摘要:蜜蜂是自然界中最重要的传粉者。为了采集花蜜花粉等食物,蜜蜂形成了许多特化器官和特殊行为。本文以西方蜜蜂 (Apis mellifera L.) 为例,设计观测蜜蜂中唇舌摄食机制力学分析方法的实验方案,旨在探究蜜蜂口器的微观结构,以及相应的蜜蜂进食的宏观及微观过程,借此分析微观特殊结构与宏观特殊功能之间的理论联系机制,最后定量测量中唇舌在进食过程中的力学过程,揭示其调控及适应性机制。
关键词: 蜜蜂, 中唇舌, 微观结构, 摄食机制, 定量, 力学过程
研究背景
蜜蜂是最重要的传粉昆虫,与传粉过程并行的摄蜜行为对蜜蜂种群的能量获取至关重要。以西方蜜蜂 (Apis mellifera L.) 为例,西方蜜蜂口器是典型的嚼吸式口器,主要由一对外颚叶 (galea)、下唇须 (labial palp) 和中唇舌 (glossa) 三部分组成 (图1)。在蜜蜂饮蜜过程中,外颚叶和下唇须会包裹着中唇舌形成一个临时的唧筒状通道,通过中唇舌的往复运动沾取花蜜,之后利用咽部提供的负压将花蜜从管道中抽吸摄食。关于蜜蜂解剖结构、形状特性及几何尺寸已经有相关描述 (彩万志,2011),但由于蜜蜂口器的尺寸较小 (长度仅为2 mm左右),结构复杂度较高 (有多达120个左右的结构),关于蜜蜂口器的微观结构和摄食过程的精细动态行为尚未有详细研究。本文将详述如何结合解剖、微观扫描和高速摄影技术,研究蜜蜂摄食过程的动态特性以及完成相关参数的测量。
图1. 蜜蜂口器结构
如图2所示,主要实验方法包括,(1) 蜜蜂口器体式显微镜观测、(2) 蜜蜂口器扫描电镜观测 (SEM蜜蜂口器显微CT观测及三维重建)、(3) 蜜蜂进食过程高速摄像机观测、(4) 蜜蜂进食过程中唇舌受到阻力测量。其中 (1)-(2) 旨在观测蜜蜂口器微观结构,(3) 旨在捕捉蜜蜂进食过程中口器的宏观和微观运动特征,(4) 旨在探测蜜蜂中唇舌在进食过程中的受力行为。
图2. 研究方法与技术路线
一、蜜蜂口器微观结构观测与3D重建
- 蜜蜂实验样本养殖
本文所选样本为现在我国较为普遍的西方蜜蜂 (西方蜜蜂Apis mellifera),实验室养殖蜜蜂示意图如图3所示。实验室饲养蜜蜂使用的是蜂蜜和蔗糖溶液,供应充足,基于此差别观察发现,实验室饲养蜜蜂的最适温度为20-30 °C,通常控制在25 °C。如图3所示,将收集到的西方蜜蜂样本装进蜂箱带回实验室,安置在蜜蜂活动观测室上侧。由于温湿度对蜜蜂活动影响较大,可在冬日使用加热垫、加湿器来控制整个养殖系统的温湿度。饲养皿中放置蜂蜜、蔗糖溶液、无机盐、维生素、水等蜜蜂生存必需品。蜜蜂活动观测室使用玻璃材质,便于观察,左侧改用铁网,使水蒸气能进入观察室内,从而控制湿度。为便于采集蜜蜂样本,利用蜜蜂趋光性原理,在观察室右侧加装一个LED灯:采集时打开LED灯,则大多数蜜蜂集中于在观察室右侧壁上,少数蜜蜂留在采集室内,极易采集。
图3. 蜜蜂实验室养殖系统示意图
- 蜜蜂口器微观结构观测
- 蜜蜂口器3D重建
二、蜜蜂饮蜜动态高速摄影方法
- 高速摄像系统研制目的
立体视觉测量方法是现在昆虫运动变形测量所广泛使用的一种方法。通过对高精度图像特征信息的提取,实现高精度昆虫运动参数的测量。许多昆虫运动过程迅速且幅度微小,对于此类高速运动或瞬变现象,受人眼的时间分辨率 (1/24 s) 或一般摄像机的拍摄帧速 (一般 < 200 Hz) 限制,无法进行精确捕捉。而高速摄影能把高速形态及运动规律等清晰地展现出来,适用于蜜蜂中唇舌。 - 常规高速摄像系统
