昆蟲是用什麼器官呼吸?等等,竟然是「全身」?

對某些人來說,昆蟲可能他們避之唯恐不及的可怕小生物,但這些小小昆蟲的身軀中,有著出乎意料精巧的呼吸系統喔!

假如跑去街訪問問題:「動物是怎麼呼吸的呢?」會收到什麼答案呢?

有些比較直觀的小朋友可能會直接了當的回答:「用鼻子和嘴巴!」。

有些很厲害的的人可能會回答:「透過氣體交換,肺和心臟能夠透過循環系統……」完美描述了整套呼吸循環系統

對動物更了解的人可能會回答:「人是用肺、魚是用鰓,兩生類則是小時候用鰓,長大用肺……」一類一類動物分開討論,不同種類的動物呼吸方式是不一樣的。

不過多數人常常都漏掉了一種類群:昆蟲。

嘿,屬於動物界的昆蟲當然算是動物囉!而且昆蟲綱 (Insecta) 還是動物界中物種數量最多的一個綱呢!圖/GIPHY

昆蟲的鼻子在哪裡?先從構造說起

你可能會有點沒印象,到底昆蟲是用什麼器官在呼吸的。是肺嗎?好像也不是,而且昆蟲好像沒有鼻子。

告訴你,昆蟲其實也沒有肺喔!牠們是透過所謂的「氣管系統」(tracheal system) 來進行全身的呼吸及氣體交換。

圖中藍色的部分就是昆蟲的呼吸系統喔!圖/Wikipedia common

昆蟲的呼吸系統由氣管 (trachea)、小氣管 (tracheole)、氣門 (spiracle) 還有氣囊 (air sacs) 所組成。所有的空氣都是透過位於外骨骼上的氣門來進出昆蟲的身體,通常都會出現在昆蟲的腹部或側面喔!空氣從氣門進去後,透過氣管不斷分支,最後傳到小氣管,其分支末梢就散佈在體細胞間,而氧氣跟二氧化碳就能透過擴散作用達到氣體交換。

再複雜一點的版本,也就是這些氣體進到微氣管的分支後,微氣管潮濕的表面就能讓氧氣更好的進行擴散作用。氧氣擴散進一旁的體細胞膜後,就能被細胞所使用,而二氧化碳也是如此從體細胞排出的。

和人類不同的是,昆蟲的血液循環系統和呼吸系統是不互相影響的。人類透過心臟將經過肺的充氧血打到全身,來使全身細胞獲得氧氣;昆蟲則是全身的細胞都直接與小氣管相連,因此昆蟲沒有進行氣體交換的肺部。

不過這種呼吸方式,其實對於長距離的氣體運輸效率較低,所以這也是大部分昆蟲體積不大的原因之一。

所以說,要回答昆蟲到底是用哪裡呼吸,從外骨骼的氣門,到遍布全身的大小氣管,我們可以說,昆蟲們可是用了全身在呼吸呢!

自由開關的氣門

不過你可能會想,所以昆蟲都一直是靠著被動的氣體運輸來維持呼吸的嗎?難道所有的昆蟲都只會呆呆的等空氣自己送進身體裡來嗎?其實也不是這麼回事喔。許多昆蟲的氣門都能透過收縮肌肉關閉,也能透過舒張肌肉使氣門放鬆打開。而氣門的開閉,通常透過中樞神經系統來控制,不過也能被氣門四周細胞中的化學成分所調控。同時,氣門的開關也能調節水分的散失。

昆蟲的呼吸循環示意圖。圖/Eleanor Lutz

不過你可能沒想到,氣門還能拿來吹口哨呢!有些蛾類的幼蟲就能透過開關特定的氣門,再收縮排氣,讓自己的身體像笛子一樣吹出聲音來呢,被推測可能牠遭受獵食時威嚇天敵的手段。

雖說是這樣,但氣門同時也成為了某些昆蟲的一大罩門……

相信很多人都有聽過,肥皂水能夠將許多人恨得牙癢癢的蟑螂輕鬆消滅。這是因為肥皂或清潔劑都屬於界面活性劑,能溶解蟑螂身上的蠟質與油脂,溶解的蠟質和油脂會把氣門堵住,造成蟑螂因無法呼吸窒息而死囉!

