蜜蜂的蜂巢是什么形状(一个蜂巢有多少蜜蜂)[通俗易懂]

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在没有任何设计图纸的情况下，蜜蜂可以用柔软的蜂蜡建造一个均匀完美的蜂巢。这些工程奇迹是来自蜜蜂的本能，还是大自然在幕后操纵？

作者/记者李鹏编辑/丁琳

新媒体编辑/陈玄志

专家访谈:

魏洪祥(中国科学院物理研究所副研究员)

刘克峰(重庆理工大学数学科学研究中心主任)

王(lasg研究员)

王文峰(西藏自治区农业科学院农业研究所副所长、研究员)

蜜蜂是地球上非常古老的物种，最晚出现在1.45亿年前的白垩纪。在极其漫长的进化过程中，蜜蜂掌握了一些惊人的技能——蜜蜂具有强大的后天学习记忆能力；它们有复杂的“语言”和社会系统，能在最好的花蜜所在的地方互相交流；此外，蜜蜂巢的横截面整齐地排列成一排排六角形的小蜂窝，构成了一个令人惊叹的建筑奇观。

▲澳大利亚无刺蜜蜂建造的螺旋塔蜂窝(图片来源:史密森尼)

为什么蜜蜂能把蜂巢建成规则的六边形？他们天生就是杰出的数学家吗？

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蜜蜂是“几何大师”

自古以来，许多观察和研究蜜蜂的人认为，这些勤劳的小动物具有独特的数学能力。公元4世纪古希腊哲学家、数学家帕波斯认为，蜜蜂一定具有某种“几何规划能力”；达尔文还称赞六边形蜂窝是“最节省劳动力和材料的完美选择”。

蜜蜂采蜜实际上是一项非常辛苦的工作。12只蜜蜂用一生的劳动只能换来一茶匙的蜂蜜。为了生产500克蜂蜜，大约需要37000只工蜂来回飞行。建蜂巢用的蜂蜡更是珍贵:一只工蜂需要吃8份蜂蜜才能分泌一份蜂蜡。所以用最少的蜂蜡包装最多的蜂蜜，可以给蜂群带来生存优势。

▲蜜蜂从腹部分泌蜂蜡(图片来自网络)

1999年，美国密歇根大学数学家托马斯·黑尔斯证明了由来已久的“蜂巢猜想”。他得出的结论是，想要把一个平面分成面积相等的区域的周长最小的几何图形是正六边形。换句话说，由正六边形组成的平面网络是最有效和最经济的建筑材料方法。

多年研究高原养蜂技术的西藏自治区农科院农业研究所副所长王文峰研究员向记者解释，蜜蜂采用的正六边形建筑模式，不仅用料最多，而且牢固度最高。中国科学院物理研究所副研究员魏洪祥也指出，正六边形在组合时非常稳定，构建这种形状所需的能源极少。

但是蜜蜂是怎么知道这个秘密的呢？蜜蜂在数学计算方面真的和数学家一样老练吗？达尔文认为，由于建造六角形蜂巢的蜜蜂具有生存优势，在自然选择的作用下，这种建造方式逐渐成为蜜蜂的一种本能。

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蜂窝状排列或物理定律。

尽管主流观点认为正六边形蜂巢是蜜蜂在进化过程中自然选择的结果，但对于蜂巢中正六边形结构的普遍出现，一些科学家认为应该有更普遍的物理规律在起作用。

自然界中，很多结构如果受力平衡，会自发形成正六边形。比如水面上的多个肥皂泡，如果大小相同，分布均匀，就会形成规则的六边形结构。很明显，肥皂泡的结构并不是蜜蜂等智慧生物刻意打造的，简单的物理规律决定了它的六边形——与蜜蜂相比，大自然是一个更斤斤计较的工匠。

▲玻利维亚著名的“天空之镜空”盐沼在蒸发干燥时会在表面张力的作用下形成六边形纹理(图片来自网络)

一些生物学家认为，蜜蜂建造蜂巢时，首先考虑的不是蜂巢的形状，而是空个房间:它们应该确保每个隔间有足够的空个房间。研究发现，在建造蜂巢的过程中，蜜蜂会对邻近蜂巢的现有墙壁进行改造，以减少蜂蜡的用量，并确保新的蜂巢有足够的大小。

想象一下，当一些大小完全相同的球被放在一个盒子里，每个被包围的球都与其他六个球相切。当我们在这些球之间画一些通过切点的线段时，相连的图形就是一个正六边形。

事实上，蜜蜂建造蜂巢的过程就像是将大量的圆柱形空细胞堆叠在一起。在横截面上，由于中心的一个圆被完全包围，且必须与六个圆相切，所以空最经济稳定的方式就是正六边形叠加而已。

