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生物知趣

建築奇蹟話蜂巢

蘇美靈

 

  自然界是一個多姿多采的世界,由無際的太空到漆黑的海底,都充滿了令人目不暇給的景象。自然界的美麗真是數說不盡,筆墨難以形容,這顯出造物主的智慧和安排。造物主也將美感賜給人,讓人欣賞祂的榮耀。詩篇第八篇說:“我觀看你指頭所造的天,並你所陳設的月亮星宿,便說,人算甚麼,你竟顧念他?世人算甚麼,你竟眷顧他!”在眾多的被造物之中,惟有人可以欣賞自然界的一切美景,因為即使其他動物可以看見美麗的顏色,也不能像人能明白這一切是誰所造的奧祕。
  在神所造的萬物中,有生物和死物,布滿天上,地下甚至地底下和海底裏,你若留心觀察,不難發現有些常見的圖案和圖形,其中最普遍的是圓形,卵形,三角形和六角形了。
  以圓形來說,有我們熟悉的水果,種子和蟲卵,而體積是從最微小的細胞構造到最大的太空星球。
  卵形形狀方面則有星球的軌道和一些常見的水果如木瓜,奇異果,雀鳥蛋和人類的胚胎等,這些都是卵形的。
  三角形卻有葉子,山和石頭;而五角形就有海星類動物和不少植物的花朵。
  上述的形狀大多數是個別獨立體,例如:一粒種子,一個果子,一粒蟲卵,但若是組合的東西,不難發現一種普遍使用的形狀,那就是六角形了。

一.神奇的六角

  在自然界裏,六角形組合是最美麗的一種,因為在形態上,它們是對稱的,規則的,而且隨時可以增減,也不會影響物件的外形,下列是一些六角形的例子:

1.龜裂的田

  一塊禾田在農夫秋天收割之後,田裏的水便逐漸蒸發而消失,泥土出現六角形的龜裂現象。為甚麼會形成六角形的裂痕呢?這是由於自然的物理現象,當水分消失後,泥土聚集成團,土塊緊緊結連,便組成很多六角形的土團了。

2.玄武巖石柱

  在一些玄武巖石堆裏,也可以看見石柱是呈六角形的,這是由於石頭被風化,加上自然的侵蝕作用,冷縮熱脹,便會裂開形成六角形石柱。

3.水的組合

  水是由兩個氫和一個氧所合成的化合物,但一個分子的水和其他分子的組合情況也會造成一個六角形的圖案,所以那美麗千變萬化的雪花也是六角形的。

 

4.苯(Benzene)

  有一種化合物稱為苯,它的基本構造是由六個碳原子相連造成一個六角形的骨幹,然後從這個骨幹,可以變成數之不盡的有機化合物,例如咖啡因,嗎啡,奎寧等,無論在化工,農學,醫藥上都有其特別的功用。

5.其他生物例子

  生物的身體有不少構造也是呈六角形的。例如龜背上那堅硬的殼,是由六角形的角板所組成的。松樹上的果子是由鱗片組成的六角形圖案。不少珊瑚體是由眾多的六角形個體組合而成的。植物內的個別細胞也是六角形的,連眼睛內的視網膜細胞也是六角形的。昆蟲的複眼是由數百個六角形的透鏡所組成的。小孩子最喜歡玩吹肥皂水泡,在一盆水中吹泡泡的時候,可以看見數十個大小不一樣的水泡,也是呈六角形的,它們彼此連接在陽光之下產生出色彩繽紛的水泡。不過在這麼多的例子中,最神祕的應該是蜜蜂所製造那不到三厘米的六角形蜂房了,它們堪稱為建築物之冠。


昆蟲的複眼是由數百個六角形的透鏡所組成的

二.精密的構造

  蜜蜂和人類有很密切的關係,因為人類大量栽種蔗糖和提煉甜菜糖分之前,人類所吃的糖只可來自蜂蜜和水果中的果糖。所以蜜蜂在數千年前已被人大量飼養,以製造蜜糖。另一方面,蜜蜂對於種植的更大貢獻是傳播花粉。蜜蜂採花蜜和花粉時,牠們穿插在不同的花朵中,藉此傳播花粉,使雌蕊內的胚珠受精而結果子。在今天,科技幾乎可以取代了一切,但蜜蜂的地位仍然無法被任何機器或電腦所取代。雖然現在有不少人工培植的果子,例如無核西瓜葡萄和橙等,可是這些果子卻不能傳種的。
  當人們採集蜜糖的時候,一定會注意到蜂巢奇特的構造,因為在自然界裏人們常會見到圓形或卵形,但不常見到六角形的構造,所以很多人對蜂巢的構造發生濃厚的興趣,他們便研究蜜蜂怎會曉得製造這無比奇妙的蜂房,牠們是從哪裏學來的呢?

