从眼部解剖到导航：蜜蜂偏振视觉的生物学精确模型

天光偏振图样为许多昆虫提供了关键的导航线索。蜜蜂通过复眼背缘区中的特化小眼感知这些图样，从而能够估计太阳方向，并在食源与蜂巢之间导航。尽管基于偏振的导航在行为学层面已得到广泛研究，但将背缘区解剖结构与导航性能联系起来的计算模型仍然缺乏。在此，我们利用真实天空偏振图像模拟蜜蜂（Apis mellifera）和熊蜂（Bombus terrestris）的偏振视觉，以捕捉具有生物学相关性的天光特性。我们的生物学基础模拟纳入了物种特异性的背缘区解剖特征，包括小眼光轴方向、光感受器感受野以及微绒毛取向。我们在两种不同且可能互补的导航模型下，评估了不同太阳高度角条件下导航的准确性与一致性：匹配滤波模型需要通过扫描身体朝向来识别太阳轴；而向量和模型则可由单一身体朝向瞬时生成太阳方位角估计，因此不依赖主动扫描。在大多数太阳高度角条件下以及在两种物种中，匹配滤波模型对太阳轴估计的误差均低于5°。向量和模型中的绝对误差在蜜蜂中低于熊蜂（中位数分别约为10°和30°），这反映了背缘区解剖结构的差异，尤其是视向和微绒毛排列方面的差别。两种模型在两种物种的大多数太阳高度角条件下都能够实现稳定的航向控制；然而，匹配滤波模型由于仅限于太阳轴对齐，因此只能实现正趋光性或负趋光性。总体而言，本研究基于真实的背缘区解剖结构，提供了一个用于研究基于偏振的导航的机制性与比较性框架，并为自然天空条件下的昆虫导航提出了可检验的预测。

天光偏振图样为许多昆虫提供了一种关键的导航线索。蜜蜂通过其复眼背缘区中的特化小眼感知这些图样，从而能够估计太阳方向并在食源与蜂巢之间导航。尽管基于偏振的导航在行为学层面已得到广泛研究，但将背缘区解剖结构与导航表现联系起来的计算模型仍然缺乏。本文利用真实天空偏振图像，对蜜蜂（Apis mellifera）和大黄蜂（Bombus terrestris）的偏振视觉进行模拟，以捕捉具有生物学相关性的天光特性。我们基于生物学事实构建的模拟纳入了物种特异性的背缘区解剖特征，包括小眼光轴方向、感光细胞感受野以及微绒毛取向。我们在两种不同且可能互补的导航模型下，评估了不同太阳高度角条件下的导航精度与一致性：匹配滤波模型和向量求和模型。前者需要通过扫描身体朝向来识别太阳轴，后者则可仅依据单一身体朝向即时生成太阳方位角估计，因此不依赖主动扫描。在大多数太阳高度角条件下以及在两种物种中，匹配滤波模型对太阳轴估计的误差均低于5°。向量求和模型的绝对误差在蜜蜂中低于大黄蜂（中位数分别约为10°和30°），这反映了背缘区解剖结构上的差异，尤其是视向和微绒毛排列的不同。两种模型在两种物种中的大多数太阳高度角条件下都能够实现稳定的航向控制；然而，匹配滤波模型由于仅限于太阳轴对齐，因此只能实现正趋光或负趋光。总体而言，这项工作基于真实的背缘区解剖结构，为研究基于偏振的导航提供了一个机制性和比较性的框架，并针对自然天空条件下的昆虫导航提出了可检验的预测。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.01.729196v1?rss=1

🏷️ 蜜蜂导航 偏振视觉 复眼背缘区 生物学建模 昆虫行为