你见过蜜蜂的舌头吗?我们花了半年时间研究怎么拍它

原创 吴嘉宁 果壳

大家都听过勤劳蜜蜂的故事,它们在花朵之间飞来飞去,采集花蜜、传播花粉,制造出甜甜的蜂蜜。然而,这其中的细节却较少被人注意——蜜蜂喝花蜜,这到底是怎样的一个动作?

其实,就像猫猫狗狗喝水一样,蜜蜂饮蜜也要靠舌头来舔。不过,只有借助显微镜与高速摄影,我们才能看清这条小舌头的动作:

视频由作者提供

这段蜜蜂饮蜜的画面就诞生在我们的实验室里。作为一名仿生学研究者,观察蜜蜂的舌头是我重要的工作。

  蜜蜂的舌头长什么样? 

有人可能会觉得蜜蜂的口器就像一根小小的“吸管”,但事实并非如此。下面图中展示的就是它口器的细节。口器由一对下唇须、一对外颚叶和一个毛刷状的舌头(中唇舌)组成。当蜜蜂吃花蜜时,下唇须和外颚叶形成一个管,毛刷状态的舌头往复运动以舔食花蜜。

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蜜蜂口器的构造 | 作者供图

科学家注意到蜜蜂的舌头已经有很长时间了,早在1956年,昆虫解剖学资深学者R. E. Snodggrass就在专著中就介绍了蜜蜂在饮蜜过程舌头的往复运动。但是蜜蜂的舌头实在太小了(常见的意大利蜂舌头总长仅有2 mm左右),当时的技术还无法看清它的细节。

而现在, 通过扫描电镜与活体高速摄影研究,我们对蜜蜂的舌头有了更多了解。

 毛茸茸的舌头

不是一把简单的刷子 

在扫描电镜下观察蜜蜂的舌头,可以发现上面长着十分浓密的刚毛,每平方毫米可以达到2500根之多。这些刚毛能帮蜜蜂充分蘸取花蜜。

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扫描电镜下中唇舌形态 | 作者供图

这舌头很像一把刷毛浓密的刷子,但它可不像刷子那样简单。这个号称“传粉之王”的蜜蜂,在饮蜜时可以对这些数以千计的刚毛实现精确的联动。毫不夸张的说,它们动起来能像“走队列”那样整齐。

下面再来复习一下蜜蜂饮蜜时舌头运动的过程:

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蜜蜂中唇舌运动 | 作者提供

蜜蜂先是将舌头快速的伸向花蜜,刚毛是紧贴在舌头上的;随后舌头完全浸入花蜜中,浸入过程平均持续50毫秒。然后刚毛快速的直竖起来,在刚毛的空隙间,充满花蜜并且保持直竖的状态,最后舌头慢慢的缩回口器中,缩回舌头的过程平均花费150毫秒。

也就是说,用舌头舔蜜的过程,蜜蜂的舌头是入水快而出水慢。而这样的动作其实很有讲究:通过理论计算可以证实,这种先快后慢的动作可以让蜜蜂一次获得最多的花蜜,又可以节省大约2/3的能量。

 怎么才能看清一只蜜蜂的舌头? 

清晰记录蜜蜂舌头的运动,这听起来可能挺有趣,但决不是一件轻松的事。为了拍摄一段高速视频,我们的研究团队耗费了大约半年的时间。

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为了观察蜜蜂的饮蜜行为,我们饲养了大约3000只蜜蜂 | 作者供图

难在哪儿?首先,蜜蜂的舌头平均直径只有几百微米,如果让它自由舔食糖水,拍摄对焦是个大问题。为了方便对焦,我们不仅要将蜜蜂固定,还专门制作了只有1毫米宽度的狭缝观察。但是,蜜蜂却“不开金口”,不愿意配合实验。最后,研究人员急中生智,利用饥饿处理的方法先让蜜蜂“饿”24小时,之后蜜蜂终于可以配合实验了。

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拍摄装置是这样的 | 作者供图

  “刷毛”不够,速度来凑 

工蜂的寿命可能只有30~40天,访问约3000朵花才能产生1克左右的蜂蜜。因此,蜜蜂的舌头需要以很快速度运动才能完成这项艰巨的任务。在使用高速摄像机对蜜蜂的饮蜜行为进行跟踪拍摄时,我们发现舌头采蜜的频率可以达到5Hz,即舌头可以每秒往复运动5次,速度之快令人咋舌。

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蜜蜂的舌头每秒可往复运动五次 | Sajjad Fazel/Wikipedia

如此高强度地使用,舌头上的“刷毛”会不会磨损?“刷毛”磨损最后,采食花蜜的效率是不是就降低了?我们最新发表的研究探寻了这些问题的答案。我们每天定时抽取一定数量不同日龄的蜜蜂,用高速摄像机观察舌头运动的频率,同时用扫描电镜观察并测量舌头上刷毛的长度,并记录并整理下这些数据。

结果显示,随着蜜蜂“变老”,刚毛确实会有不同程度的磨损,但同时舌头运动的频率却在上升。换言之,蜜蜂的舌头虽然不好用了,但蘸取花蜜速度却在加快,这样的补偿机制可以让蜜蜂保持相对稳定的采蜜率。如此奋力提高频率追赶“年轻人”的补偿现象,在人类身上是不太容易见到的。

 从蜜蜂身上能学到什么? 

在揭示自然的奥秘之外,我们也希望能从蜜蜂身上获得灵感。

摩擦和磨损是日常生活和科学技术领域中的常见现象,却也是最难以解决的物理现象。众多科研工作者终其一生致力于其机理的研究,也不能完全解决这一问题。研究者希望从自然界生物体的运动策略上得到灵感和启发,为解决这一“顽固”问题提供新的思路。比如,我们研究的蜜蜂的补偿机制可能会为我们设计功能性自修复的微小柔性机构提供参考。不过,目前这项工作距离真正的实用化仍有一段距离。

参考文献

[1] Ridaura VK, et al. Gut microbiota from twins discordant for obesity modulate metabolism in mice. Sciene, 2013 Sep 6;341(6150)

[2] Patnode ML, et al. Interspecies Competition Impacts Targeted Manipulation of Human Gut Bacteria by Fiber-Derived Glycans. Cell. 2019 Sep 19;179(1):59-73         

作者:吴嘉宁

编辑:窗敲雨

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