多学科证据破译熊蜂觅食分工机制

社会性的出现被认为是生物演化历史中重要的进化创新，熊蜂是研究这一问题的理想系统之一。近日，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称“南京古生物所”）研究员王博与中山大学教授吴嘉宁、北京理工大学教授赵杰亮组成的跨学科联合团队，从多学科角度为熊蜂觅食分工机制提供了新解释，并揭示了功能器官微结构的细微偏差足以在群体尺度上影响劳动分工。相关成果日前发表于国际学术期刊《美国科学院院刊》。

熊蜂蜂王通常只在筑巢前期高强度外出觅食，而当第一批工蜂羽化后，蜂王便会迅速停止外出觅食，转以产卵和巢内活动为主。蜂王为何停止觅食？学界通常从环境因素、生理调控或分子机制等方面，解释觅食分工体系的出现原因。本研究则提供了一个包括流体力学、形态学、生态学的新视角。

熊蜂演化出一种特别的嚼吸式口器“中唇舌”，在采蜜的过程中，中唇舌进行快速的往复运动，中唇舌上密布着的数千根细小的刚毛同时展开，持续将花蜜捕获并送入口中。研究团队对中唇舌的形态学进行了详细研究发现，作为群体中社会等级最高、体形最大的个体，蜂王中唇舌的刚毛间距保持在40至50微米左右，和体形大小无关，而工蜂的刚毛间距则根据其体形大小在15至45微米之间。

图1.在实验室中取食人工花蜜的熊蜂工蜂（左）和蜂王（右）

图2.熊蜂采集人工花蜜的显微高速摄影视

图3.中唇舌的扫描电镜图像和示意图

图4.工蜂和蜂王花蜜采集效率的对比

图5.粘性-毛细夹带原理示意图

图6.花蜜采集的理论框架和标度（图片来源：中国科学院南京地质古生物研究所）

研究团队模拟自然场景，供熊蜂采蜜。通过显微高速摄影技术，定量得到中唇舌每一次往复运动的摄入的花蜜体积。研究发现，尽管蜂王体形大、舌头长、内部空间大，但它实际装满花蜜的比例（填充率）却更低。尤其是将蜂王和一只体形相同的工蜂比较，由于刚毛间距更大，蜂王的采蜜效率也更低。

研究通过引入两个无量纲数：邦德数和毛细数，衡量这一液体输运过程中重力、毛细力、粘性力的相互作用。由于中唇舌结构的生长限制，当熊蜂体形增大时，熊蜂口器无法满足最优的标度关系，重力将起主导作用，从而降低花蜜的填充率。

本研究回答了一个核心问题，蜂王停止外出觅食，不仅因为行为或激素的转变，身体结构导致的物理学限制是一个根本原因。相关专家认为，本研究提出了一个可以将个体结构与功能相匹配，用以预测觅食行为表现的理论框架。在工程学层面，本研究可为仿生界面与液体输运系统提供启发，用于设计微量液体样本采集与检测的工具。