蝗蟲的呼吸器官是什么(蝗蟲呼吸器官在哪里)

作者：一軍

幾乎每個(gè)人都有兒時(shí)與昆蟲為伴的美好經(jīng)歷，從小我們就已經(jīng)知道昆蟲都是些有心沒肺的家伙。從圖1所示的螞蟻解剖圖可以看到，狹小的螞蟻胸部里面確實(shí)是沒有肺的，它的主要器官都聚集在碩大的頭部和豐滿的腹部。盡管它的循環(huán)系統(tǒng)并不象人那樣，分為靜脈與動(dòng)脈，而是一個(gè)單一的開放性的循環(huán)過程，但是用來推動(dòng)它的全身的綠色淋巴血進(jìn)行循環(huán)的器官還是存在的，只是它的心臟不象人的心臟那樣具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而是在它的背部，有一根依附于大動(dòng)脈的膨大管道，通過有節(jié)律的搏動(dòng)來行使推動(dòng)淋巴血循環(huán)的功能。下面的圖2即昆蟲循環(huán)系統(tǒng)的一般模式圖。

（圖1）螞蟻解剖圖

（圖2）昆蟲循環(huán)系統(tǒng)一般模式圖

既然昆蟲沒有肺，那么昆蟲是怎樣呼吸的呢？它全身的細(xì)胞隨時(shí)都需要氧氣啊。昆蟲的解決辦法非常直接了當(dāng)，就是在它的全身很多部位的表皮，都開了很多可以開閉的呼吸孔，例如圖3所示的蝗蟲，在體側(cè)就有一排銀色的小呼吸孔，從這些呼吸孔進(jìn)去，是一個(gè)分布全身的氣管系統(tǒng)，如圖4所示的蝗蟲的白色氣管系統(tǒng)，這個(gè)氣管系統(tǒng)越來越細(xì)，在末端能夠達(dá)到直徑大概1微米的程度，使得全身的各個(gè)部位的細(xì)胞附近不遠(yuǎn)的地方，包括肢翼，都能夠找到細(xì)小的氣管，這樣空氣從呼吸孔進(jìn)去之后，就能夠通過短程的擴(kuò)散，而直接進(jìn)入全身各個(gè)部位的細(xì)胞，進(jìn)行氧氣與二氧化碳的交換。

（圖3）蝗蟲體表的呼吸孔

（圖4）蝗蟲的呼吸孔以及體內(nèi)的氣管系統(tǒng)

生物學(xué)家主要是通過解剖發(fā)現(xiàn)這個(gè)簡(jiǎn)潔的呼吸氣管系統(tǒng)的，因此對(duì)于這個(gè)呼吸系統(tǒng)的呼吸機(jī)制，只能根據(jù)其形態(tài)進(jìn)行猜測(cè)。一般的觀點(diǎn)是這個(gè)系統(tǒng)非常的原始，外部的新鮮空氣一般只能靠自身的擴(kuò)散和通風(fēng)進(jìn)入昆蟲體內(nèi)，并且估計(jì)當(dāng)昆蟲身體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，以及它的心臟帶動(dòng)的淋巴血進(jìn)行循環(huán)時(shí)，都能夠附帶導(dǎo)致其身體內(nèi)部壓力的變化，而這個(gè)變化也可能有益于氣管系統(tǒng)內(nèi)的空氣和外部新鮮空氣進(jìn)行交換。顯然這樣一種非常被動(dòng)的呼吸系統(tǒng)，與能夠主動(dòng)伸縮而產(chǎn)生負(fù)壓的陸生脊椎動(dòng)物的肺相比，在空氣交換的效率方面要低很多，這就導(dǎo)致其體內(nèi)的氣管系統(tǒng)的規(guī)模不可能太大，因?yàn)槿绻?xì)密的氣管延伸得過長(zhǎng)，僅靠空氣的自身擴(kuò)散，以及身體內(nèi)部壓力變化的驅(qū)動(dòng)，是難以及時(shí)更換氣管深端的空氣的，所以這也構(gòu)成昆蟲無法獲得比較大的體型的一個(gè)制約因素。

因此和昆蟲的能夠主動(dòng)搏動(dòng)的心臟相比，我們只能說昆蟲是有心而沒肺的了。

不過現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的。因?yàn)槲覀儗?duì)于昆蟲氣管系統(tǒng)的研究，一直僅限于解剖的方法，而最近一組科學(xué)家運(yùn)用同步輻射X射線成像技術(shù)，對(duì)活體的昆蟲進(jìn)行實(shí)時(shí)的透視攝影，赫然發(fā)現(xiàn)昆蟲的氣管系統(tǒng)其實(shí)是能夠進(jìn)行快速而激烈的主動(dòng)收縮的，而且其收縮導(dǎo)致的空氣交換效率并不比我們的肺差！同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在氣管系統(tǒng)進(jìn)行收縮換氣時(shí)，以前一直認(rèn)為是構(gòu)成昆蟲呼吸動(dòng)力的身體運(yùn)動(dòng)和循環(huán)系統(tǒng)的附帶作用，根本不參與呼吸過程。

