寰宇古今 ✐2010-10-01


生物知趣

建筑奇蹟话蜂巢

苏美灵

 

  自然界是一个多姿多采的世界,由无际的太空到漆黑的海底,都充满了令人目不暇给的景象。自然界的美丽真是数说不尽,笔墨难以形容,这显出造物主的智慧和安排。造物主也将美感赐给人,让人欣赏祂的荣耀。诗篇第八篇说:“我观看你指头所造的天,並你所陈设的月亮星宿,便说,人算什么,你竟顾念他?世人算什么,你竟眷顾他!”在众多的被造物之中,惟有人可以欣赏自然界的一切美景,因为即使其他动物可以看见美丽的颜色,也不能像人能明白这一切是谁所造的奧祕。
  在神所造的万物中,有生物和死物,布满天上,地下甚至地底下和海底里,你若留心观察,不难发现有些常见的图案和图形,其中最普遍的是圆形,卵形,三角形和六角形了。
  以圆形来说,有我们熟悉的水果,种子和虫卵,而体积是从最微小的细胞构造到最大的太空星球。
  卵形形状方面则有星球的轨道和一些常见的水果如木瓜,奇異果,雀鸟蛋和人类的胚胎等,这些都是卵形的。
  三角形卻有叶子,山和石头;而五角形就有海星类动物和不少植物的花朵。
  上述的形状大多数是个別独立体,例如:一粒种子,一个果子,一粒虫卵,但若是组合的东西,不难发现一种普遍使用的形状,那就是六角形了。

一.神奇的六角

  在自然界里,六角形组合是最美丽的一种,因为在形态上,它们是对称的,规则的,而且随时可以增減,也不会影响物件的外形,下列是一些六角形的例子:

1. 龟裂的田

  一块禾田在农夫秋天收割之后,田里的水便逐渐蒸发而消失,泥土出现六角形的龟裂现象。为什么会形成六角形的裂痕呢?这是由於自然的物理现象,当水分消失后,泥土聚集成团,土块紧紧结连,便组成很多六角形的土团了。

2. 玄武巖石柱

  在一些玄武巖石堆里,也可以看见石柱是呈六角形的,这是由於石头被风化,加上自然的侵蚀作用,冷缩热胀,便会裂开形成六角形石柱。

3. 水的组合

  水是由两个氢和一个氧所合成的化合物,但一个分子的水和其他分子的组合情況也会造成一个六角形的图案,所以那美丽千变万化的雪花也是六角形的。

 

4. 苯(Benzene)

  有一种化合物称为苯,它的基本构造是由六个碳原子相连造成一个六角形的骨干,然后从这个骨干,可以变成数之不尽的有机化合物,例如咖啡因,吗啡,奎宁等,无论在化工,农学,医药上都有其特別的功用。

5.其他生物例子

  生物的身体有不少构造也是呈六角形的。例如龟背上那坚硬的壳,是由六角形的角板所组成的。松树上的果子是由鳞片组成的六角形图案。不少珊瑚体是由众多的六角形个体组合而成的。植物內的个別细胞也是六角形的,连眼睛內的视网膜细胞也是六角形的。昆虫的复眼是由数百个六角形的透镜所组成的。小孩子最喜欢玩吹肥皂水泡,在一盆水中吹泡泡的时候,可以看见数十个大小不一样的水泡,也是呈六角形的,它们彼此连接在阳光之下产生出色彩缤纷的水泡。不过在这么多的例子中,最神祕的应该是蜜蜂所制造那不到三厘米的六角形蜂房了,它们堪称为建筑物之冠。


昆虫的复眼是由数百个六角形的透镜所组成的

二.精密的构造

  蜜蜂和人类有很密切的关系,因为人类大量栽种蔗糖和提炼甜菜糖分之前,人类所吃的糖只可来自蜂蜜和水果中的果糖。所以蜜蜂在数千年前已被人大量饲养,以制造蜜糖。另一方面,蜜蜂对於种植的更大贡献是传播花粉。蜜蜂採花蜜和花粉时,牠们穿插在不同的花朵中,借此传播花粉,使雌蕊內的胚珠受精而结果子。在今天,科技几乎可以取代了一切,但蜜蜂的地位仍然无法被任何机器或电脑所取代。虽然现在有不少人工培植的果子,例如无核西瓜葡萄和橙等,可是这些果子卻不能传种的。
  当人们採集蜜糖的时候,一定会注意到蜂巢奇特的构造,因为在自然界里人们常会见到圆形或卵形,但不常见到六角形的构造,所以很多人对蜂巢的构造发生浓厚的兴趣,他们便研究蜜蜂怎会晓得制造这无比奇妙的蜂房,牠们是从哪里学来的呢?

