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；第二组顺序相反。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。
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：
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：
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。
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）：
△=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：
△=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：
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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