蜜蜂饮蜜过程由高速摄像机 (Phantom, MICRO CLY310, USA) 与显微镜头 (Keyence,VH-Z50L,Japan) 组合拍摄,记录视频帧数为500 fps。为了提供足够的拍摄进光量,冷光源与高速摄像机需放置于同一轴线上,以便提供同轴光源。透明喂食盒放置在冷光源与高速摄像机之间,实验前先用头发丝 (直径约50 μm) 插入透明喂食盒中调整焦距并定位。透明喂食盒由玻璃胶粘接载玻片而制成,人造花蜜 (35%蔗糖水 (Yang et al., 2014)) 填充厚度为2 mm。为便于调整视野和焦距,透明喂食盒被固定在一个有3个自由度的定位平台上。该定位平台由伺服电机控制,移动精度达到10 μm。在实验之前,蜜蜂样本将受到饥饿24 h的预处理。实验时,剪掉蜜蜂翅膀,将胸部背侧粘连在高度调整器上,由上自下慢慢接近人造花蜜。如此,蜜蜂足部将首先接触到人造花蜜溶液,所以,为了不干涉蜜蜂饮蜜过程的拍摄,此实验去掉蜜蜂的足部。 - 显微高速摄像系统
图5是基于常规高速摄像系统所改进的显微高速摄像系统。常规高速摄像系统无法清晰地捕捉蜜蜂中唇舌上刚毛的运动特征,因此设计了显微高速摄像系统。如图5所示,蜜蜂饮蜜过程由高速摄像机 (Phantom M110, USA) 和光学显微镜 (Axiostar Plus, Zeiss, Germany) 组合拍摄,放大倍数为40倍。透明喂食盒的喂食厚度制为1 mm,整个拍摄系统的光源由光学显微镜提供,无需另制。蜜蜂样本固定仍使用胸部背侧粘连在三自由度定位台上的方法,但观测视线为竖直方向,故无需去足处理 (Zhao et al., 2015)。
图5. 显微高速摄像系统
三、蜜蜂中唇舌摄食净能量分析
蜜蜂在花蜜转运过程中展现出卓越的能量获取能力,在每一次外出飞行获取的液体食物所具有的能量,不仅需要满足自身飞行以及新陈代谢所消耗的能量,还需要为蜂巢内其它社会分工蜜蜂提供生长生活所必需的能量。自然界中,蜜蜂能进食和适应不同形式的食物,既能吸取微型沟槽结构的蜜腺中的花蜜,又能舔舐由花蜜脱水产生的结晶干糖或人工喂养的固体糖等。基于动态观测得到的中唇舌刚毛结构在摄食过程中的微观动力学行为,可以建立摄食过程的能量摄取模型,进而可对蜜蜂中唇舌的摄食经能量进行定量分析。本章提出了蜜蜂摄食能量的分析方法并给出了计算算例。
- 蜜蜂摄食能量摄入量分析
通过对蜜蜂口器微结构的观察,将中唇舌简化为圆柱体,被浓密的圆锥形刚毛覆盖,周围的盔瓣和唇瓣可简化为管状 (Yang et al., 2014) (图6)。蜜蜂的一个摄食周期可分为三个部分:中唇舌伸出、收缩和间停,持续时间分别为T1、T2和T0。一个周期内摄取的花蜜体积可以用一个圆筒的体积减去浸没在花蜜中的刚毛的体积来估计。假设中唇舌伸出和收缩的平均运动速度都为u,时间,则周期平均摄取体积流量Q为:
其中ζ为刚毛分布密度, r为刚毛半径,a为中唇舌半径,h为刚毛直立长度。每周期平均摄取体积流量得到周期内能量摄入量E为
其中ρ为花蜜密度,c为每单位质量蔗糖的能量含量,s%为花蜜密度。
图6. 西方蜜蜂摄食花蜜的物理模型
- 蜜蜂中唇舌在不同表面的摩擦力测试方法
- 净能量分析
在一个摄食周期中,由于阻力引起的平均能量消耗W可表示为W = FS,其中F 为测得的中唇舌受到的阻力,由第三章第2.2节方法测量得到;S 为中唇舌运动位移,可由第二章第3节所示方法捕捉中唇舌运动过程得到。一个舔舐周期由中唇舌伸出和收缩两个阶段组成,因此周期内总能量消耗为W 可表示为:
其中FP和FR 分别为中唇舌伸出和收缩时受到的阻力。
