蜜蜂如何在炎熱的夏天保持涼爽？

如果你曾經(jīng)在炎熱的夏天走過一個蜜蜂窩，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。別擔心，哈佛大學的科學家冒著生命危險向你提問并回答這個問題。

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。當巢里變熱時，一群蜜蜂爬到入口處，用它們的翅膀作為風扇來吸入熱空氣，讓冷空氣進來。問題是，蜜蜂如何將自己組織成這些活的通風設備？

哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院(SEAS)和有機與進化生物學系(OEB)的研究人員開發(fā)了一個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。

“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，比如機械穩(wěn)定性、溫度調節(jié)和通風，比個體大得多，”瓦爾平應用數(shù)學教授L馬哈德文說。物理學，有機和進化生物學，以及這項研究的資深作者?！皽y量和計算模型的結合量化并解釋了風扇蜂如何創(chuàng)造一種新的大規(guī)模流動模式來為它們的巢穴通風。”

“我們已經(jīng)證明，蜜蜂不需要復雜的招募或交流計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?，個體蜜蜂對溫度變化的扇形反應和流體流動的物理特性導致了它們的集體空間組織，這恰恰導致了有效的冷卻解決方案?！?

這篇論文發(fā)表在皇家學會的界面雜志上。

實驗始于2017年夏天的狗日。在幾周內，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，蜜蜂并沒有在整個巢穴入口擴散，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，超過這個閾值它們就開始散開，所以它們通常對溫度變化的反應更好。

當對系統(tǒng)建模時，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。向外的風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入巢穴。

“我們的研究展示了如何利用物理環(huán)境的動力學來實現(xiàn)生理過程的大規(guī)模組織，”該論文的合著者、現(xiàn)為科羅拉多大學博爾德分校助理教授的皮萊格說。

彼得斯說：“雖然這是一個以物理學為中心的故事，但具有遺傳和進化根源的生物變異可能在這個系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。”“我們的理論認為，不僅溫度閾值的個體差異導致蜂窩溫度更穩(wěn)定，而且這種多樣性對于有效通風所需的扇形行為模式的穩(wěn)定性也非常重要?！?

彼得斯說：“從大型暖通空調系統(tǒng)到冷卻我們計算機的風扇，生物啟發(fā)的自組織系統(tǒng)可以比現(xiàn)有系統(tǒng)更好地適應和響應特定需求。

Mahadevan說：“更廣泛地說，我們的研究再次強調需要考慮生物有機體及其物理環(huán)境，以了解集體生態(tài)生理學的豐富性，這是生命本身的標志。

這項工作得到了國家科學基金會的支持。

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