昆蟲身體裡有沒有神經（昆蟲是有心沒肺嗎）

2023-10-10 23:02:27

作者：一軍

幾乎每個人都有兒時與昆蟲為伴的美好經歷，從小我們就已經知道昆蟲都是些有心沒肺的傢伙。從圖1所示的螞蟻解剖圖可以看到，狹小的螞蟻胸部裡面確實是沒有肺的，它的主要器官都聚集在碩大的頭部和豐滿的腹部。儘管它的循環系統並不象人那樣，分為靜脈與動脈，而是一個單一的開放性的循環過程，但是用來推動它的全身的綠色淋巴血進行循環的器官還是存在的，只是它的心臟不象人的心臟那樣具有複雜的結構，而是在它的背部，有一根依附於大動脈的膨大管道，通過有節律的搏動來行使推動淋巴血循環的功能。下面的圖2即昆蟲循環系統的一般模式圖。

（圖2）昆蟲循環系統一般模式圖

既然昆蟲沒有肺，那麼昆蟲是怎樣呼吸的呢？它全身的細胞隨時都需要氧氣啊。昆蟲的解決辦法非常直接了當，就是在它的全身很多部位的表皮，都開了很多可以開閉的呼吸孔，例如圖3所示的蝗蟲，在體側就有一排銀色的小呼吸孔，從這些呼吸孔進去，是一個分布全身的氣管系統，如圖4所示的蝗蟲的白色氣管系統，這個氣管系統越來越細，在末端能夠達到直徑大概1微米的程度，使得全身的各個部位的細胞附近不遠的地方，包括肢翼，都能夠找到細小的氣管，這樣空氣從呼吸孔進去之後，就能夠通過短程的擴散，而直接進入全身各個部位的細胞，進行氧氣與二氧化碳的交換。

（圖3）蝗蟲體表的呼吸孔

（圖4）蝗蟲的呼吸孔以及體內的氣管系統

生物學家主要是通過解剖發現這個簡潔的呼吸氣管系統的，因此對於這個呼吸系統的呼吸機制，只能根據其形態進行猜測。一般的觀點是這個系統非常的原始，外部的新鮮空氣一般只能靠自身的擴散和通風進入昆蟲體內，並且估計當昆蟲身體進行運動時，以及它的心臟帶動的淋巴血進行循環時，都能夠附帶導致其身體內部壓力的變化，而這個變化也可能有益於氣管系統內的空氣和外部新鮮空氣進行交換。顯然這樣一種非常被動的呼吸系統，與能夠主動伸縮而產生負壓的陸生脊椎動物的肺相比，在空氣交換的效率方面要低很多，這就導致其體內的氣管系統的規模不可能太大，因為如果細密的氣管延伸得過長，僅靠空氣的自身擴散，以及身體內部壓力變化的驅動，是難以及時更換氣管深端的空氣的，所以這也構成昆蟲無法獲得比較大的體型的一個制約因素。

因此和昆蟲的能夠主動搏動的心臟相比，我們只能說昆蟲是有心而沒肺的了。

不過現在發現這個結論是錯誤的。因為我們對於昆蟲氣管系統的研究，一直僅限於解剖的方法，而最近一組科學家運用同步輻射X射線成像技術，對活體的昆蟲進行實時的透視攝影，赫然發現昆蟲的氣管系統其實是能夠進行快速而激烈的主動收縮的，而且其收縮導致的空氣交換效率並不比我們的肺差！同時還發現在氣管系統進行收縮換氣時，以前一直認為是構成昆蟲呼吸動力的身體運動和循環系統的附帶作用，根本不參與呼吸過程。

獲得這項重大發現的關鍵是使用了從15-25keV的同步加速器（圖5）引出的同步X射線源，來進行高清晰度的活體實時拍攝。在X射線照射下，科學家們發現無論是甲蟲，螞蟻，蝴蝶，蒼蠅，臭蟲，蟋蟀，蟑螂，還是蜻蜓，它們遍布全身的細微氣管都清晰可見。當昆蟲的氣管系統處於鬆弛狀態時，是膨大著的；而當氣管收縮時，則在300毫秒到500毫秒的時間內，從頭部到胸部的整個氣管系統的直徑都逐步縮小，然後在相同的時間內再回復原狀。從氣管的橫截面來看，收縮使得氣管變為橢圓形（圖6）。

（圖5）法國東南部格勒諾布爾的一座同步加速器

（圖6）X射線所拍攝的昆蟲氣管收縮過程

對於甲蟲來說，這種收縮的頻率為每秒0.4到0.7次；甲蟲，螞蟻和蟋蟀的收縮時間為0.7到1.6秒，然後間以一段靜息的時間。收縮所導致的身體主氣管的容積的變化在這三種昆蟲都將近50%，只有蟋蟀的容積變化略小，為36%。由於氣管收縮是整個系統的收縮，因此可以認為更加細微的氣管應該也是以這個比例進行收縮的。

這麼有效的空氣交換機制是人們從未預料到的，因為我們可以跟人類以及鳥類的肺比較一下，從安靜狀態到運動狀態，肺在呼吸時所發生的容積變化範圍也只有10%到75%。而考慮到當昆蟲進行激烈運動時，實際的氣管容積變化率應該比上面的數據還高。再加上昆蟲呼吸孔開口處可以自如地開合，那麼當氣管收縮時再關閉呼吸孔的話，將提高氣管內部壓力，從而有效地促進氧氣分子擴散進入身體細胞，顯然這就進一步提高了整個呼吸系統的氣體交換效率。

進一步的分析似乎表明，昆蟲氣管系統的這種高效收縮運動是由鄂部以及肢翼部肌肉驅動的，而回復原狀則是依靠氣管壁自身的彈性。而仔細的觀察也排除了那些曾經認為能夠驅動呼吸的因素，例如腹部的抽動，自動的通風，以及循環系統的流動。這個結果從進化的角度來看，其實也並不令人意外，因為運動肌肉直接參與呼吸確實是進化的趨勢。

確實，只有運動肌肉才能使得呼吸系統獲得主動呼吸的能力，而這種能力對於陸生動物來說，是至關重要的，因為無論是頭部還是軀體部位，各個器官系統的複雜性以及陸地活動的劇烈性，都要求動物自身能夠具有強大的氧氣保障供應能力，按照此前對昆蟲所設想的那種被動呼吸機制，確實是有點勉為其難的。

幸好，昆蟲並沒有我們想像的那樣弱，它們有心也有「肺」，它們對於地球環境的適應能力甚至讓我們人類自嘆弗如。因此它們能夠成為地球上最昌盛的動物物種，也能夠自如地做出下面圖7那樣優美的潛水動作。