1

4
3

文字

分享

1
4
3

昆蟲是用什麼器官呼吸?等等,竟然是「全身」?

彥寧
・2020/07/20 ・3013字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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

你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
所有討論 1
彥寧
7 篇文章 ・ 1 位粉絲
比起鯛魚燒,我更喜歡章魚燒。

1

2
0

文字

分享

1
2
0
狗用來標記地盤,老鼠用來求偶,但人類很可能沒有?神奇的化學分子費洛蒙——《完美歐姆蛋的化學》
日出出版
・2023/01/01 ・1841字 ・閱讀時間約 3 分鐘

可以傳染的「興奮感」:費洛蒙

費洛蒙是一種非常大的分子,會從動物體內散發出來並影響其他動物身體的行為。

這種物質當初是在 1959 年由德國生物化學家阿道夫.布特南特(Adolf Butenandt)發現, 這位科學家在二十年前就因為首次合成出性激素而獲得諾貝爾化學獎,說他是化學界的搖滾巨星都還不足以形容他的貢獻。

阿道夫.布特南特首次合成出性激素。圖/wikipedia

他的研究發現,費洛蒙的功能和激素一樣,但是只對附近的相同物種個體有效。

舉例來說,如果動物 A 在動物 B 附近釋放出性費洛蒙,動物 B 的身體會吸收這些分子,整體行為也會受到影響。這其實代表動物 A 具有像丘比特的能力,只不過用的不是箭,而是分子。

基於以上的原因,費洛蒙有時會被稱為「環境激素」(eco-hormone),因為這類分子的運作方式就像是體外的激素。

和激素相同的是,費洛蒙有各式各樣的結構。有些分子非常小,有些則相當大,不過全都是揮發性分子,這表示分子在特定條件下會輕易蒸發。揮發性物種通常很好辨識,因為會帶有強烈的氣味(像是汽油或去光水)。

汽油帶有強烈的氣味。圖/pixabay

研究人員決定把這種分子命名為費洛蒙(pheromone),是因為字面上的意思是「轉移興奮感」,而這正是費洛蒙的功能。

動物間的費洛蒙功用

強大的費洛蒙分子可以傳送幾種不同主題的訊號給附近的同類,例如食物、安全狀況或者性。舉例來說,螞蟻會在巢穴和食物之間的路徑散發費洛蒙,來通知彼此食物來源在哪裡。

狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域,這時釋放的就是領域費洛蒙。就連雄鼠也會散發出性相關的費洛蒙來吸引雌鼠,同時也會導致附近的雄鼠變得更有攻擊性。

狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域,這時釋放的就是領域費洛蒙。圖/pixabay

那麼人類呢?

人也會散發出任何一種類型的性費洛蒙嗎?

出乎意料的,人類不會散發任何一種形式的性費洛蒙。不過我們自以為有費洛蒙的原因在這裡:1986年,溫尼弗雷德.卡特勒(Winnifred Cutler)發表的研究宣稱,她成功分離出第一種人類性費洛蒙。

在這項研究計畫中,她蒐集、冷凍並解凍來自幾位不同對象的性費洛蒙。一年之後,她將這些分子塗在許多女性受試者的上唇,接著便宣稱她觀察到和大自然的動物類似的結果。

事實上,卡特勒的研究完全是一派胡言。她根本沒有分離出人類性費洛蒙;而只是把奇怪的氣味塗在隨機受試對象的上唇,其中包括——請做好心理準備——腋下的汗水。

與其說是分離出純費洛蒙,不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質,而且還抹在別人的臉上。

與其說是分離出純費洛蒙,不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質,而且還抹在別人的臉上。圖/pixabay

直到今天,卡特勒的噁心科學研究還流傳在網路上的各個角落,這表示如果有人在 Google 上搜尋「人類性費洛蒙」,就會和得到一堆錯誤資訊。有些研究人員堅信我們總有一天會發現性費洛蒙,不過在這本書出版的當下,科學界尚未找到任何人類性費洛蒙。

一直以來有不少相關研究在執行和重複進行,也盡可能針對各種變數進行調整,而所有的研究團隊都得出相同的結論:二十一世紀的人類大概沒有性費洛蒙。

但人類有史以來就是這樣嗎?如果大多數的其他哺乳類都有性費洛蒙,包括兔子和山羊,為什麼我們沒有?

