为防氧气“超标” 昆虫“屏气凝息”

作者:佚名    文章来源:科学网    点击数:    更新时间:2005-4-6

 

    科学网2005年4月5日讯  昆虫为什么经常有规律地中断呼吸好几分钟,一直是困扰生物学者的一大难题。美国和德国科学家日前对这一问题给出的最新解释,或许能解开这个几十年的谜团。他们针对昆虫呼吸系统进行的一项新研究指出:昆虫停止呼吸,是为了避免吸入对身体有害的过量氧气。

    加州大学欧文分校的生态学及进化生物学教授Timothy Bradley和德国洪堡大学的生理学助理教授Stefan Hetz研究提出,蚱蜢、蛾、飞蛾、蝴蝶、果蝇、甲虫和臭虫等昆虫周期性地关闭呼吸系统,是为了避免吸入过量的氧气,从而使身体组织免受伤害。他们2月份发表在《自然》杂志的这一结论,向以前的相关理论提出了挑战。

    比原理论更合理

    对于昆虫周期性“屏气凝息”的现象,科学家曾经给出了两种不同的解释。第一种理论认为,这种间断性的呼吸暂停,可以帮助昆虫减少水分流失。而第二种理论则认为,当昆虫在地下时,这种特别的呼吸方式能帮助它们摆脱呼吸的副产品——二氧化碳。因为它们这时处于二氧化碳浓度很高但氧气含量很低的环境中,为了寻求更好的空气流通条件,它们不得不选择间隔性的呼吸——虽然这时它们无法吸入足够的氧气,但是能从高浓度的二氧化碳中解脱出来。避免对身体组织产生毒副作用,似乎具有更加重要的意义。

    实验是检验理论最直接也是最有说服力的手段。为探明昆虫屏气的真相,Timothy Bradley和Stefan Hetz用一只乌桕大蚕蛾的蛹,进行了有针对性的实验研究。昆虫没有肺,而是用通气孔进行呼吸。科学家把导管插入到蛾蛹的通气孔中,以测量它排放的二氧化碳量及吸入的氧气含量,并用一种测量呼吸作用的仪器——呼吸计来监测飞蛾的呼吸形态。结果发现:高氧浓度环境中的昆虫,当它处于飞行等高强度活动状态时,会保持正常的呼吸;但当处于不活跃状态时,为避免吸入过量氧气导致身体组织出现氧化损伤,包括蚱蜢在内的一些昆虫都选择了间歇性停止呼吸的做法。

    “昆虫呼吸系统的构造,能够适应在不同环境中活动的需要。”Bradley说:“我们认为大部分昆虫有规律地间歇性呼吸,是为了降低体内的氧气浓度,以保证生理上的安全。它们充分减少气体交换频率,使体内的氧含量保持在一个安全的水平上。这种假设可以解释不同环境下昆虫呼吸模式的转换,而以前的理论都做不到这一点。”

    控制吸氧为长寿?

    科学家首先向放置蛾虫的房间注入含有二氧化碳含量很高的空气,然后测量出蛾虫自身排出二氧化碳的时间和数量。发现昆虫呼吸系统中的氧气含量通常保持在4~5千帕斯卡,只有空气含氧量的1/5~1/4。Bradley认为,“这个现象很有代表性”。

    事实上,昆虫控制体内氧气含量的活动十分活跃,方式也很特殊:在氧浓度正常的环境中,它们会呼吸一段时间,随后突然释放大量二氧化碳,接着关闭通气孔避免吸入更多的氧气,使体内氧气含量维持在4~5千帕斯卡;在氧浓度较低的环境中,它们长时间打开呼吸系统,关闭通气孔的时间变得很短;在氧浓度较高的环境中,它们则暂时开放通气孔,然后紧紧关闭很长一段时间。Bradley 表示,昆虫懂得积极地调节体内的氧气含量,“好像懂得测量周围空气的氧浓度一样”。

    其实这一问题并不让人费解。科学家早已指出,虽然氧气的确是“生命之源”,但吸入过量氧气同样会导致生物体死亡。因为暴露在活性很强的氧分子中,会使身体组织中的蛋白质、脂类和DNA受损,促使细胞死亡、加快机体衰老。以人为例,人体向各个组织器官提供氧气,但同时也要避免过量氧气导致的氧化性损伤。这种损伤和年龄的增长密切相关——或许正因如此,化妆品公司才推出花色繁多的防氧化化妆品,帮助人们“抹去岁月的痕迹”。事实上,科学家反复研究了数十年的果蝇,已被证明在高氧环境中会更加短命。既然这样,昆虫发展出“间歇性呼吸法”,也不过是一种“自我保健”的手段罢了。

    Bradley和Hetz接下来准备建立更加全面的昆虫呼吸模式体系,用其解释所有种类昆虫的呼吸行为。这项研究不仅有理论价值,更有很好的应用意义。Bradley指出,掌握了更多关于昆虫呼吸的知识后,人们就能进一步提高杀虫剂的杀虫效果,从而更有效地减少农、林等产业的损失,为全球饱受虫害的国家和地区带来“福音”。

 




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