尽管熊蜂对人类来说不是神秘的动物，但是关于这种益虫，我们仍然有很多需要了解的地方。其中一个话题就是熊蜂是如何在周遭的嗡嗡声中觅食的。一种可能性是它们使用了电感受——这一通常只有水生动物才具备的能力。但是熊蜂是如何使用电感受的？为了找到答案，英国布里斯托大学（University of Bristol）的研究团队将物理实验与仿真的强大功能相结合，对此进行了深入的研究。
我们所知道的熊蜂
想到熊蜂，我的思绪就飞向了温暖的夏日，这些小生灵慵懒地飞翔在我母亲花园的花丛中。它们似乎是在以一种看似随机的模式在进行移动，从一个花苞飞向另一个，辛勤地采集花粉。当然，这只是我看到的表象……
蜜蜂停留在花朵上的照片。
看不见的电荷在熊蜂与其所处环境的互动中扮演着重要角色。我们早已知道蜜蜂可通过拍打翅膀使自身带上正电荷。当蜜蜂降落在花朵上时，正电荷使带负电荷的花粉粘在了蜜蜂的绒毛上。
之前的博客文章详细阐释了这方面的知识，研究表明当熊蜂降落在花朵上时，花朵的电势会发生变化。正是这一变化成为了发送给其他熊蜂的信号，并对其授粉活动产生引导作用。
左图：模拟花朵的电势和电场强度。右图：物理实验中，用带静电的彩色粉末喷涂花朵（图中花朵的右侧部分）。粉末的密度显示了花朵表面的电场强度变化。图片版权由 Clarke、Whitney、Sutton 和 Robert 所有，摘自他们的论文“Detection and Learning of Floral Electric Fields by Bumblebees”。
从那时起，布里斯托大学的研究团队就像他们研究的蜜蜂那样忙碌了起来。最近，他们重点分析了熊蜂的电感受，正是这一能力让熊蜂们能够探测空气中的自然形成的电刺激，进而搜集周围电场的信息并做出觅食决定。
尽管电感受行为是鲨鱼、鳐鱼、海豚等水生动物已知的特性，但这并非陆生动物的典型特征。只有当陆生动物（例如鸭嘴兽）潜入水中或被潮湿物质包围时，才具备电感受能力。
空气是一种电绝缘介质，然而探测空气中电场是蜜蜂必备的能力。借助这种能力，熊蜂便能够探测到花朵的静电场，蜜蜂也可以注意到由它们的摆尾舞产生的振荡场。
熊蜂可以利用电感受感知花朵的电势。左图：蜜蜂的电感受仿真研究中使用的花朵的几何模型。版权由 Dominic Clarke 所有。右图：花朵的照片。
研究人员对这样的一个构想开展了研究：电场会对熊蜂的机械感觉结构施加作用力，从而产生了力学响应，使得熊蜂能够探测到电场。让我们来看看他们是如何在研究工作中将物理实验与仿真研究相结合的。
探索熊蜂的电感受能力
由于电感受是一种最近才在昆虫身上发现的感知能力，人们对其背后的机制尚未完全了解。为了进一步探索刺激熊蜂感觉机制的机电耦合效应，布里斯托大学的研究人员对两种可能的电场传感器进行了研究：触角和绒毛。在试验中，他们测试了两种假说：
- 熊蜂使用触角探测电场。
- 熊蜂使用绒毛探测电场。
让我们从物理实验结果开始回顾吧。通过检测触角和机械感觉毛的力学响应和中性响应，研究人员发现电场使两种传感器都发生了偏移。虽然在响应电场时，绒毛和触角都会移动，但绒毛的中线位移、角位移和速度更大。
拥有绒毛和触角的熊蜂的照片。图像由 Brian Tomlinson 自行拍摄。已获CC BY 2.0许可，通过Flickr Creative Commons共享。
在进一步评估机电响应灵敏度的过程中，研究人员发现绒毛的振动速度比触角大一个数量级。他们还发现，在特定电压下，测量的振动速度能够与热噪声区分开，且绒毛对应的电压值Umin更低，这表明绒毛对电场更加敏感。
这些发现引出一个结论：熊蜂的绒毛与触角相比，是更有效的传感器。
借助仿真深入对比绒毛和触角在熊蜂电感受行为中的作用
完成这些试验之后，研究人员开始进行仿真研究。研究团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件进行了有限元分析。他们的目标是确定使熊蜂产生响应所需的电荷，以及熊蜂和花朵之间可实现电感受的最大距离。
研究人员首先建立了一个模型：熊蜂绒毛曝露在由带有不同电压的钢盘产生的电场中。然后，他们将传感器放置在距离钢盘 1 cm 的位置，并通过模型对使绒毛和触角发生机械运动所需的电压值进行了比较。结果表明，使带电的绒毛产生机械运动所需的最小电场强度远远小于触角。
电场的仿真结果显示了使绒毛（25 mV）和触角（500 mV）产生可观察运动所需的最小电压。在这里，白色的 “X” 表示绒毛和触角的位置。版权由 Sutton、Clarke、Morley 和 Robert 所有。
针对绒毛和触角对电场的灵敏度问题，研究人员分别计算了电场对它们的最大激励距离，研究中使用了电压为 30 V 的带电钢盘作为电场，这与花朵产生的电场相类似。他们发现根据刺激频率的高低，带电绒毛的最大激励距离为 7.1 至 55 cm，而触角的最大距离为 2.6 至 13 cm。仿真结果又一次表明绒毛更为敏感。
仿真结果描绘了熊蜂绒毛曝露于距离带电钢盘电场 1 cm 范围内的情况。在图像中，我们可以观察到作用于绒毛的力，以及钢盘上每一伏特的正电压对电场的影响。版权由 Sutton、Clarke、Morley 和 Robert 所有。
研究的最后一项是确定机械运动是否会使熊蜂的神经系统产生响应。结果表明，当施加直流电场时，熊蜂绒毛的神经触发率会增加；而相比较而言，触角的触发频率并未增加。不过，根据控制记录，触角会对嗅觉（薰衣草油）及机械（空气吹风）刺激产生相应。
相比于触角，熊蜂的绒毛对花朵的电场更为敏感。
根据研究结果，研究人员可以得出这样的结论：虽然电场会引发触角和绒毛的运动，但是只有绒毛的运动才会触发神经响应。因此，熊蜂是使用绒毛来探测电场的，这些感觉绒毛构成了一张电感受网。虽然以前的研究提出了蜜蜂触角可以探测到电场，但本文介绍的实验并未显示熊蜂触角能够有效地对电场进行响应。
除深入揭示了蜜蜂的行为之外，研究还发现其他陆生动物或许可以使用感觉毛探测电场，并对电场做出反应。随着研究的不断深入，我们可以超越肉眼的限制，深度探索自然界中其他动物的动态行为。
探索更多受自然现象启发的仿真研究
- 阅读全文：“Mechanosensory hairs in bumblebees (Bombus terrestris) detect weak electric fields”
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