелиных семей. Изменения состояния пчел отражаются на динамике временной структуры «отклика» на вибрационную стимуляцию.

11. Теплофизическое и математическое моделирование процессов регуляции температуры пчелиными семьями и консолидированными скоплениями взрослых пчел, отличающимися по численности, позволяет прогнозировать изменения динамики тепловых процессов и энергетических затрат процессов жизнедеятельности под влиянием охлаждения.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Разработанная автоматизированная система, функционирующая в непрерывном режиме, позволяет одновременно контролировать распределение температуры, влажности и газового состава в ульях. Это открывает новые подходы для совершенствования методов изучения биологии пчелиной семьи. Использование автоматизированный системы в практическом пчеловодстве позволяет повысить надежность контроля микроклимата при снижении затрат труда и времени на дистанционную диагностику состояния пчелиных семей.

2. Устройство для акустического контроля физиологического состояния пчелиных семей позволяет автоматически настраиваться на оптимальные режимы регистрации шумов, находить для анализируемого участка сигнала информативные признаки и сравнивать их с имеющимися в базе данных с диагностируемыми состояниями, определять необходимую продолжительность регистрации звуков для обеспечения устойчивости информативных признаков и в реальном времени определять диапазоны частот анализируемых участков.

3. Применение тепловизионной диагностики развивающихся маток в запечатанных маточниках обеспечивает диагностику их состояния и выявление среди них тех, которые подлежат выбраковке. Это способствует повышению эффективности и снижению затрат труда на искусственную репродукцию пчелиных маток.

4. Разработанная применительно к анализу акустических процессов в пчелиных семьях неинвазивная технология извлечения информации из нестационарных шумов без использования модельных представлений о природе случайного процесса, содержащегося в шуме, позволяет внедрять принципиально новые системы диагностики при изучении акустических процессов, обеспечивающих защиту животных от неблагоприятных факторов среды и врагов, облегчающих поиск корма, регулирующих внутри- и межвидовые взаимодействия и т.д. С учетом широты применения предлагаемой технологии, в дальнейшем возможна разработка принципиально новой шумовой метрологии, когда все случайные процессы могут быть сравнены между собой и подвергнуты должной классификации.

