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昆蟲如何呼吸?--X光顯微鏡之應用

2011/02/08 | |

Original publish date:Feb 18, 2003

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科學家利用同步輻射產生的高能X光來研究昆蟲的呼吸,結果發現昆蟲不僅單靠被動擴散來作氣體交換。像哺乳動物一樣,牠們也靠主動運動來呼吸。

大部分昆蟲的呼吸系統類似建築的通風系統。氣管篇佈體內供應氧氣,氣管與體表的氣孔相通。芝加哥菲爾德博物館動物館副館長Mark Westneat說道,大家一直以為昆蟲的氣管是硬管子,氣體內換純粹靠擴散作用,但這個想法是死路。

迄今動物學家只有在昆蟲移動或飛行時觀察到主動換氣。有些昆蟲鼓動腹部以利空氣流動或填充氣囊。

Westneat等人在甲蟲(Platynus decentis)、木蟻(Camponotus pennsylvanicus)和蟋蟀(Acheta domesticus)的頭部和胸部觀察到氣管的抽氣和進氣。這些部位被堅硬的外骨骼包覆,不可能藉由外部運動來泵氣體。

他們也觀察到頭部內大氣管的收縮與舒張循環短於一秒鐘,這與哺乳動物的肺部類似。Westneat認為當氣孔關閉時的收縮可能增加了壓力而加速氧氣擴散至昆蟲組織。但要回答這問題,柏克萊加州大學的昆蟲飛行生理學家Robert Dudley認為應該觀察小支氣管是否也會收縮。現在仍不清楚小氣管發生了什麼事。

這個研究方法也可以解開了困惑科學家一世紀的其他謎團。X光顯微技術可以記錄翅膀的撲動、多心臟昆蟲的循環系統和交配時的生殖器等。

同步輻射X光源是來自在一個長一公里的環狀加速器內加速至接近光速的電子。這個技術是Argonne國家實驗室的物理學家Wah-Keat Lee在光束前放置一隻死螞蟻時發現的。他接著找尋研究演化生物力學的Westneat合作研究生物問題。

X光顯微鏡所產生的影像因邊緣增強而是高解析度的,在兩個構造的邊緣被銳利化,所以顯現出清晰輪廓。Lee也利用X光顯微鏡來觀察海膽牙齒、燃料噴嘴和鋁製建材的裂紋。

中央研究院物理研究所的胡宇光也曾利用X光顯微鏡來觀察電鍍材料產生的氣泡,其結果於2002年5月刊登於Nature。因為X光顯微鏡的觀察是非破壞性的,近來也用來研究胚胎化石的內部構造。

原學術論文:
1) Westneat, M. W. et al. Tracheal respiration in insects visualized with synchrotron X-ray imaging. Science, 299, 558 – 560, (2003).
2) Tsai, W. L. et al. Electrochemistry: Building on bubbles in metal electrodeposition. Nature 417, 139 (2002).

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