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無刺蜂築巢呈螺旋結構 研究發現無總體規劃 與晶體形成相似

2020/7/22 — 23:36

人類知道蜜蜂很聰明,但遍佈東南亞與澳洲一帶的四角蜂屬 (Tetragonula) 的無刺蜂如何創建複雜的螺旋形、靶心形和其他不規則形狀的蜂巢,對於人類仍是個謎。

最新刊於 Journal of the Royal Society Interface 的研究指,利用數學模型了解四角蜂蜂巢結構時,發現其構造與晶體形成有驚人的相似之處。

團隊在報告中指出,晶體形成與蜂巢構造是非常不同學科的兩種系統,導致兩者結構相似的原因,可能是適用於大自然的數學之美。團隊又認為事實證明,在不同科學領域中,相似的法則與原理可支配非常不同系統的形成,並可以相同的數學來描述之。

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4 種不同四角蜂蜂巢結構:標靶形、螺旋形、雙螺旋形與無序形
Credit: Cardoso, S.S.S. & et al. (2020).

4 種不同四角蜂蜂巢結構:標靶形、螺旋形、雙螺旋形與無序形
Credit: Cardoso, S.S.S. & et al. (2020).

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四角蜂蜂巢並非平面結構,而是類似金字塔式的梯田結構,容許四角蜂進入下層蜂巢。團隊指,結構如同紐約古根漢美術館的螺旋形建築設計。古根漢美術館是上世紀 50 年代,是紐約最重要建築之一,現為世界文化遺產。

Credit: Team Heard

Credit: Team Heard

有參與研究的西班牙格拉納達大學物理學家 Julyan Cartwright 表示,自同事 Antonio Osuna 向他展示蜂巢圖片後,便迷上研究四角蜂屬蜂巢結構,並從晶體與珍珠形成過程,發現三者都有非常相似的螺旋和結構模式。

團隊在模擬這些結構如何形成與其穩定性限制時,用上一系列參數建立模型,其中一個是 R 值,即不同圖案如何根據每層蜂巢的半徑形成。另一個則是提供隨機概率分佈的 α 值。在晶體形成時, α 可能由雜質引起;而在蜂巢結構,這則是與四角蜂令每一層有多平坦有關。

R 越大,每一層中心或螺旋都將越大,而總體每層數量則越少; α 越大,蜂巢結構將越「無序 (disorder) 」。

而蜂巢結構穩定性在於,工蜂需要將新的巢室連接到至少兩個其他現有的巢室上;基於「本地訊息 (local information) 」建巢的方式亦可在晶體形成過程中反映出來。團隊指,兩者的比較表明,當複雜結構由只有遵循簡單開發規則才在完全獨立的系統中出現相似的模式。

這種只用「本地訊息」的方法,意味著四角蜂在無如建築師設計的總體規劃目標情況下設計蜂巢。蜜蜂決定如何製造新的巢室連接舊有巢室,不是由建造一個巨大螺旋結構的「願望」所決定,而是僅知道該個巢室的最佳位置在哪裡,但模型無法真正解釋為何只有這個屬的蜜蜂會產生如此令人難以置信的蜂巢。

來源:
Science Alert, Scientists Find These Stunning Spiral Beehives Have a Lot in Common With Crystals, 21 July 2020

報告:
Cardoso, S.S.S., Cartwright, J.H.E., Checa, A.G. & et al. (2020). The bee Tetragonula builds its comb like a crystal. Journal of the Royal Society Interface published 22 July 2020. doi: 10.1098/rsif.2020.0187

文/Alan Chiu

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