На этой стадии строительства сот множество пчел образует живые цепи между краем строящегося сота и стенкой полости. Они сцепляются друг с другом ногами и долго остаются висеть в неподвижности (рис. 7.8). Значение этого поразительного поведения неизвестно. Служат ли они чем-то вроде веревочной лестницы для пчел, которые собирают упавшие на пол восковые чешуйки и приносят их на строительную площадку? Мы этого не знаем.
Всех наблюдателей интриговали внешний вид ячеек в сотах и их невероятно строгая геометрия, их узор много раз использовался для художественных украшений (рис. 7.9). При более подробном изучении геометрии сотов наши первые впечатления подтвердились: это структура невероятной точности, которая создана деятельными насекомыми. Толщина отдельных стенок ячейки, измеренная на протяжении нескольких сантиметров, составляет точно 0,07 мм. Угол между гладкими стенками – 120° (рис. 7.10), и соты висят вертикально. Дно ячеек не строго горизонтально, а слегка наклонено в сторону основания ячейки. Расстояние между соседними параллельными сотами в типичном случае составляет 8–10 мм.
Иоганн Кеплер, Галилео Галилей и многие другие известные провидцы, интересовавшиеся математикой, были очарованы сотами медоносной пчелы, потому что казалось, что такая точная постройка невозможна без понимания математики.
Исследования физиологии пчел дали нам представление о том, каким образом достигаются вертикальное положение и параллельная ориентация сотов (рис. 7.11).
На всех сочленениях у медоносных пчел имеются подушечки чувствительных волосков. Их стимуляция происходит, когда сила земного притяжения заставляет отдельные части тела двигаться относительно друг друга, словно маятник или рычаг (рис. 7.12). Тем самым сенсорные рецепторы в этих подушечках могут обнаруживать направление, в котором действует сила земного притяжения. В пустотах, где пчелы предпочитают строить свои гнезда, обычно темно, поэтому зрение не может им помочь.
Тем не менее пчелы, ориентирующиеся при помощи чувства гравитации, могут вести строительство сота, который расположен вертикально и направлен вниз от крыши до пола. Расстояние между сотами определяется пространством, которое занимает пчела, сидящая на сотах. Двигаясь по поверхностям соседних сотов, пчелы должны иметь возможность разойтись спина к спине, не испытывая затруднений (рис. 7.13), и это минимальное расстояние строго соблюдается.
Рис. 7.7 Отряды строителей часто начинают постройку сотов одновременно в разных местах. Это не создает серьезных проблем – две отдельно построенные части подходят друг к другу, словно застежка-молния
Рис. 7.8 Назначение живой цепочки, которую образуют пчелы в местах, где строятся новые соты или восстанавливаются старые, совершенно не известно
Образующиеся в результате улочки между сотами также обеспечивают возможность пропускать через гнездо потоки воздуха, чтобы контролировать его климат. Расположенные по соседству соты не обязательно будут плоскими, как доски, но тянутся параллельно друг другу. Пчелы добиваются такой ориентации при помощи пока еще не открытых органов чувств, которые обнаруживают линии магнитного поля Земли.
Но как же возникает этот в высшей степени аккуратный узор из шестиугольников отдельных ячеек? Механизм, который гарантирует точную, как в кристаллах, геометрию ячеек, может и разочаровать, если мы узнаем, что это процесс самоорганизации, который, за исключением небольшого вклада со стороны пчел, происходит совершенно самостоятельно. Но в нем заключается изобретательность конструкции сотов.
Ключ к кристаллоподобной точности ячеек сотов находится в свойствах пчелиного воска как строительного материала. Осы тоже строят шестигранные ячейки, хотя их геометрия отработана грубее и ячейки фактически расположены в цилиндрах, сложенных вместе (рис. 7.14). Строительный материал, используемый осами, – древесная пульпа, которую они делают из древесных волокон и слюны. Стенки ячеек сами ориентируются в более или менее правильном порядке под влиянием давления, оказываемого на них соседними ячейками; это можно увидеть на тех из них, что расположены по краям гнезда и имеют выпуклые свободные грани.
