蜜蜂和黄蜂独立发明了相同的建筑技巧

乍一看，蜜蜂和群居黄蜂构建的六角形细胞可能看起来很相似，但它们却有显着不同。蜜蜂使用蜡建造，而黄蜂则使用纸。蜜蜂垂直建造双面蜂巢，而黄蜂则水平建造单面蜂巢(即每个蜂房的开口朝下)。

事实上，这两个群体构建的六角形细胞具有独立的进化起源。就像鲨鱼和鲸鱼因其水生环境而具有相似的身体结构一样，蜜蜂和黄蜂也建造六角形细胞，因为这种形状可以最大限度地提高强度和存储面积，同时最大限度地减少建筑材料。

但是，当无法构建完美的六边形单元时会发生什么?蜜蜂和黄蜂以同样的方式解决它们的建筑问题吗?

在蜜蜂和黄蜂的一个子集中，工人们建造了两种不同大小的六边形。较小的细胞用于饲养工蜂，较大的细胞用于饲养繁殖体;雄蜂和皇后。这种单元尺寸的差异产生了一个固有的架构问题：如何在一张梳子中平铺两个不同尺寸的六边形?

为了确定不同物种如何解决相同的结构问题，研究人员需要包含同一梳子中的工细胞和生殖细胞的巢穴图像。

第一作者Michael L. Smith 博士是奥本大学生物科学系的助理教授，也是马克斯·普朗克动物行为研究所的附属成员，他联系了全球的研究人员以获取潜在的图像。然后，他们使用定制软件从 22,745 个单独的单元中提取每个单元的指标。

在某些物种中，例如中美洲后生多栖虫，工细胞和生殖细胞大小相同，因此不存在需要克服的结构障碍。在其他物种中，例如蜜蜂，生殖细胞比工细胞大 2.7 倍，这造成了一个严重的建筑问题 - 如何以有效的方式组合这些截然不同的六边形?

纵观 10 个物种，研究人员发现，随着建筑问题规模的扩大(工蚁细胞和生殖细胞之间的大小差异)，工蚁开始合并非六角形细胞。这些不规则的细胞大多是 5 面和 7 面的，但它们始终成对构建，其中 5 面细胞构建在工人侧，其次是 7 面细胞构建在生殖侧。这种模式在所有需要克服细胞大小差异的蜜蜂和黄蜂物种中都可以看到。对于一群以其六边形细胞而闻名的昆虫来说，仅这一点就很有趣，因为它表明它们都依赖于相同的非六边形结构。

然后，研究人员建立了一个数学模型，可以根据细胞大小的差异来预测有多少非六边形细胞应该被纳入工蚁向生殖细胞的过渡中。令人惊讶的是，一些物种的表现始终好于预期。经过更仔细的调查，研究人员发现这些物种还将中等大小的细胞纳入了过渡区域。中等大小的细胞仍然是六角形的，但它们允许昆虫“分裂差异”并将细胞大小转变为一系列较小的细胞，这不需要非六角形细胞。

所有被调查的蜜蜂和黄蜂物种都采用了这些相同的建筑技巧。尽管经过超过 1.79 亿年的进化，使用不同的建筑材料，并且六角形细胞的独立起源，这些物种都对这个可扩展的建筑问题达成了完全相同的解决方案。

“一旦我们能够绘制出所有数据，结果是惊人的 - 你可以看到蜜蜂和黄蜂如何使用中等大小的细胞来进行逐渐的变化，而且还可以看到非六边形细胞在蜂巢中排列的一致性”迈克尔·L·史密斯说道。

这项工作对于集体系统如何在没有集中控制的情况下构建适应性和弹性结构具有影响。没有单一的蜜蜂或黄蜂“建筑师”建造整个结构，而是由数百甚至数千个人为最终产品做出贡献。

这项名为“蜜蜂和社交黄蜂针对筑巢问题达成趋同的建筑解决方案”的研究成果于 2023 年 7 月 27 日发表在《PLOS Biology》杂志上。

这项研究由国家科学基金会、德国研究基金会、帕卡德科学与工程奖学金和 GETTYLABS 资助。