我国科学家揭示熊蜂觅食分工机制 为生物演化研究提供新视角

社会性的演化是生物界的重要创新。作为社会性昆虫的典型代表,熊蜂的群体分工机制一直是研究重点。在熊蜂群落中,蜂王在筑巢初期会高频外出觅食;但当第一批工蜂羽化后,蜂王会迅速停止觅食,转而专注产卵与巢内管理。这个转变背后的机制,长期以来难有定论。传统研究多从环境因素、生理调控或分子机制等角度解释觅食分工的形成。近期,由中国科学院南京地质古生物研究所研究员王博、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团队提出新的解释框架,将物理学原理引入这一生物学问题。熊蜂在进化中形成了一种独特的嚼吸式口器结构——“中唇舌”。采蜜时,中唇舌快速往复运动,表面密布数千根细小刚毛,可持续捕获花蜜并送入口腔。研究团队对中唇舌的形态特征进行分析后发现关键差异:群体中社会等级最高、体形最大的蜂王,其中唇舌刚毛间距稳定在40至50微米左右,与体形大小无关;而工蜂的刚毛间距会随体形变化,范围在15至45微米之间。看似细微的微观差异,却带来明显的功能后果。研究团队利用显微高速摄影,在模拟自然采蜜的条件下,定量测定中唇舌每次往复运动摄入的花蜜体积。结果显示,尽管蜂王体形更大、舌头更长、内部空间更大,但其花蜜“装满”的比例(填充率)反而更低。尤其在与体形相同的工蜂对比时,由于刚毛间距更大,蜂王的采蜜效率明显下降。为解释这一现象的物理原因,团队引入两个无量纲数:邦德数和毛细数,用于衡量液体输运中重力、毛细力与黏性力的相互作用。研究表明,受中唇舌结构生长限制影响,熊蜂体形增大后,其口器难以满足最优标度关系,重力逐渐占主导,从而继续降低花蜜填充率。这一规律为蜂王采蜜效率下降提供了物理学层面的解释。研究的核心发现是揭示了更基础的因果链条:蜂王停止外出觅食,不仅与行为转变或激素调控有关,更受其身体结构带来的物理限制所决定。也就是说,蜂王的生理结构本身并不适合长期高效采蜜,这种结构性的“短板”反而促成并强化了群体分工。研究团队提出的理论框架意义在于启发意义。该框架将个体结构特征与功能表现对应起来,为预测与解释觅食行为提供新思路。多学科交叉的路径不仅加深了对社会性昆虫行为的理解,也为其他生物系统研究提供了参考。在应用层面,这项研究不止于基础生物学。有关发现可为工程与仿生领域的微观界面与液体输运系统设计提供思路,尤其对微量液体样本采集与检测工具的开发具有潜在参考价值,显示出基础研究向应用延展的可能。

从“蜂王为何停觅”这个问题出发,研究把微米尺度的口器差异与群体分工现象联系起来,提示社会性的形成并不只依赖基因、激素与行为程序,也可能受器官微结构与物理边界的约束;将生命现象放在多学科视角下审视,有助于逼近机制本质,也为工程创新提供新的思路。