正文
图片:吉姆·科尔多瓦,埃尼奥·卡诺
氧气通过这些气孔进入昆虫体内(你可以看到那些开口,即毛毛虫身上那一条看起来像地铁站的发光点),然后飘入错中复杂的气管中,气管会不断分支,越来越小,直到最后到达极小的尖端,氧气才结束它的分支旅途,到达昆虫的细胞。
与此相反,我们的身体有一套循环系统,可以将血液压入肺部获取氧气,然后再传输到细胞中。但在昆虫体内,血液不参与氧气的传输过程,相反,氧气一直是漂浮着送到细胞中去的。
为了保持体内通风,大一点儿的昆虫必须积极地吸气和呼气,正如你看到的,活动它们的腹部肌肉:
图片:艾莉诺·鲁茨
但再小一点儿的昆虫几乎不移动,它们以一种更懒惰的方式呼吸。它们无需活动身体,只用打开它们的气孔,坐在那儿,就像打开客厅的窗户一样,然后就等着空气飘进体内。
等一下!等一下!
我们是在写一篇关于呼吸的文章。感觉呼吸应该是一种物理行为,你的身体要做的事情,不仅仅是打开身体的气孔,然后想着“进来吧”。它不能这么被动。
而且,阿提斯(Aatish,他拥有物理学博士学位)说,如果你了解一点有关空气的物理学知识,你就有充分的理由认为这种飘入式的呼吸(只打开气孔,静等空气进入)非常令人费解,所以我们有必要……
简单聊一下氧气
(拥有物理学博士学位的读者可以直接跳过下面这一部分了)
阿提斯:来,罗伯特,请闭上眼睛。
罗伯特:为什么?
阿提斯:按我说的做吧。
罗伯特:好吧,闭上了。
阿提斯:现在我想让你想象一下,氧气在你周围的空气中漂浮。
罗伯特:好的……
阿提斯:告诉我你想象到了什么。
罗伯特:嗯……
罗伯特:我看到一个分子。两个氧原子结合在一起,它们呼啸而过,就像从窗户那边吹到我的脖子上,然后……我不知道……它们在我的脖子上弹跳,从我这里跳到……你那里,跳到你耳朵上。
阿提斯:啊。
罗伯特:啊,怎么了?
阿提斯:所以你在描绘氧分子在空间中呼啸而过,在墙上反弹的过程。也就是说,它们不仅可能会和我的耳朵相撞,还会与空气中的其他分子相撞。
罗伯特:是的,我就是这样想的……
阿提斯:不是这样的。
罗伯特:不是吗?
阿提斯:事实完全相反。如果现在将你周围的空气放大,你会发现……
一个非常拥挤的空间……空气中挤满了分子,我们的氧分子几乎无法移动。它只要一动,就会碰到一个邻居,若随意地左蹦又跳或上蹿下跳(到处弹跳),就会碰到其他的邻居。你能猜到一个氧分子一秒钟内会制造多少次碰撞吗?就一秒钟?
罗伯特:我不知道。
阿提斯:你还闭着眼吗?
罗伯特:是的。
阿提斯:
60亿次。
罗伯特:天哪!
阿提斯:是的!它们会和邻居有60多亿次碰撞,所以一个自由漂浮的氧分子几乎哪都去不了。我了解到,一个氧分子在撞到另一个分子,并能随机游走之前只能移动80纳米,也就是8/1000000厘米(3/1000000英寸)。
罗伯特:所以?
阿提斯:
所以空气的结构并不松散空洞。正相反,在分子层面上,它更像是厚厚的冰沙。
就像你需要吸入你喝下的东西。常识告诉我们,不能只静等空气飘入,你需要将它拉进来。
如果真是这样,那这些小动物是怎么呼吸的呢?
这个嘛……
图片:亚伦·波梅兰茨
蚂蚁、蚊子和甲虫呼吸不用吸入或抓住空气,但它们不脉冲身体怎么能呼吸呢?
“你问的这个问题也让我非常困扰,”乔恩·哈里森说道。乔恩是一个科学家,已经研究昆虫呼吸和生长问题很多年了。
事实上,我们还没有弄清楚。哈里森和他的同事仍在努力了解有多少种昆虫是靠氧气飘入身体(被动呼吸)来呼吸的,多少种昆虫是通过脉冲他们的身体(比如蚱蜢)来呼吸的。