甜蜜的科学

新手养蜂人内森·基拉不仅仅是为了蜂蜜。蜜蜂的复杂社会结构完全由化学控制，它们是自然界的科学家，为了了解它们，偶尔被蜇一下是非常值得的。

有一只蜜蜂在离我眼睛大约10厘米的地方嗡嗡叫，来来回回，分散了我寻找她母亲的注意力。她想让我离开，不惜牺牲自己的生命来吓跑我。她的毒刺可以对我进行生化攻击，让我几天都感到疼痛和不适(幸运的是，不是每个人的反应都像我一样强烈)，还会召集她的姐妹们来刺我，以保护她们的蜂巢。

吸引工蜂攻击的费洛蒙信号是控制蜂群成功的化学产物和转化网络的一部分。我开始养蜂是为了采蜜，因为我对某种程度上自给自足很感兴趣，但在此过程中，我对蜜蜂的社会结构以及它们是多么神奇的化学家感到着迷。

大多数养蜂人利用的蜜蜂是西方(或欧洲)蜜蜂，的蜜蜂，现在已经遍布全球。高度社会化的蜜蜂已经进化到储存大量食物来帮助蜂群过冬。最常见的管理养蜂的方法是鼓励他们用尽可能多的蜂蜜填满“超级”盒子。蜜蜂的本能指示它们尽可能地储存可用的资源。

蜂蜜知识和(热力学)秩序

蜂蜜是神话和传说中的东西，这并不奇怪。我们现代人的味蕾充满了甜美的味道，但对于最早勇敢的蜜蜂强盗来说，蜂蜜一定是一种令人陶醉的珍贵物质。

最简单的说，蜂蜜是浓缩的花蜜——含糖的水——但在从花朵到一片黄油吐司的过程中，发生了许多化学变化。

花蜜是少量蔗糖(你在厨房橱柜里就能找到的那种糖)的溶液，还有其他一些糖、矿物质和其他独特的化学物质。蜜蜂饮用花蜜后，唾液中的转化酶立即开始将蔗糖(一种双糖)分解成葡萄糖和果糖(都是单糖)。因此，蜜蜂并没有完全消化蔗糖，而是将花蜜转化为一种更适合储存在蜂巢中的形式。

觅食的蜜蜂飞回蜂巢，把收获的食物反刍给等待的年轻工蜂，这只工蜂还没有达到觅食的水平。采蜜蜂离开蜂巢去采集更多的花蜜，而蜂巢蜂则继续来回反刍(吃下一个烤面饼时最好不要考虑这个问题)，进一步转化蔗糖，同时将花蜜的含水量从80%左右降低到20%以下。

一旦适当浓缩，糖浆就不再是花蜜，而是蜂蜜。蜂蜜的水分含量是至关重要的:没有水分，蜂蜜就会与天然酵母或细菌一起发酵。

另一种酶——葡萄糖氧化酶——和过氧化氢——一种防腐剂，可以加速葡萄糖和氧气的反应，生成葡萄糖衍生物，从而增强蜂蜜的保存效果。葡萄糖氧化酶在储存的蜂蜜中保持活性，产生更多的过氧化氢。蜂蜜也呈弱酸性，pH值约为4。

这些特性使蜂蜜成为一种具有多种应用的抗生素，包括用于繁殖植物插枝和作为伤口敷料。但它不是无菌产品——它可能含有像肉毒杆菌孢子这样的有害物质——所以医用级蜂蜜是通过辐照消毒的。

蜂巢中储存的蜂蜜通常含有18%的水，40%的果糖，28%的葡萄糖和9%的其他糖，其余由矿物质、蛋白质、酸、微量维生素和酚类化合物组成。这种混合物中糖的浓度非常高，形成了“过饱和”溶液。在蜂箱中，这种混合物通常保持液态，因为蜜蜂努力将温度保持在30°C左右。它们代谢花蜜和蜂蜜时产生热量，并振动腹部和翅膀肌肉。但是一旦蜂蜜的温度下降，溶液中的葡萄糖就会开始结晶。这是一个不可避免的过程:热力学表明，过饱和溶液中的葡萄糖在室温下会形成晶体。这些晶体是由“种子”，一小块蜡或花粉粒生长而成的。

蜂蜜的开花植物的起源物种也可以在结晶的速度上发挥作用，因为葡萄糖与果糖的比例更高的花蜜更容易结晶。一个很好的例子就是美味的仙人球蜂蜜(Bursaria spinosa)，在蜂房内开始结晶。其他蜂蜜是通过添加细小的葡萄糖晶体作为种子而有意结晶(奶油状)的，给人一种可爱的入口光滑的感觉。高度加工的蜂蜜经过过滤，减少了种子颗粒的数量，使蜂蜜保持液体的时间更长。

饲料植物种类对蜂蜜的味道和其他特征有很大的不同。目前最受欢迎的蜂蜜是麦卢卡，由甘露制成Leptospermum scoparium，但许多其他蜂蜜因其独特的风味成分而受欢迎。例如，柑橘蜂蜜因含有邻氨基苯甲酸甲酯而闻名(葡萄味软饮料和糖果中的风味化合物);三叶草和油菜籽蜂蜜含有酸味的甲醛和乙醛;桉树蜂蜜富含一系列二酮类物质，被描述为具有草药或药用风味。