最后,在一个摄食周期中,蜜蜂得到的净能量摄入量 Enet 为 Enet = E - W ,周期净能量摄入率 为。利用西方蜜蜂样本,通过实验与理论计算结合的形式,从净能量摄入率的角度分析对比蜜蜂摄食固体糖和蔗糖溶液的优劣性。如图10所示,蜜蜂在一个摄食周期内,摄取固体糖的净能量摄入率为2.8 J/s。而摄取糖溶液时蜜蜂的净能量摄入率为5.6 J/s,为摄取固体糖的2倍,故得到蜜蜂摄食糖溶液比摄食固体糖更有利于减小能量消耗、提高摄食效率的结论。
图10. 蜜蜂摄食净能量分析
总结
昆虫口器是目前动物世界中研究最深入、记录最丰富的动物器官之一 (Labandeira, 1997)。蜜蜂是世界上最重要的传粉者,通常以花蜜或花粉等食物为生。其摄取的食物不仅仅需要满足其自身的飞行、新陈代谢所需能量,还需要保证群体中其他社会成员的能量消耗。因此,蜜蜂进化出一种高效的口器和摄食机制来支持它采集大量食物 (Li et al., 2016)。然而,关于蜜蜂口器的内部微观结构和摄食过程的精细动态行为尚未有详细研究。本文以西方蜜蜂 (Apis mellifera) 为例,设计了一种观测蜜蜂中唇舌摄食机制的实验方案和力学分析方法。该方法旨在探究蜜蜂口器的微观结构以及相应的蜜蜂摄食的宏观及微观过程,借此分析微观特殊结构与宏观特殊功能之间的理论联系机制,最后通过物理测量手段定量分析中唇舌在摄食过程中的力学过程,揭示其对不同形式食物的调控及适应性机制。
首先本文结合解剖、体式显微镜、扫描电镜和显微CT观测及三维重建技术对蜜蜂口器微观结构进行观测,并完成口器相关结构参数的测量。其次,通过高速摄像机捕捉蜜蜂进食过程中口器的宏观和微观运动过程,研究蜜蜂摄食过程的动态特性和摄食机制。蜜蜂的中唇舌类似于被浓密刚毛覆盖的长圆柱体,在摄食过程中,中唇舌进行往复运动的同时致密的刚毛会进行相应的扩张和收拢运动 (Wu et al., 2019; Zhu et al., 2016)。对此,本文建立了一种含刚毛运动过程的蜜蜂摄食模型,计算分析蜜蜂在摄食过程中的能量摄入量,并从能量角度考虑蜜蜂的摄食效率,对自然界中花蜜的浓度大致为35%这一现象做出解释。最后,设计了一套力学实验装置,测量并定量分析中唇舌进食的力学过程,量化了蜜蜂摄食过程中的净能量摄入率,解释了蜜蜂对于不同形式食物的偏好现象。
本文设计的一种蜜蜂中唇舌摄食机制力学分析方法,基于仿生学思路,利用交叉学科方法,结合观测手段、力学实验和数学建模的方式,揭示了西方蜜蜂摄食过程中唇舌的行为机制,并基于微观运动特性和能量协同评价指标,分析了蜜蜂进食不同食物过程中的能量优化策略。该方法有助于拓宽对蜜蜂口器结构和摄食行为的了解和认识,对未来完善蜜蜂饲养机制甚至研制仿蜜蜂口器微型流量泵、固体采样器等仿生设备都有一定的启发作用。
参考文献
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Copyright: © 2021 The Authors; exclusive licensee Bio-protocol LLC.
引用格式:廖采莹, 吴志刚, 赵杰亮, 吴嘉宁. (2021). 西方蜜蜂中唇舌摄食机制力学分析方法.
Bio-101: e1010620. DOI:
10.21769/BioProtoc.1010620.
How to cite: Liao, C. Y., Wu, Z. G., Zhao, J. L. and Wu, J. N (2021). Mechanical Methods for Analyzing Feeding Mechanism of Honeybees .
Bio-101: e1010620. DOI:
10.21769/BioProtoc.1010620.