獲得這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是使用了從15-25keV的同步加速器（圖5）引出的同步X射線源，來進(jìn)行高清晰度的活體實(shí)時(shí)拍攝。在X射線照射下，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)無論是甲蟲，螞蟻，蝴蝶，蒼蠅，臭蟲，蟋蟀，蟑螂，還是蜻蜓，它們遍布全身的細(xì)微氣管都清晰可見。當(dāng)昆蟲的氣管系統(tǒng)處于松弛狀態(tài)時(shí)，是膨大著的；而當(dāng)氣管收縮時(shí)，則在300毫秒到500毫秒的時(shí)間內(nèi)，從頭部到胸部的整個(gè)氣管系統(tǒng)的直徑都逐步縮小，然后在相同的時(shí)間內(nèi)再回復(fù)原狀。從氣管的橫截面來看，收縮使得氣管變?yōu)闄E圓形（圖6）。

（圖5）法國東南部格勒諾布爾的一座同步加速器

（圖6）X射線所拍攝的昆蟲氣管收縮過程

對(duì)于甲蟲來說，這種收縮的頻率為每秒0.4到0.7次；甲蟲，螞蟻和蟋蟀的收縮時(shí)間為0.7到1.6秒，然后間以一段靜息的時(shí)間。收縮所導(dǎo)致的身體主氣管的容積的變化在這三種昆蟲都將近50%，只有蟋蟀的容積變化略小，為36%。由于氣管收縮是整個(gè)系統(tǒng)的收縮，因此可以認(rèn)為更加細(xì)微的氣管應(yīng)該也是以這個(gè)比例進(jìn)行收縮的。

這么有效的空氣交換機(jī)制是人們從未預(yù)料到的，因?yàn)槲覀兛梢愿祟愐约傍B類的肺比較一下，從安靜狀態(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，肺在呼吸時(shí)所發(fā)生的容積變化范圍也只有10%到75%。而考慮到當(dāng)昆蟲進(jìn)行激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際的氣管容積變化率應(yīng)該比上面的數(shù)據(jù)還高。再加上昆蟲呼吸孔開口處可以自如地開合，那么當(dāng)氣管收縮時(shí)再關(guān)閉呼吸孔的話，將提高氣管內(nèi)部壓力，從而有效地促進(jìn)氧氣分子擴(kuò)散進(jìn)入身體細(xì)胞，顯然這就進(jìn)一步提高了整個(gè)呼吸系統(tǒng)的氣體交換效率。

進(jìn)一步的分析似乎表明，昆蟲氣管系統(tǒng)的這種高效收縮運(yùn)動(dòng)是由鄂部以及肢翼部肌肉驅(qū)動(dòng)的，而回復(fù)原狀則是依靠氣管壁自身的彈性。而仔細(xì)的觀察也排除了那些曾經(jīng)認(rèn)為能夠驅(qū)動(dòng)呼吸的因素，例如腹部的抽動(dòng)，自動(dòng)的通風(fēng)，以及循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)。這個(gè)結(jié)果從進(jìn)化的角度來看，其實(shí)也并不令人意外，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)肌肉直接參與呼吸確實(shí)是進(jìn)化的趨勢(shì)。

確實(shí)，只有運(yùn)動(dòng)肌肉才能使得呼吸系統(tǒng)獲得主動(dòng)呼吸的能力，而這種能力對(duì)于陸生動(dòng)物來說，是至關(guān)重要的，因?yàn)闊o論是頭部還是軀體部位，各個(gè)器官系統(tǒng)的復(fù)雜性以及陸地活動(dòng)的劇烈性，都要求動(dòng)物自身能夠具有強(qiáng)大的氧氣保障供應(yīng)能力，按照此前對(duì)昆蟲所設(shè)想的那種被動(dòng)呼吸機(jī)制，確實(shí)是有點(diǎn)勉為其難的。

幸好，昆蟲并沒有我們想像的那樣弱，它們有心也有“肺”，它們對(duì)于地球環(huán)境的適應(yīng)能力甚至讓我們?nèi)祟愖試@弗如。因此它們能夠成為地球上最昌盛的動(dòng)物物種，也能夠自如地做出下面圖7那樣優(yōu)美的潛水動(dòng)作。

（圖7）依靠肢端呼吸孔進(jìn)行潛水