如果你曾經(jīng)在炎熱的夏天走過(guò)一個(gè)蜜蜂窩，你可能會(huì)過(guò)于專注而避免被咬，而不是停下來(lái)想這些蜜蜂是如何保持涼爽的。別擔(dān)心，哈佛大學(xué)的科學(xué)家冒著生命危險(xiǎn)向你提問(wèn)并回答這個(gè)問(wèn)題。
蜜蜂生活在又大又擁擠的巢里，通常是在有狹窄開(kāi)口的樹(shù)洞里。當(dāng)巢里變熱時(shí)，一群蜜蜂爬到入口處，用它們的翅膀作為風(fēng)扇來(lái)吸入熱空氣，讓冷空氣進(jìn)來(lái)。問(wèn)題是，蜜蜂如何將自己組織成這些活的通風(fēng)設(shè)備？
哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和有機(jī)與進(jìn)化生物學(xué)系(OEB)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)框架來(lái)解釋蜜蜂如何利用環(huán)境信號(hào)來(lái)集中并持續(xù)給蜂巢通風(fēng)。
“幾千年來(lái)，像蜜蜂這樣的群居昆蟲已經(jīng)發(fā)展到利用流量和力量，集體解決生理問(wèn)題，比如機(jī)械穩(wěn)定性、溫度調(diào)節(jié)和通風(fēng)，比個(gè)體大得多，”瓦爾平應(yīng)用數(shù)學(xué)教授L馬哈德文說(shuō)。物理學(xué)，有機(jī)和進(jìn)化生物學(xué)，以及這項(xiàng)研究的資深作者?！皽y(cè)量和計(jì)算模型的結(jié)合量化并解釋了風(fēng)扇蜂如何創(chuàng)造一種新的大規(guī)模流動(dòng)模式來(lái)為它們的巢穴通風(fēng)。”
“我們已經(jīng)證明，蜜蜂不需要復(fù)雜的招募或交流計(jì)劃來(lái)保持它們的巢穴涼爽，”雅各布皮特斯說(shuō)，他是SEAS和OEB的博士后研究員，也是這篇論文的第一作者?！跋喾矗瑐€(gè)體蜜蜂對(duì)溫度變化的扇形反應(yīng)和流體流動(dòng)的物理特性導(dǎo)致了它們的集體空間組織，這恰恰導(dǎo)致了有效的冷卻解決方案?！?
這篇論文發(fā)表在皇家學(xué)會(huì)的界面雜志上。
實(shí)驗(yàn)始于2017年夏天的狗日。在幾周內(nèi)，彼得斯、馬哈德萬(wàn)和塞索洛里特皮萊格的前博士后研究人員在哈佛大學(xué)康科德菲爾德站監(jiān)測(cè)了一組人工蜂箱。
研究小組測(cè)量了溫度、進(jìn)出巢的空氣流量以及扇蜂在巢入口處的位置和密度。他們觀察到，蜜蜂并沒(méi)有在整個(gè)巢穴入口擴(kuò)散，而是聚集在最熱的區(qū)域，并將空氣流出量最高的區(qū)域與空氣流入量最大的較冷區(qū)域隔離開(kāi)來(lái)。重要的是，他們發(fā)現(xiàn)不同的蜜蜂有不同的溫度閾值，超過(guò)這個(gè)閾值它們就開(kāi)始散開(kāi)，所以它們通常對(duì)溫度變化的反應(yīng)更好。
當(dāng)對(duì)系統(tǒng)建模時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)所有這些行為都與巢穴的環(huán)境物理有關(guān)。向外的風(fēng)扇可以讓蜜蜂感知上游的巢溫；不同的溫度閾值允許更連續(xù)的通風(fēng)和更穩(wěn)定的蜂窩溫度；此外，由于摩擦和流動(dòng)的物理特性，流出物被聚集以分離流出物，并允許更多的冷空氣進(jìn)入巢穴。
“我們的研究展示了如何利用物理環(huán)境的動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)生理過(guò)程的大規(guī)模組織，”該論文的合著者、現(xiàn)為科羅拉多大學(xué)博爾德分校助理教授的皮萊格說(shuō)。
彼得斯說(shuō)：“雖然這是一個(gè)以物理學(xué)為中心的故事，但具有遺傳和進(jìn)化根源的生物變異可能在這個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用?！薄拔覀兊睦碚撜J(rèn)為，不僅溫度閾值的個(gè)體差異導(dǎo)致蜂窩溫度更穩(wěn)定，而且這種多樣性對(duì)于有效通風(fēng)所需的扇形行為模式的穩(wěn)定性也非常重要?！?
彼得斯說(shuō)：“從大型暖通空調(diào)系統(tǒng)到冷卻我們計(jì)算機(jī)的風(fēng)扇，生物啟發(fā)的自組織系統(tǒng)可以比現(xiàn)有系統(tǒng)更好地適應(yīng)和響應(yīng)特定需求。
Mahadevan說(shuō)：“更廣泛地說(shuō)，我們的研究再次強(qiáng)調(diào)需要考慮生物有機(jī)體及其物理環(huán)境，以了解集體生態(tài)生理學(xué)的豐富性，這是生命本身的標(biāo)志。
這項(xiàng)工作得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。
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