1.聰明選擇

  中世紀的科學家嘗試用數學方法去研究蜂巢的構造,為甚麼在眾多的圖形中,蜜蜂不挑選四方形,好像我們現在的傢俱和用具大多數樣是四方形的,這可方便貯藏物件和搬運。三角形的構造也可以互相重疊,但蜜蜂也不選三角形。又為甚麼蜂巢不是五角形或長方形的呢?根據數學家的研究,若要以有限的材料去製造一個貯藏量最大的盛器,六角形是最佳選擇,因為不單只面積最大,容量也最多。假設六角形每一邊長L厘米,六個邊共長6L厘米。下列我們比較三角形或四方形的形狀,它們的邊長也是L厘米,它們的表面積分別是:
  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
  容量是面積乘容器的長度,所以計算起來,仍然是六角形的容量最大。若以同樣材料去製造一個容量最大的盛器,最理想穩固的形狀是六角形了。
  在理論上,圓形是最完全和容量最大的,但圓形卻不能與另一個圓形物體相連,雖然容量最大,但在組合體裏卻是最差的。所以六角形另外一個特點是設計完美,因為每一個六角形都可以和其他六個大小相同的六角形相連接,在材料利用上是最經濟的,沒有一點浪費。蜜蜂在遠早便曉得在眾多的形狀裏揀選了六角形為蜂巢的形狀,這難道是牠們參考過甚麼幾何或物理學的文獻而知曉的嗎?

2.設計精密

  蜂巢內每一個巢房是由六塊大小相同的蠟塊所造成的。每一塊和另一塊之間的角度是120度,工蜂不必用任何量度的尺和量角器便可以準確地造出120度的角位,況且每一邊的厚度也是相等的,不會有不規則或厚薄不同的建造,單是這點技巧已叫我們驚訝不已,因為即使我們配備精密的器具也未必可以造出一個像樣的蜂巢。
  蜂巢的另一個奧祕也使許多的資深數學家佩服得五體投地。自十六世紀以來,不少數學家,物理學家甚至天文學家都不斷努力研究蜜蜂是如何造出美觀的蜂巢;他們對蜂巢底部的結構苦思不解。在中世紀有人甚至窮一生的精力也不能打閞這個謎,他們認為蜜蜂一定被造物者賦予了計算高級幾何的能力!
  因為蜂巢的底部並非是平的,乃是稍微外突的,而外突的程度是以堅穩和合乎經濟為原則,若太突出的話,則不合建築力學的原則;若太平的話,則不合實用原則,因為貯藏量會因而減少。他們要研究在甚麼角度才是容量最大和最穩固的。數學家Madraldi利用微積分和高等幾何分析,計算出結果最理想的角度∠NVX應該是1/2(109°28'16")。於是他們去觀察一個蜂巢,用量角器去量度,發現蜜蜂早已曉得以109°28'16"的角度造巢房的底部。他們大感驚訝,為甚麼蜜蜂會選用這個角度呢?究竟牠們的智慧是從何而來的?當時歐洲大多數科學家都會相信這些都是神的作為,因為若非有一個超乎人智慧的神賦予蜜蜂建造巢的智慧,牠們斷不會造出這個精密的構造。
  蜜蜂建巢的智慧,連十九世紀著名生物學家達爾文也驚嘆說:“在眾多動物的本能中,蜜蜂的建築是最奇妙的,蜂巢的建造簡直是無懈可擊,用料最經濟,設計最精美,自然界其他的建築也無法超越這完美的界限。”
  當然也有人辯論說,這只不過是由於物體內有外來的壓力而造成六角的形狀,正如肥皂泡沫由於四週圍的泡沫彼此相碰而造成六角形。但蜂巢的情況卻不能用這個理由去解釋,因為工蜂首先要從腹部的腺體分泌流質的蠟,在它未凝結和硬化之前用口部的各種構造去塑造蠟成為蠟片,然後再與其他蠟片相連,才能造出體積相同的巢房,因此蜂巢並不是由於外來的壓力而使它變成六角形的。