由此可見,氣門真的對昆蟲來說十分重要呢!

讓氣管彎曲收縮又不變形的「螺旋帶」

接著,就讓我來說說昆蟲的呼吸系統中比較特殊的構造吧!

過去,科學家認為昆蟲的氣管都像是一條條水管一樣硬邦邦的管子,且認為所有昆蟲都是透過被動擴散作用來呼吸。但實際上,科學家後來才利用 X 光顯微鏡,發現昆蟲的氣管能收縮,而且並不是硬硬的,而且還會藉由收縮肌肉來主動呼吸喔!

既然氣管不是硬硬的,而且能透過主動收縮來呼吸,這樣氣管難道不會因為壓力的問題而變形嗎?

嘿,別擔心,小小的昆蟲體內可是很精巧的!實際上,昆蟲的氣管內皮細胞內側都圍繞著一層名叫螺旋帶 (Taenidia) 的環狀構造,又薄又堅固,使氣管不會塌陷扭曲,且同時可以幫助氣管適當彎曲伸展。

美洲家蠊 (Periplaneta americana) 的 Taenidia 示意圖。實際上每種昆蟲的 Taenidia 型態都不太一樣,甚至是同種昆蟲自己體內就可能有不同型態呢! 圖/參考資料 1

儲存空氣與預備空間:氣囊

最後,你若是再仔細看看上面的昆蟲的呼吸循環示意圖,你會發現有一個個像是氣球一樣的袋子我們還沒提到呢!這個隨著氧氣與二氧化碳的進出放大縮小的袋子,其實就是所謂的「氣囊」。

氣囊不是每種昆蟲都有,但氣囊真的就是個像氣球一樣的構造,與氣管分支們相連接,能夠透過關閉氣門來儲存空氣,而且氣囊是氣管系統中少數沒有螺旋帶的區域,可以很大幅度的折疊伸縮。

當昆蟲處在一個蒸發量高的環境,昆蟲就能將空氣儲存在氣囊,再透過關閉氣門來達到防止水分散失。若是昆蟲在水下環境,那氣囊可就更厲害囉,除了能讓昆蟲在水下呼吸之外,還能夠根據氣囊大小來調整浮力呢!

同時,氣囊也參與了昆蟲們的「蟲生」中,一段非常重要的歷程──蛻皮 (Molt)!

由於昆蟲是靠外骨骼支撐,所以為了長大,就得要將「小舊皮」換成「大新皮」,才能容納自己逐漸成蟲的身體,這種現象我們就稱為「蛻皮」。

不過在還沒蛻皮之前,昆蟲的身體已經逐漸長大,那些塞不下的體積都去哪了呢?實際上,氣囊就給牠們提供了很好的緩衝空間喔!藉由壓縮氣囊騰出空間讓器官成長,同時,當蛻皮結束時,昆蟲就將他們的氣囊盡可能的撐大,讓新長成的外骨骼更大,於是昆蟲就能靠著氣囊與蛻皮不斷的長大啦!

蛻皮是擁有外骨骼的生物長大必經的步驟。圖為《海綿寶寶》中的蟹老闆,牠並不是昆蟲,但甲殼類長大也需要蛻皮。圖/GIPHY

看來,昆蟲的呼吸系統不只有呼吸相關,還與成長息息相關啊!是不是很令人印象深刻呢?

下次若是再有人問你動物是怎麼呼吸的,可別忘記昆蟲啦!這時,你就能向他們介紹昆蟲精妙小巧的氣管系統啦!

參考資料

  1. Matthew R Webster, John J. Socha, Luciano Teresi, Paola Nardinocchi, Raffaella De Vita less (2015).Structure of tracheae and the functional implications for collapse in the American cockroach. Bioinspir. Biomim. 10 066011
  2. 嘎嘎昆蟲網—昆蟲為什麼要蛻皮?
  3. Wikipedia – Respiratory system of insects

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彥寧

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