1. 聪明选择

  中世纪的科学家尝试用数学方法去研究蜂巢的构造,为什么在众多的图形中,蜜蜂不挑选四方形,好像我们现在的家俱和用具大多数样是四方形的,这可方便贮藏物件和搬运。三角形的构造也可以互相重疊,但蜜蜂也不选三角形。又为什么蜂巢不是五角形或长方形的呢?根据数学家的研究,若要以有限的材料去制造一个贮藏量最大的盛器,六角形是最佳选择,因为不单只面积最大,容量也最多。假设六角形每一边长L厘米,六个边共长6L厘米。下列我们比较三角形或四方形的形状,它们的边长也是L厘米,它们的表面积分別是:
  a. 六角形是2.59 x L2 CM
  b. 四方形是2.25 x L2 CM
  c. 三角形是1.70 x L2 CM
  容量是面积乘容器的长度,所以计算起来,仍然是六角形的容量最大。若以同样材料去制造一个容量最大的盛器,最理想稳固的形状是六角形了。
  在理论上,圆形是最完全和容量最大的,但圆形卻不能与另一个圆形物体相连,虽然容量最大,但在组合体里卻是最差的。所以六角形另外一个特点是设计完美,因为每一个六角形都可以和其他六个大小相同的六角形相连接,在材料利用上是最经济的,沒有一点浪费。蜜蜂在远早便晓得在众多的形状里拣选了六角形为蜂巢的形状,这难道是牠们参考过什么几何或物理学的文献而知晓的吗?

2. 设计精密

  蜂巢內每一个巢房是由六块大小相同的蜡块所造成的。每一块和另一块之间的角度是120度,工蜂不必用任何量度的尺和量角器便可以准确地造出120度的角位,況且每一边的厚度也是相等的,不会有不规则或厚薄不同的建造,单是这点技巧已叫我们惊讶不已,因为即使我们配备精密的器具也未必可以造出一个像样的蜂巢。
  蜂巢的另一个奧祕也使许多的资深数学家佩服得五体投地。自十六世纪以来,不少数学家,物理学家甚至天文学家都不断努力研究蜜蜂是如何造出美观的蜂巢;他们对蜂巢底部的结构苦思不解。在中世纪有人甚至穷一生的精力也不能打閞这个谜,他们认为蜜蜂一定被造物者赋予了计算高级几何的能力!
  因为蜂巢的底部並非是平的,乃是稍微外突的,而外突的程度是以坚稳和合乎经济为原则,若太突出的话,则不合建筑力学的原则;若太平的话,则不合实用原则,因为贮藏量会因而減少。他们要研究在什么角度才是容量最大和最稳固的。数学家Madraldi利用微积分和高等几何分析,计算出结果最理想的角度∠NVX应该是1/2(109°28'16")。於是他们去观察一个蜂巢,用量角器去量度,发现蜜蜂早已晓得以109°28'16"的角度造巢房的底部。他们大感惊讶,为什么蜜蜂会选用这个角度呢?究竟牠们的智慧是从何而来的?当时欧洲大多数科学家都会相信这些都是神的作为,因为若非有一个超乎人智慧的神赋予蜜蜂建造巢的智慧,牠们断不会造出这个精密的构造。
  蜜蜂建巢的智慧,连十九世纪著名生物学家达尔文也惊叹说:“在众多动物的本能中,蜜蜂的建筑是最奇妙的,蜂巢的建造简直是无懈可击,用料最经济,设计最精美,自然界其他的建筑也无法超越这完美的界限。”
  当然也有人辩论说,这只不过是由於物体內有外来的压力而造成六角的形状,正如肥皂泡沫由於四週围的泡沫彼此相碰而造成六角形。但蜂巢的情況卻不能用这个理由去解释,因为工蜂首先要从腹部的腺体分泌流质的蜡,在它未凝结和硬化之前用口部的各种构造去塑造蜡成为蜡片,然后再与其他蜡片相连,才能造出体积相同的巢房,因此蜂巢並不是由於外来的压力而使它变成六角形的。

