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《少年科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

《少年科学画报》坚持向少年儿童传播科学思想,普及科学知识,传递科技信息,传授科学方法,激发少年儿...

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昆虫的第一道防线

2018-02-07 13:01:00

  与所有生物种类一样,昆虫要想在这个危机四伏的自然界生存下去,首先要学会的就是防御。在漫长的进化过程中,昆虫的几丁质外骨骼成了它们的第一道防线。

  保护自己的盔甲

  当你捉到一只甲虫,不用太多的观察就会轻易发现它们与众不同的特点一身体外层异常坚硬,就像穿戴着一层坚硬的盔甲。这就是它们的外骨骼,它可以保护昆虫的内部组织和各种器官免受外界伤害。外骨骼致密而坚硬,既可以抵抗住一定强度的压力而不会破损,又能够防止外界有害化学物质的腐蚀和侵害。有了它的保护,昆虫们不仅能把在运动中产生的碰撞一一化解,而且还能在不慎进入危险的环境时全身而退;有了它的保护,那些戴盔披甲的鞘翅目甲虫们几乎成了“地上摔不怕,水中淹不死”的两栖军团。

  支撑运动的基础

  外骨骼除了能保护虫体,还能保持身体形状、支持肌肉附着。昆虫的外骨骼与人类身体内部的骨骼一样,支撑起身体,构建出形状,并将诸多复杂且柔软的组织和器官包裹其中。如果没有这层坚硬的外骨骼来支撑,昆虫无疑会成为失去具体形状的“一摊烂泥”!

  外骨骼在支撑起昆虫身体结构的同时,也支撑起了昆虫体内的肌肉系统。这些外表面光滑平整的外骨骼,在内表面上却布满了复杂多变的横突和纵脊,作为稳固的框架伸展到它们体内的每一个角落,而这个框架不仅分割了昆虫的身体,还让昆虫们强健的肌肉有了一个个就近使用的牢固支点,让固着后的肌肉能在每次收缩和舒展的同时,牵引肌肉两端附着的关节,从而让昆虫产生协调而有力的运动。

  拥有灵活的关节

  当然,外骨骼与脊椎动物体内的骨骼系统还是有很多不同的,上面提到的“盔甲”就是一例。“盔甲”可以保护身体不假,但同时也限制了昆虫的灵活性以及体内组织与外界的物质交换。试想,如果我们身处一个坚硬异常、密不透风的铁桶之中,会不会很难受?!不用担心,昆虫解决了这些难题。昆虫的外骨骼并非是一个完整的“铁桶”,它更像是许多精巧的“小铁桶”组成的一整套系统,而连接每个“小铁桶”的,则是外侧坚韧而柔软的表皮和内部分布均匀且固着稳定的肌肉。就这样,“小铁桶”一节一节地排列组合,肌肉系统也一节一节地分布联结,小小的昆虫就成了分段分节的精密机器,坚固而灵活。

  精巧的通风管道

  昆虫也和其他动物一样需要呼吸空气,但昆虫并没有类似肺的器官作为动力源来输送空气,让体内的各种组织和产生巨大能量的肌肉获得充足的氧气来“燃烧”,它们需要更加简单、快捷的方式将氧气送到需要的地方,这个功能是通过遍布体内而开口在外骨骼表面的气管系统来实现的。

  在昆虫腹部两侧有对称排列的小孔,这些小孔由可以控制的、被称为“气门”的薄膜掩盖着,随着气门的一次次开启和关闭,新鲜的空气从外界环境通过密闭的外骨骼,再经过与气门相连的气管系统进入昆虫的体内。开口在外骨骼表面的气管系统分支复杂、纵横交错,由粗大的主干分出众多细枝,逐渐深入昆虫体内的同时,分支也逐渐变细、变多,最后形成覆盖昆虫全身的空气传输系统。正是这套简单、独特的呼吸系统与昆虫外骨骼的完美结合,让昆虫的体表成为进可以进行气体交换、退可以隔离外界环境的有效防线。

  无奈的“喜 新厌旧”

  虽然外骨骼有着诸多优势,并在昆虫的进化过程中起到了不可替代的作用,但这并不意味着它是完美的,它在帮助昆虫强大的同时,也制约了昆虫的进一步发展。

  首先,外骨骼让昆虫的成长变得复杂而艰辛,在不断长大的过程中,昆虫比其他没有外骨骼的动物要面临更多来自蜕皮的危险。组成外骨骼的几丁质是致密、坚硬的物质,它仅仅在氧化之前的很短的一段时间内富有弹性、能够伸缩。这就使得昆虫面对着不断长大的身体和一成不变的“外套”之间的矛盾,它们如果想要长得更大,就必须脱掉以前狭小的旧“外套”,抛弃原来的外骨骼,进行一次蜕皮。

  无论是何种昆虫,无论它们的幼体和成虫之间是否有着显著的区别,它们在变成成虫之前,都要经历这样的蜕皮,这个过程很危险,虽然蜕皮的次数随着物种的不同而有所差异,但都不只有一次蜕皮。每次蜕皮结束后,昆虫或多或少都有一些变化、一些成长,这就是一直以来昆虫让我们感到最为怪异的生活方式——“蜕变”。

  从内到外的重生

  当原来的外骨骼局限了这种成长时,昆虫幼体就会在原有外骨骼的下面重新构造一个新的几丁质外壳,并分泌出消化液,将旧的外骨骼从内部一点一点溶解并吸收利用。当新外壳在旧皮囊下准备好后,旧的外骨骼也已经被消化得很薄了,此时的昆虫幼体应该说拥有了两件“外套”—被消化吸收得所剩无几的旧皮和柔软合体的新衣,到了蜕皮的时候了。

  随着大量空气的吸入和体内液体压力的增加,旧皮的某处被撑开一条裂缝,身着新衣的昆虫从裂缝中脱壳而出。这时,柔软而易发生形变的新外骨骼,在昆虫体内的压力下被撑大到足以容纳成长后的新身体,而后在外界空气的作用下,柔软的外骨骼一点点变硬,颜色也一点点变深,最终定型,成为保护虫体的新盔甲,也成为昆虫进一步成长的新束缚。

  实际上,在整个蜕皮过程中,昆虫是在经历一次“重生”:新的外衣、新的身材,甚至是新的组织和身体结构,都在蜕皮之后展现出来。毫无疑问,这样的“重生”对昆虫来说既是成长的喜悦,也是对未来的憧憬。但是,就像所有创造新生命的过程一样,每次蜕皮的过程也是昆虫们不得不面对危险甚至死亡的过程。

  这就是昆虫的外骨骼,它有很多缺点,也给昆虫带来了很多麻烦;但它作为武装精良的第一道防线,给昆虫带来的利益更是显著。由于外骨骼的存在,昆虫的身体变得坚固,动作变得有力,甚至在这层坚硬的几丁质外壳的协助下,昆虫拥有了所有物种都梦寐以求的生存装备,成为“武装到牙齿”的成功的生命形式。

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