答案其實意外簡單:人類學會了溝通。

我們可以用語言(和蠟燭……還有性感內衣……)告訴伴侶我們有興趣滾床單,而雪貂則必須往理想交配對象的方向散發性分子。

——本文摘自《完美歐姆蛋的化學》,2022 年 12 月,日出出版出版,未經同意請勿轉載。

所有討論 1
日出出版
11 篇文章 ・ 5 位粉絲

0

4
2

文字

分享

0
4
2
柔軟的導電革命:前所未見的無序高分子導體
linjunJR_96
・2022/12/30 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

只有金屬會導電?

怎麼樣的材料能導電?這個問題的答案或許將永遠改寫。

怎麼樣的材料能導電?金屬?這個問題的答案或許將永遠改寫。圖/pexels

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料,擁有塑膠般柔軟的非晶體結構,同時又有金屬般的導電性質。

講到導體,首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格,自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始,科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷,並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。

利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。圖/pexels

相隔許久後,二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後,也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知:

原來除了金屬材料之外,塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來,導電聚合物的製程簡單便宜,也有較好的可塑性,被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品,像是有機發光二極體(OLED)螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號,但是導電聚合物和金屬導體一樣,都有緊密整齊的晶格結構,讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上,現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格,才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

從左到右分別是有序的晶體、無序的非晶體、和氣體。圖/ Encyclopædia Britannica

再一次超越想像,無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie(現為普林斯頓大學博士後研究員)近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元,但因為合成技術困難,並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上,合成出全新的 NiTTFtt,開始了一系列的實驗。

在實驗室中,NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是,X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的,沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上,NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣,只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上,就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外,它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼,想盡各種方式考驗它,但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定,顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢?研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型,企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元,他們首先組成長長的一維長條。圖/參考資料

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條(左),平行堆疊成千層派一樣的結構(中),並橫向排列形成立體的材料(右)。注意到每個長條排列的方向雖然一樣,但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬,研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲,電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊,讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說,NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性,或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知,讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在,任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構,就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣,為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料

linjunJR_96
33 篇文章 ・ 568 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
浣熊喜歡洗手,不是因為愛乾淨?大角羊的角,可以跟全身骨頭一樣重?5 個你意想不到的動物冷知識——《天生就是超級咖》
遠流出版_96
・2022/12/29 ・1190字 ・閱讀時間約 2 分鐘

1. 愛情召喚陣:雄性白斑河豚會藉由沙畫來吸引雌性產卵

在日本奄美大島有一種白斑河豚,會花一周的時間,在海底打造直徑為自己身長20 倍的巨大圓形沙畫,像是海底的麥田圈!但河豚這麼做的原因不是為了藝術,而是為了吸引雌性。沙畫特殊的沙丘構造使得中央留下了細緻的沙,雌性便在此產卵。

2. 非賣品:青蛙利用液壓的原理將舌頭快速射出

青蛙的舌頭上層有黏質蛋白可以用來沾附獵物,舌頭肌肉間空隙充滿了水,當發現獵物時,可以利用液壓的原理讓平時捲起的舌頭快速而精準地射出。不但如此,舌頭可以觸及的角度還十分廣闊多變喔!

3. 交叉:雄性大角羊的角重量可達身體其他骨頭的總重

大角羊的角是永久性的,不會脫落,雄性的角可重達14 公斤,跟全身的骨頭一樣重,用來對抗捕食者和爭奪交配權。但若是長的角度不正確,有可能會影響進食,導致餓死,或甚至插入自己的頭部而導致死亡。

4. 本末倒置:浣熊喜歡洗手或洗食物不是因為愛乾淨

牠們十分依靠手部觸覺來辨識物體,浣熊前爪的觸覺神經數量高出大部分的哺乳動物四到五倍。並且前爪浸泡在水裡時觸覺會變得更為敏銳,所以就產生了浣熊什麼東西都要放入水中感覺一下的習性。

5. 旋轉馬殺雞:鱷魚和成年的海牛可以和平共存

在美國的佛羅里達州的水域,可以看到海牛與鱷魚和平相處在同個環境的情況,儘管鱷魚看似兇猛,但牠們鮮少會去攻擊成年的海牛,有時甚至可以看到鱷魚和海牛共游的情況,鱷魚有時還會攀附在海牛身上搭便車。

——本文摘自《天生就是超級咖》,2022 年 10 月,遠流出版,未經同意請勿轉載

遠流出版_96
59 篇文章 ・ 29 位粉絲
遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。