3. 经济实用

  蜂巢就是蜜蜂的大本营,其功用正如人类所居住的综合性楼宇。这万用建筑物藏着数千个蜜蜂的生命,因为除了工蜂需要离开蜂巢在外面採花粉,花蜜和水分之外,其余大多数蜜蜂都会留在这庭建筑物里面。巢內有三种巢房,虽然都是六角形的,但大小各有分別,各部分根据不同的用途而设计的;一些巢房是要贮藏花蜜为过冬之用。在一个盛满蜜糖的巢房里,工蜂会吐出一滴蚁酸为防腐剂,然后加上蜡片为盖,预备过冬(人们发明罐头食品是模仿蜜蜂所用的方法)。某一些部分则用作贮藏花粉,为夏天的来临而准备食物,另外一些部分则作为育婴室。工蜂的巢房平均为5.37厘米,雄蜂巢房为6.9厘米;蜂后的巢房最大,但卻是不规则的。
  在昆虫世界里,大多数的昆虫在严冬之前都会作好准备过冬。有些会在夏天产卵,秋天成蛹而过冬(因为成虫不能抵受严冬而死亡,惟有留下幼虫或卵群以待次年生长)。但蜜蜂卻与大多数昆虫不同,在严冬也可以躲在巢內过冬,蜂巢不单可以保护全体蜜蜂,更可储存足夠的食物供应。蚂蚁和蜜蜂一样会收藏食物过冬,但牠们在地下的洞穴气溫变动不会太大,可以耐得住冬天;但蜜蜂的巢房在外面,严冬时卻要忍受外面零度或以下的气溫,究竟牠们是如何取暖的呢?

4. 冬暖夏涼

  科学家发现蜂巢不单外形美观实用,更是建筑物之冠,原来它是冬暖夏涼的。在夏天,巢房里的空气调节靠众工蜂不停挥动双翼,使巢的溫度下降,正如我们用手搖扇取涼一样,溫度可以从33℃下降至26℃,使幼虫不至中暑和热死。工蜂挥动双翼的另外一个作用是可以使水分从那较稀的蜂蜜蒸发,減少蜂蜜的体积,使巢房可以贮藏更多高浓度的蜜糖。
  若天气太干燥的话,巢里的水分蒸发太快,工蜂又会出外找水将水点输送入巢里,使巢房加湿,也可将蜜糖调稀。
  在冬天,蜜蜂不能在外面找到食物,只有靠所贮藏的蜜糖为食物,牠们聚集在巢內,借着身体不停的搖动产生代谢热,即使外面溫度降至零度或以下,牠们也可以保持巢內溫度在24℃至30℃以上,这是最自然的保溫系统。所以不少昆虫学家认为蜜蜂的社会是一个群体的社会,每一只蜂是这群体动物的一部分,牠们彼此合作务求使这个“社会”可以适应任何环境的转变而仍能生存。虽然在冬天有部分工蜂会被敌人(例如鼬鼠,熊)所吃掉,但仍会剩下不少工蜂可以挨过漫长的冬天。
  蜂巢是耐用的建筑物,它可以用上数年,因为蜂群里有专门负责维修的工蜂,不断巡视各种巢房,若有什么地方损坏了,必定合力分泌更多的蜡来修补,打扫干淨,或另建新的巢房。所以巢里不会有破旧,漏水和堵塞的现象,比人所造的房屋更实用。工蜂的寿命只有一个月左右,卻能建筑一个可用数年的蜂巢,而人类虽然有数十年的寿命,卻不能建筑一个恆久耐用的房屋呢!

结论

  蜂巢可以说是自然界建筑的奇蹟,它那美妙和无懈可击的结构足能显出神无比的智慧,故此人是无法穷其究竟的!人即使配备最先进的工具也未能制造一幢如此实用精美和耐久的建筑物。蜂巢既可以抵受水火和地震,更可以防虫防热防湿,況且在建造时不必用任何钉子或量器形成。
  现在人类的一些设计也向蜜蜂学习。在制造飞机翼的內部时,合金之內是六角形的支架。滑雪用的雪橇內里的结构也是六角形的。连不少宏伟的建筑物也採用六角形的外牆,因为它既美观而又实用。由此可见,人的智慧算得什么呢?人仍然要向那微小的昆虫学习建筑原理呢!

(选自作者著:圣经与生物学,第五集。基督教天人社出版)

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