熊蜂是全球重要的传粉昆虫,它为人类最为关切的生物多样性安全及经济作物安全提供了重要保障。基于了解、保护、开发熊蜂的目的,已开展了大量研究,成为了当今热门的研究对象。现有熊蜂认知相关的研究表明,熊蜂具备较高的认知能力,例如社会学习,概念学习等。但是多数研究是基于熊蜂自然的觅食习性所设计的。为进一步试探熊蜂的智力极限,极少数研究者设计了非自然的觅食任务,发现了它们能够表现出物体操作行为解决诸如拉绳、推球和推盖子之类的高难度问题,但前提是熊蜂必须通过逐步的训练或观察学习。迄今,人类不清楚熊蜂能否自主解决非自然的难题。本研究选用经典的拉绳觅食问题作为熊蜂的挑战任务,并优化了熊蜂拉绳觅食问题装置,探究1)第一次遭遇挑战时熊蜂能否独立、自发地解决非自然的觅食任务及其机制;2)多次遭遇挑战后,熊蜂是如何成功解决的,能否产生操作记忆,能否运用已有经验来解决难度更高的拉绳觅食问题。首先,利用我们优化的直绳式拉绳觅食问题装置,我们检测了熊蜂在第一次遭遇拉绳问题时能否独立,自发的解决。在随机挑选的82只熊蜂中,有64只熊蜂在10分钟内成功拉绳,成功率为78±3.12%。该结果证实低等无脊椎动物熊蜂具有自发解决拉绳觅食问题的能力。同时,通过对熊蜂拉绳行为及其轨迹的解析,我们发现熊蜂对透明台边缘,绳子伸出的区域表现出显著的探索偏好,该区域位于透明台边缘至目标的最短距离路线上,且停留此处时大部分时间用于“挤缝”行为,这似乎暗示拉绳成功与这些因素有关。为探究其成功机制,本研究通过改变标准直绳式任务的某一条件来进一步循证。当透明台下仅有蓝色假花时,熊蜂在离假花最近的透明台边缘处重现先前的探索偏好和高频的“挤缝”行为,说明假花(奖赏)是熊蜂的觅食目标,目标驱动了熊蜂主动规划觅食路线,并选择在最近的觅食路线上进行“挤缝”行为。但是,当透明台下仅有绳子时,熊蜂未表现出对透明台周围任何区域的探索偏好和绳子的探索行为,且在实验装置周围的停留时间显著更短,说明绳子不能诱发上述行为,熊蜂对绳子无兴趣;当将直绳式任务调整为曲绳式任务时,即绳子位置与熊蜂规划的最短路线不重合,目标仍然驱动了熊蜂主动规划觅食路线,并选择在最近的觅食路线上进行“挤缝”行为,但是拉绳成功率为零,说明熊蜂规划的最短路线与绳子的摆放位置刚好重合是成功的必要条件,显示熊蜂的成功有幸运的因素。另一方面,进行操作是解决这种高难度的操作性问题的关键步骤。为了明晰熊蜂在自发解决拉绳问题过程中是如何操作绳子,我们对各项测试中熊蜂在最短路线上的行为进行分析,发现熊蜂在最短路线上停留时,“挤缝”行为的表现时间最长。进一步的测试发现,在直绳式拉绳任务中,当最短距离路线上的透明台边缘的缝隙被封闭,熊蜂不能发生“挤缝”操作时,拉绳成功率为零,表明“挤缝”行为是解决问题的必要条件。进一步的视频分析表明,向前“挤缝”的反复尝试带动了熊蜂足反复移动,向后用力,这使得熊蜂有机会踩踏绳子,将绳子推出桌外。综上,熊蜂神奇的自发解决拉绳觅食问题的机制依赖于1)目标驱动的空间最短距离路线的规划;2)目标驱动的持续的“挤缝”操作尝试导致向后使力的足有机会踩踏和推出绳子;3)熊蜂规划的最短路线与绳子位置的恰巧重合。接着,我们检测了在多次遭遇挑战后熊蜂又是如何成功地解决拉绳问题。首先,我们对熊蜂连续进行了10次拉绳训练,结果显示,有经验后熊蜂解决问题花费的时间明显缩短。随后,我们对具备10次成功经验的熊蜂进行了黑台测试。即绳子被随机放置于黑台下,熊蜂不能判断黑台下是否存在目标,多数熊蜂依然拉绳子(76.36±2.96%),说明绳子已被条件化为奖励的预测性信号(Predictive cue),不同于熊蜂初次面对绳子时毫不关注,并且,该操作记忆在24小时后仍然保持,可被消退;消退后熊蜂不再拉绳,反映了拉绳行为(response)依赖于糖水的奖励效应(outcome)。同时,我们发现当透明台下目标消失(绳子可见)时,尽管此阶段绳子已成为预测性信号,但熊蜂仍然不再拉绳,这说明熊蜂已经将拉绳(response)与目标关联。这些结果充分地表明熊蜂在脑内建立了绳子(stimulus)、操作(response/action)与奖励(outcome)三者之间的关联(association),首次系统证明了低等无脊椎动物熊蜂解决拉绳问题依赖于操作式条件反射机制,与反馈和连接性相关机制无关。最后,我们进行了高难度的“侧弯绳”问题测试。侧弯绳任务中绳子不在最短路线上,熊蜂若在测试中一直使用“最短路径规划”策略会导致测试失败。然而,结果显示,具有25次丰富成功经验的熊蜂明显表现出偏好绳子,83.3±16.6%的个体能解决这种高难度的“侧弯绳”问题。如此高的成功率表明通过积累经验,熊蜂可不依赖先前的路径规划策略,并转换为利用操作式条件反射策略解决问题。值得注意的是,熊蜂操作绳子的技能发生了明显变化,即随着经验的积累,拉绳行为由“足向后/外推绳”转换为“上颚咬/拉绳”,这一转换表征了熊蜂能自发地进行技巧更新。另外,这些具有丰富成功经验的熊蜂75.9±5.9%通过了黑暗环境的测试任务(视觉被剥夺,糖水被置换为去离子水),表明多模态、整体感知绳子后熊蜂能利用绳子的单一触觉模态特征,识别出绳子并提取拉绳操作记忆,类似于人类相应的行为。这些结果显示了熊蜂拥有良好的行为和认知灵活性。然而,它们无法通过“交叉绳测试”,表明熊蜂不具备工具理解能力。总而言之,本论文第一次阐释了低等无脊椎动物熊蜂在首次遭遇和多次遭遇非自然拉绳觅食难题时,所表现出的解决问题的认知策略和行为可塑性,在科学上突破了人们对其原有的认识,也为利用和开发熊蜂提供了科学基础。