Рис. 7.9 Новые соты, сделанные из свежего белого воска, – это эстетически приятное зрелище
Ячейки медоносных пчел, напротив, обладают совершенной формой. Медоносные пчелы ни в коем случае не являются более пунктуальными архитекторами, чем осы, но их созидательным усилиям помогает воск как «активный» строительный материал. Воск содержит более 300 различных химических компонентов. Когда они смешаны, это приводит к появлению вещества с физическими свойствами жидкости, даже если оно кажется твердым при пониженных температурах. Та же ситуация наблюдается у стекла – жидкости с точки зрения физики. Твердые вещества имеют строго определенную точку плавления; с другой стороны, стекло становится все более и более текучим по мере нагрева. То же справедливо и для воска. Однако изменения, которые происходят в воске с увеличением температуры, не постепенны. Тонкая внутренняя структура воска демонстрирует три основных состояния: высокоупорядоченное кристаллическое, в котором все молекулы выровнены строго параллельно друг другу, и его полную противоположность – аморфное, в котором полностью неупорядоченные молекулы вытянуты во всех направлениях. Между этими двумя крайностями преобладает псевдокристаллическое состояние, в котором можно найти и аморфные, и кристаллические состояния, соседствующие друг с другом. Теплый воск демонстрирует аморфную структуру. Изменение от кристаллической и псевдокристаллической структуры к аморфной протекает не постепенно, а в два шага, примерно при 25 и 40 °C (так называемые переходные температуры). Подвижность частиц воска относительно друг друга в этих точках перехода резко меняется, что выражено в виде изменения мягкости воска.
Рис. 7.10 Людей издавна очаровывали геометрически точные детали пчелиных сотов
Рис. 7.11 Свободно построенные соты свисают вертикально и расположены параллельно друг другу в дупле дерева
Рис. 7.12 Рецепторы гравитационных органов расположены на всех суставах ног и между головой, грудью и брюшком пчел. Они используют полученную от этих рецепторов информацию, чтобы в темном улье ориентировать соты вертикально
Рис. 7.13 Ширина улочки, или промежутка между соседними сотами, позволяет пчелам на противоположных сторонах расходиться друг с другом спиной к спине
Рис. 7.14 Осы строят свои гнезда из пульпы, которую делают из пережеванной древесины. По сравнению с геометрией сотов пчелиной колонии геометрия осиных сотов выглядит менее аккуратной – отсутствуют точные углы и резко выраженные грани
Эти физические свойства воска, а также способность медоносных пчел поднимать температуру тела до 43 °C и более, лежат в основе способности строить геометрически правильные соты. В 1637 году Р.-А. Ремнант без помощи совершенных технологий наблюдал это и удачно написал: «Жар пчел делает воск таким теплым и гибким, что они могут работать с ним и использовать его сразу же после сбора». Однако Ремнант делал свои выводы под влиянием одного из ложных представлений своего времени: считалось, что пчелы собирают воск с цветов.
Пчелы используют свое собственное тело как шаблон, когда начинают изготавливать стенки ячеек и строят вокруг себя цилиндрические трубы. Внутренние закрытые концы цилиндров – гладкие полусферы, и они остаются в таком виде на протяжении многих недель после их изготовления. Будучи изначально цилиндрическими, трубкообразные ячейки принимают свою типичную шестиугольную форму (рис. 7.15) только после того, как пчелы поднимают температуру воска до 37–40 °C (рис. 7.16). Участки строительства сотов, рассматриваемые с помощью тепловизора, горят от деятельности рабочих пчел, которые нагревают воск до тех пор, пока тонкие восковые стенки постепенно не начинают течь. В результате из-за внутренних механических напряжений стенок (то же самое можно наблюдать, когда соприкасаются два мыльных пузыря) оказывается, что общая стенка становится совершенно ровной. Таким образом, боковые стенки между плотно прижатыми друг к другу восковыми цилиндрами также вытягиваются в прямую линию, приобретают совершенно гладкую поверхность, толщину 0,07 мм и образуют угол относительно друг друга, составляющий точно 120°.
Рис. 7.15 Ячейки сотов изначально строятся в виде цилиндров и лишь спустя некоторое время принимают свою точную шестиугольную форму
Пчелы, у которых были ампутированы последние членики антенн, строят дефектные ячейки со стенками вдвое толще нормы, также покрытыми отверстиями. Органы чувств, которыми пчелы измеряют окружающую температуру, заключены внутри сегментов их антенн; большинство этих рецепторов расположено в последнем членике на кончиках антенн, меньше – в последующих члениках. Ампутация антенн лишает пчел множества сенсорных сигналов, делает их нечувствительными к температуре. На основании этого можно предположить, что покалеченные пчелы, также ответственные за нагрев воска, больше не в состоянии правильно измерять температуру.
Рис. 7.16 Это термографическое изображение показывает два строительных участка, где пчелы-строители нагревают воск до температуры, при которой тот начинает течь и образует правильные шестигранные ячейки в ответ на внутренние напряжения
Кристаллоподобный узор ячеек сотов постепенно формируется сам по себе, когда воск прогрет. Если взглянуть на соты против света, создается впечатление, что основания ячеек составлены из трех ромбоидов одинакового размера. Во вновь построенных сотах это оптическая иллюзия, создаваемая положением полусферических оснований ячеек с другой стороны сота (рис. 7.17).
Со временем основания ячеек становятся настолько тонкими, что принцип самоорганизации, объясненный на примере стенок, также приводит к образованию трех ромбоидов и сотов правильной формы.