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

Тобоев, В.А. Тепловидение – это перспективно / В.А.Тобоев // Пчеловодство. - 2005. - № 10. - С. 14-16.
Тобоев, В.А. Современные методы изучения теплового гомеостаза / В.А.Тобоев// Пчеловодство. - 2006. - № 10. - С. 44-46.
Тобоев, В.А. Теплофизическая модель холодовой агрегации пчел / В.А.Тобоев// Пчеловодство. - 2007. - № 1. - С. 14-16.
Тобоев, В.А. Нигматуллин, Р.Р. Новый метод статистической обработки временных рядов: исследование коллективного поведения общественных насекомых по их терморегуляторной активности / В.А.Тобоев, Р.Р.Нигматуллин // Нелинейный мир. - 2007. - Т.5. - №4. - С. 183-193.
Тобоев, В.А. Нигматуллин ,Р.Р. Самоорганизованная терморегуляция и ее количественное прочтение при холодовой агрегации пчел / В.А.Тобоев, Р.Р.Нигматуллин // Доклады Адыгской (Черкесской) международной академии наук. - 2007. - Т.9. - №1. - С. 144-148.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А., Еськова, М.Д. Внутригнездовая температура, состояние жирового тела и холодостойкость пчел / Е.К. Еськов, М.Д. Еськова, В.А. Тобоев // Вестник Российской академии с-х наук. - 2007. - № 6. - С. 77-79.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А., Еськова М.Д. Тепловое излучение развивающихся маток / Е.К. Еськов, М.Д. Еськова, В.А. Тобоев // Пчеловодство. - 2007. - №9. - С. 14-16.
Еськов Е.К., Тобоев В.А. Стратегия, используемая пчелами для защиты от переохлаждения/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Пчеловодство. - 2007. - № 10. - С. 18-20.
Тобоев, В.А. Разогрев разных частей тела пчел в зависимости от локализации в гнезде / В.А. Тобоев // Известия СНЦ РАН. - 2008.- Т.10. - №2. - С. 625-628.
Тобоев, В.А. Новый метод анализа временных флуктуаций нестационарных акустических сигналов / В.А. Тобоев // Вестник Чувашского университета. - 2008. - №2. - С. 12-23.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Воздействие искусственно генерируемых электромагнитных полей на биологические объекты / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Вестник Чувашского университета. - 2008. - №2. - С. 28-36.
Тобоев, В.А., Дулов, Е.Н., Оборин, С.В. Телеметрический модуль / В.А. Тобоев, Е.Н. Дулов, С.В. Оборин // Пчеловодство. - 2008. - № 3. - С. 52-53
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Динамика тепловых процессов в гнездах зимующих пчел / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Сельскохозяйственная биология. Сер. Биология животных. - 2008. - №2. - С. 111-114.
Еськов Е.К., Тобоев В.А. Реагирование пчел активизацией тепловыделения на низкочастотные электрические поля / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Аграрная Россия. - 2008. - №4. - С. 15-16.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А., Еськова, М.Д. Тепловизионный контроль и компьютерное моделирование реакций семей медоносных пчел на охлаждение / Е.К. Еськов, М.Д. Еськова, В.А. Тобоев // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2008. - № 4.- С.16-18.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Реакции пчел на атмосферики и электрические поля промышленной частоты / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Вестник Оренбургского гос. ун-та. - 2008.- № 10(92). - С. 216-218.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А.Зависимость разогрева тела зимующих пчел от внешней температуры / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Зоологический журнал. - 2009. - Т.86. - №1. - С. 125-126.
Нигматуллин, Р.Р., Тобоев, В.А. Новый подход к анализу сильно-коррелированных акустических последовательностей / Р.Р. Нигматуллин, В.А. Тобоев // Нелинейный мир - 2009. - Т. 7. - №1. - С. 14-27.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Генерация, накопление и рассеяние тепла в скоплениях агрегирующихся насекомых/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Журнал общей биологии. - 2009. - Т.70. - №2. - С. 110-120.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Математическое моделирование распределения температурных полей в холодовых агрегациях насекомых/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Биофизика. - 2009. - Т. 54. - Вып. 1. - С. 114-119.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Экзо- и эндогенно зависимые флуктуации температурной активности медоносной пчелы/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Известия РАН. Сер. Биологическая. - 2009. - Т. 36. - №2.- С.205-211.
Тобоев, В.А. Анализ акустического шума зимующих пчел/ В.А. Тобоев // Пчеловодство. - 2009. - №3. - С.28-31.
Нигматуллин, Р.Р., Тобоев, В.А..Неинвазивные методы выделения значимых информационных составляющих и кластеризация акустических шумов произвольной природы/ Р.Р. Нигматуллин, В.А. Тобоев // Нелинейный мир. - 2009. - Т. 7. - №5. - С.348-354.
Еськов Е.К., Тобоев В.А. Ритмичность терморегуляторной активности у пчел Apis mellifera/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Вестник Оренбургского гос.ун-та. - 2009. - №5. - С. 138-140.
Нигматуллин, Р.Р., Тобоев, В.А. Метод определения участков нестационарности, основанный на статистике дробных моментов / Р.Р. Нигматуллин, В.А. Тобоев // Нелинейный мир. - 2009. - Т.7. - №9. - С. 713-717.
Еськов, Е.К., Еськова, М.Д, Тобоев, В.А. Диагностика жизнеспособности маток в запечатанных маточниках / Е.К. Еськов, М.Д. Еськова, В.А. Тобоев // Ветеринария. - 2009. - № 11. - С. 48-51.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Анализ статистически однородных фрагментов акустических шумов, генерируемых скоплениями насекомых / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Биофизика. - 2010. - Т. 55. - Вып. 1. - С. 113-125.
Тобоев, В.А. Акустическая динамика роящихся пчелиных семей / В.А. Тобоев // Аграрная Россия. -2010. - №2. - С. 25-28.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А.Тепловые сигналы связи между развивающимися и взрослыми пчелами, используемые в процессе терморегуляции / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Биофизика. - 2010. - Т. 55. - Вып. 4. - С. 727-731.
Тобоев, В.А., Толстов, М.С. Признаковое описание акустических шумов на основе статистической близости функций обобщенного среднего (ФОС) / В.А. Тобоев, М.С. Толстов // Вестник Чувашского университета. - 2010. - №3. - С. 19-31.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Изменение структуры звуков, генерируемых пчелиными семьями в процессе социотомии / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Зоологический журнал. - 2011. - Т. 90. - №2. - С.192-198.
Еськов, Е.К., Тобоев, В.А. Сезонная динамика тепловых процессов в межсотовых скоплениях зимующих пчел Apis mellifera / Е.К. Еськов, В.А. Тобоев // Зоологический журнал. - 2011.- Т. 90. - №3. - С.335-341.

Blog

Экобиологические механизмы акустического и теплового взаимодействия пчел 03. 02. 08 Экология