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昆蟲再寒冷冬天如何取暖?翅膀是它們的“加熱器”

http://finance.sina.com   2019年11月25日 17:01   北京新浪網

  新浪科技訊 北京時間11月26日消息,據國外媒體報道,幾億年以來,昆蟲成功滲透到地球的每個角落,擁有堅硬的外骨骼保護自己免遭掠食者和環境污染的危害。但當冬季來臨,昆蟲無法使用羊毛編織小毛毯,它們在冬季如何保暖呢?

  冷與熱

  人類是恆溫動物,也被稱爲溫血動物,人體恆溫系統可以控制他們的體溫保持在37攝氏度不變,人體已進化形成幾種機制來保持熱量,並在必要的時候排出體外,出汗、起雞皮疙瘩、顫抖都是人類身體試圖保持最佳溫度的方式,其他哺乳動物也有相應的策略,例如:長着厚密皮毛,不停地喘氣。

  與恆溫動物不同,變溫動物通常被稱爲冷血動物,其中包括爬行動物和兩棲動物,他們的體溫隨着周圍溫度而波動,這就是爲什麼蛇和短吻鱷是“鐵桿日光浴者”,在這兩類分類中,昆蟲屬於哪一類呢?

  昆蟲的奇妙之處在於它們的多樣性,昆蟲是由身體兩側對稱多肢體構成,身體分爲幾段,從某種意義上講,昆蟲是“終極雪花”——其形態、行爲和適應性有着驚人多樣性,因此,昆蟲並不完全屬於溫血動物或者冷血動物的範疇,這是有道理的。

  傳統上認爲昆蟲是變溫動物,的確如此,但並不完全這樣,有些昆蟲比其他昆蟲更易受外界溫度的影響。事實上昆蟲分爲恆溫和變溫動物兩類,變溫動物是指體溫可以依據周圍環境溫度進行調節的昆蟲。恆溫動物有能力調節身體內部溫度,尤其是某些身體部位,對某些身體部位的選擇性加熱或者冷卻稱爲(區域)異質性,像黃蜂、蜜蜂、飛蛾、蝴蝶和甲蟲,它們都是恆溫動物。

  翅膀——不僅僅是用於飛行的。

  想象一下,你是一隻昆蟲,你的手臂是類似蝙蝠或者鳥的翅膀,你必須在高速飛行時揮動手臂,這無疑是一項非常艱苦的工作,需要消耗大量的熱量,爲了產生飛行所需的所有能量,昆蟲必須擁有快速代謝率,但我們體內代謝反應並不總是高效的。

  這些反應在控制翅膀的肌肉中產生能量,形成大量的熱量和能量,昆蟲降溫的一種方式就是通過飛行,飛行增加了血淋巴循環,血淋巴是昆蟲體內的一種液體,類似於人體血液,它將熱量散發至全身各處,來自昆蟲胸部的熱量,也就是翅膀所在的位置,被傳遞至腹部,腹部的熱量通過蒸發將逐漸流失。

  這樣,昆蟲腹部就像一個散熱器,冷的時候可以“儲存”熱量,太熱的時候就像一個熱量分配器。昆蟲在寒冷的條件下會消耗多餘的熱量,低溫並不適合飛行,因爲在低溫條件下,飛行所需的新陳代謝反應不夠快。

  爲了克服這一點,昆蟲會進行一些“熱身運動”,用力地前後拍打翅膀,該行爲類似於顫抖,目的是在不飛行時產生取暖的熱量,如果身體暖和準備起飛時,它們會在起飛前幾分鐘將“引擎”加速。

  徒勞的取暖方式

  顫抖並不是昆蟲唯一的取暖方式,科學家通過幾項研究發現,當蜜蜂試圖暖和身體時,會出現一個能量“無效循環”,該過程是沒有取暖效果的,它是兩個相反路徑的兩個相反步驟——糖酵解(分解葡萄糖)和糖異生(製造葡萄糖)。

  果糖6-磷酸(F6P)在糖酵解過程中通過磷酸果糖激酶(PFK)轉化爲果糖1,6-二磷酸(F1,6P),在糖異生過程中,果糖1,6-二磷酸酶(FbPase)能夠轉化爲兩種分子,第一個反應使用了ATP分子,但是第二個反應並未形成任何ATP分子。

  糖酵解和糖異生之間的無效循環

  ATP分子是細胞的“能量貨幣”,細胞通過分解ATP分子產生能量,擁有更多的ATP分子意味着能夠產生更多的熱量,細胞將必須“加班工作”,爲了獲得能量,必須維持充足的ATP分子供應。

  在正常情況下,糖酵解和糖異生兩個反應不會同時發生,細胞要麼進行糖酵解,要麼進行糖異生;然而一些蜜蜂有能力啓動這個循環產生熱量,但這是一項自相矛盾的研究,結果顯示一些蜜蜂不具備這樣的能量循環。

  昆蟲擁有溫度感受器

  爲了利用以上奇特的方法控制體溫,昆蟲必須首先感知外界環境是溫暖還是寒冷,它們通過觸角上一組感受器來完成這一過程,這些感受器被稱爲“瞬時感受器電位通道(TRP通道)”。

  這些感受器對周圍溫度變化非常敏感,並將信息傳遞給昆蟲的神經系統,這些神經系統通過科學家正在探索研究的機制,進行必要的身體改變。

  研究表明,阻斷某些受體會導致昆蟲體溫降低(低於正常體溫水平),而阻斷TRP通道會使昆蟲體溫升高(高於正常體溫水平)。

  有趣的是,TRP通道在昆蟲進化歷程中被保存下來,這意味着人類和昆蟲DNA存在某些相同基因或者通過指令檢測體溫。進化科學家對昆蟲基因如何沿着進化高速公路的改變,並在進化路徑上形成分叉,通過這些微小變化,進化生物學家可以評估這些變化發生的時間。

  總而言之,即使昆蟲擁有類似人類的基因能夠感知溫度變化,它們也不需要像人類一樣在寒冬穿厚衣服取暖、在夏季穿單薄涼爽衣服降溫,因爲它們的體形很小。(葉傾城)

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