科學家發現昆蟲呼吸新機制

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近日，南方科技大學機械與能源工程系教授韋齊和、研究助理教授江淼與美國肯特州立大學教授Matthew Lehnert在仿生研究方面進行合作，研究蝴蝶和天蛾時發現新的昆蟲呼吸機制，相關研究成果發表在著名生物學期刊《當代生物學》。

蝴蝶和天蛾屬于鱗翅目，它們擁有一個可卷曲和可伸展的喙，用于采集花蜜和給花授粉，喙從毫米到30厘米的巨大長度差異反映了蝴蝶和天蛾物種之間的多樣性。

達爾文天蛾 研究團隊供圖

人們對鱗翅目喙的研究可以追溯到達爾文時代。鱗翅目長短不一的喙是一個巧妙的軟體驅動器和和微流體系統，微流體系統要克服的一個難題是流動的阻力隨尺寸的減少而急劇增加。Lehnert教授團隊在前期的研究發現，鱗翅目的喙巧妙的利用了Rayleigh-Plateau失穩來產生液橋，只需要很小的壓強差就可以有效的傳輸花蜜。

化石考證表明3億年前的地球上存在著一個巨蟲時代，巨蟲生存的物理條件就是克服氧氣傳輸的距離問題。一直以來，人們認為昆蟲的呼吸系統由胸部和腹部的閥狀氣孔吸入氧氣和排出二氧化碳，用遍布身體的微型氣管網絡傳輸呼吸氣體。蝴蝶和天蛾有兩條微氣管分布在喙中，直徑為50微米左右，氧氣和二氧化碳如何在超過30厘米的距離進行傳輸是個值得研究的問題。

韋齊和團隊與合作者通過X光成像和電子顯微鏡觀察了天蛾的喙，發現喙的微氣管有非常多直徑為1微米的微孔，通過微孔與外界進行氧氣和二氧化碳的交換，傳輸的機制主要是擴散。同時研究團隊發現微孔的密度與喙的長度、喙里肌肉的體積成正比。

研究團隊介紹，昆蟲的氣管具有超疏水的特性，有助于呼吸，這是一個全新的呼吸氣體交換機制，側面證明了限制昆蟲器官大小的物理因素是氧氣和二氧化碳交換的能力，為該領域研究提供了新思路。

相關論文信息：https://authors.elsevier.com/c/1hKLc3QW8S2Q~Y.