我不是懒,我只是打开了节能模式

2020-03-22 18:16:14 1点赞 1收藏 1评论
我不是懒,我只是打开了节能模式

熊蜂是授粉小能手丨Deep Look

春天来了,又到授粉的时节了。熊蜂们飞舞在花间,为植物的繁衍带去助攻。

但它们可能不知道,有群人类科学家不在意那些花草,却关心这群社畜飞得累不累。

人类惊奇地发现,搬运工不只靠蛮力吃饭:当驮着沉重的货物飞行,它们就可以开启“节能模式”,让自己不那么辛苦。

凭着神秘的“摸鱼”技能,这个名叫美洲东部熊蜂(Bombus impatiens)的物种登上了《科学进展》(Science Advances)期刊。

  负重飞行,能效提升  

加州大学戴维斯分校的昆虫行为学家斯黛茜·库姆斯(Stacey Combes)团队,把30只正在工作的熊蜂带进了实验室。当时,它们的蜜囊里还盛着花蜜,那是飞行必备的养分。

科学家给每只熊蜂测量(包含花蜜的)体重,再把焊锡丝切成体重的40%大小,这是要贴在腹部的配重。然后,就该观察飞行时的重量与能耗之间的关系了。

30只熊蜂被随机分成两组。第一组先不加配重飞行五分钟,再负重飞五分钟;第二组序相反。因为飞行会消耗花蜜,所以不论负不负重,飞行前后都要测重量,取平均值。

我不是懒,我只是打开了节能模式

虚线下的白色部分,代表飞行消耗的花蜜丨参考文献1

知道了重量,那能耗该怎么测量?要看熊蜂飞行中放出的二氧化碳。飞行地点,是一只密闭的玻璃球。每次飞行之前,科学家都用不含二氧化碳的干燥空气冲刷玻璃球。飞完之后,用玻璃球里二氧化碳的含量除以时间,就是熊蜂的代谢率,也是能耗最直接的体现。

结果发现,虽然在负重和不负重的情况下,熊蜂的代谢率都会随着重量的增加而上升,但负重飞行和轻装上阵相比,上升趋势明显平缓了许多

我不是懒,我只是打开了节能模式
我不是懒,我只是打开了节能模式

横轴=总重,纵轴=代谢率,白=轻装飞,黑=负重飞丨参考文献1

这就是说,负重的时候,单位重量消耗的二氧化碳变少了,也意味着能效提高了。

与此同时,高速镜头拍下了熊蜂飞行的全过程。科学家用翅膀拍打的频率和幅度,估算出拍打翅膀带来的力。而力的变化规律,和上面的代谢率有些不同:

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估算方法是,力=2*频率*速度*翅膀长度丨参考文献1

负重和轻装时,力都会随着总重的增加而增加,而黑线并没有比白线明显平缓。就是说,在能效提升的同时,翅膀提供的力却没有太大损失

科学家说,负重让熊蜂开启了“经济模式(Economy Mode)”。至于是怎样开启的,他们想从飞行姿势上找找玄机。

  翅膀频率居然会下降  

团队依然是从熊蜂拍打翅膀的幅度和频率开始观察。想要研究这两者跟重量之间的关系,就不能只测总重了。

科学家把完成飞行的熊蜂隔离起来,不让它们觅食。直到每只蜂走不动路,也嗡不出声(但还活着),表示体内的花蜜耗尽,再重新测体重。这是为区分花蜜和熊蜂的自重,把花蜜跟配重算在一起,得出负重的百分比。

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灰色代表花蜜,灰色不见代表花蜜耗尽丨参考文献1

结果,熊蜂扇动翅膀的幅度,的确随着负重百分比的增长而均匀地增长了。

但翅膀拍打的频率,并没有随之均匀增长,而是增长得越来越慢。甚至在负重超过自重的50%以后,出现了频率下降的情况(横轴以下的数据点):

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△=负重时的数据-轻装时的数据丨参考文献1

所以,节能的实现很可能与翅膀拍打频率有关。这不只是猜测,科学家在频率和代谢率之间,找到了非常紧密的联系:

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△=负重时的数据-轻装时的数据丨参考文献1

有理由相信,频率是节能的关键。

能耗是在频率上节省的,力量终究要在别处补回来。翅膀扇动的幅度增加,可以一己之力承担起庞大的负重么?科学家认为不够,应该还有另外的操作,代替了增大频率的做法。

那么,还有什么动作可以为飞行增加力量?

  看,它的翅膀在旋转  

科学家又继续观察高速镜头下熊蜂飞舞的姿势:

我不是懒,我只是打开了节能模式

图丨参考资料1

注意,翅膀在一来一回的中间,是会旋转朝向的。虽然这不是负重飞行时特有的动作,但科学家怀疑,熊蜂是利用不同的旋转速度和时机,调整了飞行模式

早在20世纪90年代,加州大学伯克利分校的生物学家迈克尔·迪金森(Michael Dickinson)和他的同事们,就通过机械昆虫模拟飞行实验观察得出:

如果翅膀在拍打到最远处之前,或者说开始掉头之前旋转,就会得到一个向上的力;如果在掉头之后旋转,会得到一个向下的力;如果旋转的过程覆盖了掉头前后的时间,便会得到先向上再向下的力。

所以说,只要昆虫把握好旋转的时机,就能为自己提供另一重升力。科学家们推测,熊蜂就是灵活利用了这种机制,帮自己打开了不同的飞行模式。

我不是懒,我只是打开了节能模式

“我不是懒,我只是进入了节能模式”丨Chargrilled

讲到这里,我忍不住替熊蜂问一句:既然有“经济模式”,为什么还要切来切去?

论文是这样推测的:有些时候,增加拍打的频率,是为了对抗一些干扰因素,比如气流、天敌,或者障碍物,让飞行更稳定也更可控。在这样的情况下,经济就不是重点了。

而即便不遭遇严苛的环境,当熊蜂休息足了,或者负载不重的时候,节能的优先级可能也不会很高;它们会等到有些累了,或者要大量负载的时候,再调到节能模式。

但不论如何,科学家始终坚信的一点是,切换模式是熊蜂的自主选择。

参考文献

[1] Combes, S. A., Gagliardi, S. F., Switzer, C. M., & Dillon, M. E. (2020). Kinematic flexibility allows bumblebees to increase energetic efficiency when carrying heavy loads. Science Advances, 6(6). doi: 10.1126/sciadv.aay3115

[2] Fell, A. (2020, Feb 5). Bumblebees Carry Heavy Loads in Economy Mode. Retrieved from https://www.ucdavis.edu/news/bumblebees-carry-heavy-loads-economy-mode/

[3] Dickinson, M. H. (1999). Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight. Science, 284(5422), 1954–1960. doi: 10.1126/science.284.5422.1954

作者:栗子

编辑:odette 朱步冲

 一个AI 

你也是自主选择了节能模式吧,人类。

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