2013年，北京大学理工学院王建祥教授领导的国际团队发现，蜜蜂筑巢确实是一个类似于“肥皂泡堆积”的动态过程。经过长时间的观察和记录，他们发现蜜蜂物种优越的意大利蜜蜂在建造蜂巢时，并不是直接建造六边形的蜂巢，而是先建造横截面为圆形的蜂巢孔。随着蜂窝孔深度的增加，蜂窝孔逐渐由圆形变为六边形。

蜜蜂的胸部温度可以超过40摄氏度。在这个温度下，蜜蜡会变成无定形的、可塑的，在孔壁拉应力的作用下，蜂窝孔逐渐形成“圆角六边形”结构。

▲刚做好的蜂窝孔(左)和2天后(右)(图片来源:ZME科学)

为了验证这一过程，王建祥的团队还用圆形截面的塑料吸管模拟蜂窝阵列，制作了一个简单的模型。将塑料吸管均匀加热后，他们验证了蜂窝孔可以由圆形变为正六边形或近似正六边形的结论。

这个实验说明蜜蜂构筑的正六边形蜂巢并不完全是蜜蜂的本意，而是蜂蜡的物理性质。蜂窝形状的外观类似于肥皂泡挤压的结果。

正因如此，只要我们仔细观察就会发现，在不同大小的蜂巢之间的过渡区域，蜂巢不一定是六边形，偶尔也会出现五边形或其他形状。此外，靠近中心的蜂窝形状通常比边缘更接近正六边形。这些观察进一步支持了蜂窝形状是物理作用的结果的观点。

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六边形有许多秘密需要解决。

从微观世界到宏观世界，可以找到很多正六边形的例子。

▲胰岛素六聚体(来源:维基百科)

在微观分子尺度上，石墨和苯环分子是标准平面正六边形结构；lasg的研究员王告诉记者，虽然在自然界中很难找到两片完全相同的雪花，但它们的基本形状都是规则的六边形结构。

天文学家还在更大的宇宙尺度空上观测到了各种六边形结构。2013年，卡西尼土星探测器发回的图像显示，土星北极的巨型风暴呈现出奇怪的六边形特征。这种现象的具体原因仍然是一个谜；宇宙中新恒星爆炸后形成的一些“气泡星云”也聚集成蜂窝状。

▲土星北极的六边形风暴

此外，由许多小眼睛组成的复眼是一些昆虫的主要视觉器官，它们通常以蜂巢的形式排列。王文峰认为，自然界中如此多的事物之所以呈现正六边形结构，与正六边形的性质密切相关。比如正六边形有六个对称轴，可以进行各种旋转而不改变形状。

魏洪祥认为，纵观整个自然界，“特殊”的形状不仅仅是正六边形，几乎所有的形状都可以在自然界中找到。在它们频繁出现的背后，有着相关的数学规律——比如在引力的作用下，宇宙中的天体基本上都是椭圆形或者圆形。荷叶上的水滴之所以形成球体，是因为表面张力的原因。

现在，虽然科学家已经初步揭示了正六边形蜂巢的出现，自然力的作用不可或缺，但这就能完全否定自然选择在蜜蜂进化中的作用吗？目前没有更明确的答案。为什么其他生物或自然现象偏爱正六边形，仍然值得研究。

▲龟甲之果(图片来自网络)

另一方面，现在人类已经从正六边形的研究中受益，我们生活中的很多构型都采用了正六边形。例如，人们从蜂窝中获得灵感，设置蜂窝无线电覆盖区域。这种模式覆盖范围相同，建塔数量最少，可以大大节省建设投资。在相邻区域，使用不同的频率进行通信也可以避免干扰，从而获得理想的通信效果。

受正六边形蜂巢的启发，数学家们也开始研究三维空空间中“最经济”的几何组合。比如1993年，两位物理学家提出了Will-Fran泡结构，其形成的体系可以最有效地将空之间的空间划分为等体积的格子，也就是最小化建筑材料。北京奥林匹克公园“水立方”外表面的气泡布局采用了上述原理。

然而，威尔-弗兰泡泡是三维中“最经济”的几何吗空？重庆理工大学数学科学研究中心主任刘克峰在接受记者采访时指出，根据他掌握的信息，这个问题目前还没有明确的答案。可以说，在“三维蜂巢”的研究中，大自然的秘密还没有被完全揭示。

自然界的六边形

整理/记者丁琳

植物叶子上的叶脉，蝴蝶翅膀上的图案…当目睹这些精美的建筑时，我们总是赞叹大自然的“鬼斧神工”。事实上，即使是像六边形这样简单的图形，其背后也包含着丰富的科学原理。当填充平面时，六边形不仅是最节省材料的形状，而且可以产生机械稳定的支撑结构，使得边缘处的表面张力之和可以最小化。

▲龟壳

▲蛇鳞

▲昆虫复眼

▲人的视网膜(显微照片)

▲单层气泡

▲蜂巢

▲石墨烯(示意图)

▲柱状玄武岩

▲雪花

▲土星北极气旋

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报|科学加客户端

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