3.經濟實用

  蜂巢就是蜜蜂的大本營,其功用正如人類所居住的綜合性樓宇。這萬用建築物藏着數千個蜜蜂的生命,因為除了工蜂需要離開蜂巢在外面採花粉,花蜜和水分之外,其餘大多數蜜蜂都會留在這庭建築物裏面。巢內有三種巢房,雖然都是六角形的,但大小各有分別,各部分根據不同的用途而設計的;一些巢房是要貯藏花蜜為過冬之用。在一個盛滿蜜糖的巢房裏,工蜂會吐出一滴蟻酸為防腐劑,然後加上蠟片為蓋,預備過冬(人們發明罐頭食品是模仿蜜蜂所用的方法)。某一些部分則用作貯藏花粉,為夏天的來臨而準備食物,另外一些部分則作為育嬰室。工蜂的巢房平均為5.37厘米,雄蜂巢房為6.9厘米;蜂后的巢房最大,但卻是不規則的。
  在昆蟲世界裏,大多數的昆蟲在嚴冬之前都會作好準備過冬。有些會在夏天產卵,秋天成蛹而過冬(因為成蟲不能抵受嚴冬而死亡,惟有留下幼蟲或卵群以待次年生長)。但蜜蜂卻與大多數昆蟲不同,在嚴冬也可以躲在巢內過冬,蜂巢不單可以保護全體蜜蜂,更可儲存足夠的食物供應。螞蟻和蜜蜂一樣會收藏食物過冬,但牠們在地下的洞穴氣溫變動不會太大,可以耐得住冬天;但蜜蜂的巢房在外面,嚴冬時卻要忍受外面零度或以下的氣溫,究竟牠們是如何取暖的呢?

4.冬暖夏涼

  科學家發現蜂巢不單外形美觀實用,更是建築物之冠,原來它是冬暖夏涼的。在夏天,巢房裏的空氣調節靠眾工蜂不停揮動雙翼,使巢的溫度下降,正如我們用手搖扇取涼一樣,溫度可以從33℃下降至26 ℃,使幼蟲不至中暑和熱死。工蜂揮動雙翼的另外一個作用是可以使水分從那較稀的蜂蜜蒸發,減少蜂蜜的體積,使巢房可以貯藏更多高濃度的蜜糖。
  若天氣太乾燥的話,巢裏的水分蒸發太快,工蜂又會出外找水將水點輸送入巢裏,使巢房加濕,也可將蜜糖調稀。
  在冬天,蜜蜂不能在外面找到食物,只有靠所貯藏的蜜糖為食物,牠們聚集在巢內,藉着身體不停的搖動產生代謝熱,即使外面溫度降至零度或以下,牠們也可以保持巢內溫度在24 ℃至30 ℃以上,這是最自然的保溫系統。所以不少昆蟲學家認為蜜蜂的社會是一個群體的社會,每一隻蜂是這群體動物的一部分,牠們彼此合作務求使這個“社會”可以適應任何環境的轉變而仍能生存。雖然在冬天有部分工蜂會被敵人(例如鼬鼠,熊)所吃掉,但仍會剩下不少工蜂可以挨過漫長的冬天。
  蜂巢是耐用的建築物,它可以用上數年,因為蜂群裏有專門負責維修的工蜂,不斷巡視各種巢房,若有甚麼地方損壞了,必定合力分泌更多的蠟來修補,打掃乾淨,或另建新的巢房。所以巢裏不會有破舊,漏水和堵塞的現象,比人所造的房屋更實用。工蜂的壽命只有一個月左右,卻能建築一個可用數年的蜂巢,而人類雖然有數十年的壽命,卻不能建築一個恆久耐用的房屋呢!

結論

  蜂巢可以說是自然界建築的奇蹟,它那美妙和無懈可擊的結構足能顯出神無比的智慧,故此人是無法窮其究竟的!人即使配備最先進的工具也未能製造一幢如此實用精美和耐久的建築物。蜂巢既可以抵受水火和地震,更可以防蟲防熱防濕,況且在建造時不必用任何釘子或量器形成。
  現在人類的一些設計也向蜜蜂學習。在製造飛機翼的內部時,合金之內是六角形的支架。滑雪用的雪橇內裏的結構也是六角形的。連不少宏偉的建築物也採用六角形的外牆,因為它既美觀而又實用。由此可見,人的智慧算得甚麼呢?人仍然要向那微小的昆蟲學習建築原理呢!

(選自作者著:聖經與生物學,第五集。基督教天人社出版)

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