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检测蜜蜂的通气策略

如果你曾经在炎热的夏日走过蜜蜂的巢穴,你可能过于集中注意力避免被叮咬,而不是停下来想知道这些蜜蜂是如何保持凉爽的。别担心,哈佛大学的科学家们已经冒着伤害的问题向你提问并回答这个问题。

蜜蜂生活在大而拥挤的巢穴中,通常在有狭窄开口的树洞中。当它在巢内变热时,一群蜜蜂爬到入口处,用它们的翅膀作为风扇抽出热空气,让更冷的空气进入。问题是,蜜蜂如何自我组织成这些生活通风装置?

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和有机与进化生物学系(OEB)的研究人员已经开发出一个框架,用于解释蜜蜂如何使用环境信号来集中聚集并持续通风蜂巢。

“数千年来,蜜蜂这样的社会性昆虫已经发展到利用和利用流量和力量,并集体解决生理问题,如机械稳定,体温调节和比个体大得多的通风,”应用数学的Valpine教授L Mahadevan说。 ,物理学,有机和进化生物学,以及该研究的高级作者。“测量和计算模型的结合量化并解释了扇形蜜蜂如何创造一种新的大规模流动模式来为它们的巢穴通风。”

“我们已经证明蜜蜂不需要复杂的招募或沟通方案来保持巢穴凉爽,”SEAS和OEB的博士后研究员,该论文的第一作者雅各布彼得斯说。“相反,个别蜜蜂对温度变化的扇形响应,以及流体流动的物理特性导致它们的集体空间组织,这恰好导致了有效的冷却解决方案。”

该论文发表在皇家学会界面杂志上。

实验开始于2017年夏天的狗日。在几周的时间里,Peters,Mahadevan和SEAS Orit Peleg的前博士后研究员在哈佛大学康科德野外站监测了一组人造蜂箱。

研究小组测量了温度,流入和流出巢穴的空气流量,以及在巢穴入口处扇形蜜蜂的位置和密度。他们观察到蜜蜂不是在整个巢穴入口处蔓延,而是聚集在最热的区域,并保持那些具有最高空气流出量的区域与空气流入量最大的较冷区域分开。重要的是,他们发现不同的蜜蜂有不同的温度阈值,超过这些温度阈值它们会开始扇形化,因此它们总体上更好地响应温度变化。

在对系统进行建模时,研究人员发现所有这些行为都与巢的环境物理学有关。向外扇动允许蜜蜂感知上游巢温;不同的温度阈值允许更连续的通风和更稳定的蜂巢温度;并且,由于摩擦和流动的物理特性,由于摩擦和流动的物理特性,聚集以使流出物与流出物分离允许更多的冷空气进入巢。

“我们的研究表明,如何利用物理环境的动态来实现生理过程的大规模组织,”Peleg说,他是该论文的合着者,现在是科罗拉多大学博尔德分校的助理教授。

彼得斯说:“虽然这是一个以物理为中心的故事,但遗传和进化根源的生物变异可能对这个系统起作用起着重要作用。”“我们的理论认为,不仅温度阈值的个体差异导致更加稳定的蜂巢温度,而且这种多样性对于有效通气所需的扇形行为模式的稳定性至关重要。”

“从大型HVAC系统到冷却我们计算机的风扇,生物启发,自组织系统可以比现有系统更好地适应和响应特定需求,”彼得斯说。

“更广泛地说,我们的研究再次强调需要考虑生物有机体及其物理环境,以了解集体生态生理学的丰富性,这是生活本身的标志,”Mahadevan说。

这项工作得到了国家科学基金会的支持。

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