如果你曾經(jīng)在炎熱的夏天走過一個(gè)蜜蜂窩，你可能會過于專注而避免被咬，而不是停下來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)向你提問并回答這個(gè)問題。
蜜蜂生活在又大又擁擠的巢里，通常是在有狹窄開口的樹洞里。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)扇來吸入熱空氣，讓冷空氣進(jìn)來。問題是，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)的研究人員開發(fā)了一個(gè)框架來解釋蜜蜂如何利用環(huán)境信號來集中并持續(xù)給蜂巢通風(fēng)。
“幾千年來，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。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)模流動模式來為它們的巢穴通風(fēng)?！?
“我們已經(jīng)證明，蜜蜂不需要復(fù)雜的招募或交流計(jì)劃來保持它們的巢穴涼爽，”雅各布皮特斯說，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)體蜜蜂對溫度變化的扇形反應(yīng)和流體流動的物理特性導(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)測了一組人工蜂箱。
研究小組測量了溫度、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)域隔離開來。重要的是，他們發(fā)現(xiàn)不同的蜜蜂有不同的溫度閾值，超過這個(gè)閾值它們就開始散開，所以它們通常對溫度變化的反應(yīng)更好。
當(dāng)對系統(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)境的動力學(xué)來實(shí)現(xiàn)生理過程的大規(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。
彼得斯說：“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：“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：“更廣泛地說，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)工作得到了國家科學(xué)基金會的支持。
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