蝗蟲的呼吸器官是什么(蝗蟲呼吸器官在哪里)
來源:好上學(xué) ??時(shí)間:2022-08-30
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