為了獲取不太可能的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，小到可以坐在鉛筆橡皮擦上的昆蟲(chóng)必須比任何已知生物都更用力地吸吮。
Philaenusspumarius蛙跳用它們的口器刺穿植物，僅以木質(zhì)部汁液為食，木質(zhì)部汁液主要由水組成，流過(guò)植物的內(nèi)部管道。這種物質(zhì)不僅在很大程度上缺乏營(yíng)養(yǎng)，而且還處于負(fù)壓下，類(lèi)似于真空。吸取汁液所需的吸力相當(dāng)于一個(gè)人用一根100米長(zhǎng)的吸管喝水。
對(duì)于這些微小的昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，這樣的壯舉似乎不太可能，以至于一些科學(xué)家質(zhì)疑木質(zhì)部汁液是否真的可以承受這種負(fù)壓。但生物力學(xué)和代謝證據(jù)都表明，蛙跳可以產(chǎn)生大于1兆帕的負(fù)壓，研究人員在7月14日的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B上報(bào)告說(shuō)。
“令人印象深刻。[科學(xué)家們]使用了一系列技術(shù)來(lái)解決一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，”未參與這項(xiàng)工作的布萊克斯堡弗吉尼亞理工大學(xué)生物力學(xué)專(zhuān)家JakeSocha說(shuō)。“這些昆蟲(chóng)非常適合產(chǎn)生”極端負(fù)壓。
這個(gè)問(wèn)題由來(lái)已久，因?yàn)闇y(cè)量負(fù)壓非常棘手。在木質(zhì)部?jī)?nèi)，樹(shù)液像一根繩子一樣被拉動(dòng)，陷入松軟的土壤和通風(fēng)的葉子之間的拔河比賽。用壓力探針刺穿植物很容易打破這種內(nèi)部張力，因此科學(xué)家通常使用更間接的方法。通過(guò)切下植物的一部分并將葉端插入壓力室中，莖伸出，研究人員可以調(diào)高施加在植物外部的壓力，直到它剛好超過(guò)植物的內(nèi)部壓力，木質(zhì)部汁液從莖中滲出.該策略表明木質(zhì)部汁液的負(fù)壓可以超過(guò)一兆帕。
溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的比較生理學(xué)家PhilipMatthews說(shuō)，微小的蛙跳和其他以木質(zhì)部汁液為食的昆蟲(chóng)引發(fā)了對(duì)這些測(cè)量結(jié)果的懷疑。例如，大象通過(guò)鼻子吸取大量水時(shí)(SN：6/3/21)僅產(chǎn)生0.02兆帕的負(fù)壓，與蛙跳相比微不足道。
一些科學(xué)家認(rèn)為“提取這種物質(zhì)在能量上太過(guò)昂貴，[木質(zhì)部壓力]不可能那么負(fù)，”他說(shuō)。“如果[蛙跳]靠這么稀的東西生存，它必須很容易提取。”
Matthews和同事對(duì)懷疑論者持懷疑態(tài)度，他們?cè)噲D通過(guò)兩種方法來(lái)測(cè)量蛙跳的吸吮能力，一種是生物力學(xué)方法，一種是新陳代謝方法。蛙跳通過(guò)頭部的泵狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吸力，肌肉拉動(dòng)膜產(chǎn)生負(fù)壓，類(lèi)似于活塞。通過(guò)對(duì)四種昆蟲(chóng)進(jìn)行顯微CT掃描，研究人員測(cè)量了這些結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和強(qiáng)度，然后使用壓力等于力除以面積的簡(jiǎn)單物理公式計(jì)算出昆蟲(chóng)的吸吮潛力。原則上，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)蛙跳可以產(chǎn)生1.06至1.57兆帕的負(fù)壓。
“很明顯，它們可以產(chǎn)生這些張力，所以它們一定是在這個(gè)水平附近的木質(zhì)部張力下進(jìn)食，”馬修斯說(shuō)。“除非你使用它，否則你不會(huì)進(jìn)化出如此巨大的容量。”
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算蛙跳吸食豆類(lèi)、豌豆或苜蓿植物時(shí)消耗的能量來(lái)驗(yàn)證這一更抽象的估計(jì)。這種能量應(yīng)該與昆蟲(chóng)在植物中必須克服的壓力成正比。通過(guò)將覓食的蛙跳放入測(cè)量排出的二氧化碳的室內(nèi)，研究人員可以計(jì)算出這些昆蟲(chóng)的代謝率。該團(tuán)隊(duì)還使用攝像頭追蹤蟲(chóng)子排泄了多少液體。
研究人員發(fā)現(xiàn)，一旦蛙跳開(kāi)始吸吮，它們的新陳代謝率就會(huì)比靜止時(shí)高出50%到85%，而且這些昆蟲(chóng)的排泄物比靜止時(shí)更多。馬修斯說(shuō)，這種努力“就像跑馬拉松”。“他們移動(dòng)了大量的液體......如果蟲(chóng)子是人那么大，它們每分鐘會(huì)撒尿4升液體。”
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