蜜蜂和存在

花蜜是蜂巢饮食中的碳水化合物，花粉是蛋白质和脂肪。蜜蜂在采花时收集花粉(沿途为作物授粉)，然后用唾液和花蜜将花粉装入蜂房，再用蜂蜜覆盖。这种混合物在酵母和细菌的作用下发酵形成“蜜蜂面包”。这种发酵增加了花粉中氨基酸和营养物质的可用性，并以一种可以储存在蜂巢中的形式。照料卵和幼体的蜜蜂能够采集花粉和花蜜，并将其转化为一种叫做蜂王浆的特殊产品。这种粘稠的、白色的、富含蛋白质和糖的物质从工蜂头上的下咽腺排出。所有发育中的幼虫在孵化后的前三天都只吃蜂王浆，但注定要成为蚁后的幼虫余生都要继续吃蜂王浆。

采集花粉的效益在很大程度上取决于其花源。并不是所有的花粉都能提供完整的饮食，蜜蜂采集单一品种的花粉可能得不到足够的营养。蜜蜂觅食植物的多样性反映在储存的花粉上:花的种类越多，颜色就越多。顺便说一句，几乎没有证据支持食用含有当地花粉的蜂蜜可以降低花粉热症状的许多故事。这在一定程度上是因为引起花粉热的花粉类型通常来自风媒传粉的草和树，而不是蜜蜂喜欢的花。

如果没有蜜蜂建造它们的蜂房，蜂蜜和蜜蜂面包的大量储存是不可能的。许多化学结构都含有六边形环，这与在蜜蜂梳子中发现的六边形模式完全相同。蜜蜂从腹部分泌出白色蜡，这是一种有机分子的混合物，包括碳氢化合物、酯类和脂肪酸。分子的共同结构是长而曲折的碳原子链，这些碳原子链可以相互作用，但不耐水。蜜蜂将蜂蜡塑形，随着时间的推移，蜂蜡会变硬，形成一个坚固的家，它们在这里养育后代，储存蜂蜜或花粉。

六角形图案很牢固，是一种非常有效的方法，可以将细胞放入蜂箱中。蜂巢为蜜蜂提供了育婴室、卧室和储藏室，它的表面被用来摇摆舞，以传达关于丰富花蜜的方向和距离的信息。

不太明显的交流途径是对蜂巢功能至关重要的化学信号。蜜蜂信息素通常是一种小而易挥发的化学物质，通过空气传播到其他蜜蜂身上。例如，当蜜蜂叮咬养蜂人时，警报信息素会以酯类和醇类的复杂混合物的形式从蜂刺附近的腺体释放出来。这会刺激其他蜜蜂冲到它们妹妹死亡的地方，也开始叮咬。一种很容易识别的分子是乙酸异戊酯，它也是成熟香蕉气味的来源。向蜂箱(或蜇点)喷烟可以掩盖警报信息素，同时也可以诱骗蜜蜂进食储存的蜂蜜，为逃离蜂箱做准备。

她的化学威严

蜂房庞大的组织是由蜂王的费洛蒙控制的。主要的化学控制者，9-氧氧-2-癸烯酸，是由她下颌骨的一个腺体产生的。它的水平在蚁后的生命周期中不断变化。当蜂王飞出去交配时，它就像雄蜂的一种强有力的性信息素，并使年轻的工蜂跟随蜂王，为蜂王梳洗、喂食，并将她的信息素传递给蜂巢中的其他工蜂。

蜂房中蜂王信息素的高浓度保证了工蜂能够继续致力于照顾蜂王并进行蜂群的工作。但是随着她年龄的增长，费洛蒙的强度会下降，不那么忠诚的工蜂会养育一个新的蚁后。养蜂人经常想引进新的蜂王，要么是为了取代老化的君主，要么是为了改善蜂箱的某些方面，比如降低蜜蜂的攻击性，要么是为了选择卫生行为——一种清洁特征，工蜂可以发现死亡的蜜蜂并将它们从蜂箱中移除，这可以降低真菌、细菌或寄生虫的感染。

引进新女王是件棘手的事。她独特的信息素会在蜂巢中引发攻击，工蜂会试图杀死她。向新女王的转变通常要在几天内完成，使用一个特殊的笼子，用婚礼蛋糕上的糖霜状翻糖塞密封。工蜂慢慢地吃掉塞子，释放出新的蜂王，给它们足够的时间来适应她的信息素特征。

工蜂在靠近腹部顶端的同名腺体中产生它们自己的信息素混合物，称为纳索诺夫信息素。这是一种多用途的气味，能够引导觅食工蜂找到气味微弱的花蜜源，为学习飞行的蜜蜂识别蜂巢入口，并引导蜂群前往新家。它与柠檬草有许多共同的化学成分，包括柠檬醛(柑橘味)和香叶醇(花香味)。养蜂人试图用柠檬草油或其他人工蜂群诱饵来引诱蜂群进入他们的空蜂巢，用化学方法让它们相信自己的盒子是最佳的新家。

我的鼻子不像蜜蜂的触角那么敏感，但我总是喜欢通过闻它来开始我的蜂巢检查(在释放烟雾之前!)，试图了解一些蜜蜂的活动。在养蜂人的教育方面，我还有很长的路要走，但我很感激有这样优秀而富有成效的小化学家做老师——尽管偶尔会有尾巴上的刺。

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本文首次发表于宇宙88期2020年春季．