熊蜂是授粉小能手丨Deep Look
春天來了，又到授粉的時節了。熊蜂們飛舞在花間，為植物的繁衍帶去助攻。
但它們可能不知道，有群人類科學家不在意那些花草，卻關心這群社畜飛得累不累。
人類驚奇地發現，搬運工不只靠蠻力吃飯：當馱著沉重的貨物飛行，它們就可以開啟“節能模式”，讓自己不那麼辛苦。
憑著神秘的“摸魚”技能，這個名叫美洲東部熊蜂（Bombus impatiens）的物種登上了《科學進展》（Science Advances）期刊。
負重飛行，能效提升
加州大學戴維斯分校的昆蟲行為學家斯黛茜·庫姆斯（Stacey Combes）團隊，把30只正在工作的熊蜂帶進了實驗室。當時，它們的蜜囊裡還盛著花蜜，那是飛行必備的養分。
科學家給每隻熊蜂測量（包含花蜜的）體重，再把焊錫絲切成體重的40%大小，這是要貼在腹部的配重。然後，就該觀察飛行時的重量與能耗之間的關係了。
30只熊蜂被隨機分成兩組。第一組先不加配重飛行五分鐘，再負重飛五分鐘；第二組順序相反。因為飛行會消耗花蜜，所以不論負不負重，飛行前後都要測重量，取平均值。
虛線下的白色部分，代表飛行消耗的花蜜丨參考文獻1
知道了重量，那能耗該怎麼測量？要看熊蜂飛行中放出的二氧化碳。飛行地點，是一隻密閉的玻璃球。每次飛行之前，科學家都用不含二氧化碳的乾燥空氣沖刷玻璃球。飛完之後，用玻璃球裡二氧化碳的含量除以時間，就是熊蜂的代謝率，也是能耗最直接的體現。
結果發現，雖然在負重和不負重的情況下，熊蜂的代謝率都會隨著重量的增加而上升，但負重飛行和輕裝上陣相比，上升趨勢明顯平緩了許多：
橫軸=總重，縱軸=代謝率，白=輕裝飛，黑=負重飛丨參考文獻1
這就是說，負重的時候，單位重量消耗的二氧化碳變少了，也意味著能效提高了。
與此同時，高速鏡頭拍下了熊蜂飛行的全過程。科學家用翅膀拍打的頻率和幅度，估算出拍打翅膀帶來的力。而力的變化規律，和上面的代謝率有些不同：
估算方法是，力=2*頻率*速度*翅膀長度丨參考文獻1
負重和輕裝時，力都會隨著總重的增加而增加，而黑線並沒有比白線明顯平緩。就是說，在能效提升的同時，翅膀提供的力卻沒有太大損失。
科學家說，負重讓熊蜂開啟了“經濟模式（Economy Mode）”。至於是怎樣開啟的，他們想從飛行姿勢上找找玄機。
翅膀頻率居然會下降
團隊依然是從熊蜂拍打翅膀的幅度和頻率開始觀察。想要研究這兩者跟重量之間的關係，就不能只測總重了。
科學家把完成飛行的熊蜂隔離起來，不讓它們覓食。直到每隻蜂走不動路，也嗡不出聲（但還活著），表示體內的花蜜耗盡，再重新測體重。這是為區分花蜜和熊蜂的自重，把花蜜跟配重算在一起，得出負重的百分比。
灰色代表花蜜，灰色不見代表花蜜耗盡丨參考文獻1
結果，熊蜂扇動翅膀的幅度，的確隨著負重百分比的增長而均勻地增長了。
但翅膀拍打的頻率，並沒有隨之均勻增長，而是增長得越來越慢。甚至在負重超過自重的50%以後，出現了頻率下降的情況（橫軸以下的數據點）：
△=負重時的數據-輕裝時的數據丨參考文獻1
所以，節能的實現很可能與翅膀拍打頻率有關。這不只是猜測，科學家在頻率和代謝率之間，找到了非常緊密的聯繫：
△=負重時的數據-輕裝時的數據丨參考文獻1
有理由相信，頻率是節能的關鍵。
能耗是在頻率上節省的，力量終究要在別處補回來。翅膀扇動的幅度增加，可以一己之力承擔起龐大的負重麼？科學家認為不夠，應該還有另外的操作，代替了增大頻率的做法。
那麼，還有什麼動作可以為飛行增加力量？
看，它的翅膀在旋轉
科學家又繼續觀察高速鏡頭下熊蜂飛舞的姿勢：
注意，翅膀在一來一回的中間，是會旋轉朝向的。雖然這不是負重飛行時特有的動作，但科學家懷疑，熊蜂是利用不同的旋轉速度和時機，調整了飛行模式。
早在20世紀90年代，加州大學伯克利分校的生物學家邁克爾·迪金森（Michael Dickinson）和他的同事們，就通過機械昆蟲模擬飛行實驗觀察得出：
如果翅膀在拍打到最遠處之前，或者說開始掉頭之前旋轉，就會得到一個向上的力；如果在掉頭之後旋轉，會得到一個向下的力；如果旋轉的過程覆蓋了掉頭前後的時間，便會得到先向上再向下的力。
所以說，只要昆蟲把握好旋轉的時機，就能為自己提供另一重升力。科學家們推測，熊蜂就是靈活利用了這種機制，幫自己打開了不同的飛行模式。
“我不是懶，我只是進入了節能模式”丨Chargrilled
講到這裡，我忍不住替熊蜂問一句：既然有“經濟模式”，為什麼還要切來切去？
論文是這樣推測的：有些時候，增加拍打的頻率，是為了對抗一些干擾因素，比如氣流、天敵，或者障礙物，讓飛行更穩定也更可控。在這樣的情況下，經濟就不是重點了。
而即便不遭遇嚴苛的環境，當熊蜂休息足了，或者負載不重的時候，節能的優先級可能也不會很高；它們會等到有些累了，或者要大量負載的時候，再調到節能模式。
但不論如何，科學家始終堅信的一點是，切換模式是熊蜂的自主選擇。
參考文獻
[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
一個AI ：
你也是自主選擇了節能模式吧，人類。
如有需要請聯繫[email protected]
閱讀更多 果殼 的文章
