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世上最早的「小農」在這裡!菌蠹蟲與真菌缺一不可的共生農業

活躍星系核
・2020/09/25 ・3244字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/黃尹則|佛羅里達大學博士,現任京都大學博士後研究員。喜歡從共生學的角度來看生物。貓奴。

大約一萬兩千年前,世界各地的人類不約而同地從狩獵、採集的生活型態轉型成遊牧、群聚的農業聚落。農業行為的出現,深深地影響了人類發展的腳步;人口的急遽增長、專業分工的產生(有更多時間去做找食物以外的事情),間接導致社會結構的出現,爾後組成大型聚落甚至是政府。

因此,發展出農業行為是人類演進過程中的重大事件。

但相較於其他生物,其實人類在這場「農業遊戲」中是很晚才加入的玩家。

約一億年前,一群住在樹皮以下、身形不到一公分的小甲蟲就已經開始種植他們的真菌作物。這類甲蟲稱為菌蠹蟲 (Ambrosia beetle),而其真菌作物稱為菌蠹蟲真菌 (Ambrosia fungus)。

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菌蠹蟲和菌蠹蟲真菌之間是一種絕對 (obligate)、互利 (mutualistic) 的共生關係。真菌是菌蠹蟲的唯一食物來源,在沒有真菌的情況下,菌蠹蟲無法存活。而菌蠹蟲是這些真菌在環境中傳播的唯一交通工具,自然界中,菌蠹蟲真菌只存在於菌蠹蟲的棲息環境中。兩者相依相存、缺一不可。

農業行為是人類演進過程中的重大事件。圖/pixabay

絕大部分的菌蠹蟲棲息於新鮮剛死亡或是極度衰弱的的樹木,只有極少數的種類會攻擊健康的樹木(例如造成美國酪梨產業嚴重危害的幾種菌蠹蟲)。

樹木在衰弱時,它們會釋出酒精及其他化學物質,菌蠹蟲就是藉由這些揮發物質來選擇合適的樹木寄主。當先驅的菌蠹蟲飛到合適的樹木上,找到自己喜歡的位置後,便開始用其強壯的下顎 (mandible) 和全身的力量突破樹皮,深入到木質部挖掘出屬於自己的家。

菌蠹蟲的家因為長得很像「隧道」,英文便直接用 gallery 來描述菌蠹蟲的棲所。在挖掘隧道的同時,菌蠹蟲一邊產卵、一邊將共生真菌接種在隧道壁上,當卵孵化時,共生真菌已培養成豐盛的真菌花園 (fungal garden),以提供幼蟲生長發育時所需營養。

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當幼蟲成長、化蛹、再蛻變成新一代的成蟲後,便攜帶其共生真菌,離開隧道去尋找下個合適的樹木寄主。單一世代的生活史大約只需要一到三個月的時間。

菌蠹蟲的隧道 (gallery),成蟲於母隧道,側邊的蛹室內為成長中的幼蟲,隧道壁上白色層為其共生的菌蠹蟲真菌。圖/Jiri Hulcr,佛羅里達大學

如同我們所熟悉的人類農業,菌蠹蟲與共生真菌的演化過程中也包含了「馴化」、「性狀管理」、和「病害控制」等複雜行為。

農業的起點:馴化事件

雖然至今仍無法窺探菌蠹蟲和共生真菌實際的馴化過程,科學家還是能透過基因親緣樹來推斷演化歷史上共發生過幾次「馴化事件」。現今已知的菌蠹蟲約 3400 種,而菌蠹蟲真菌則有 3000 餘種。

事實上,菌蠹蟲並非單一種昆蟲,他們泛指小蠹蟲亞科 (Scolytinae) 和長蠹蟲亞科 (Platypodinae) 內具有農業行為的多個類群。根據小蠹蟲的親緣樹推斷,其演化過程中至少有 12 至 16 次的演化支系 (lineage) 獨立演化 (indepedently evolved) 出農業行為。同樣的,菌蠹蟲真菌也不是單一種真菌,而是一群與菌蠹蟲形成共生關係的真菌。在真菌的親緣樹上,目前已知至少發生了 13 次的馴化事件。

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看到這裡,聰明的你有發現農夫(菌蠹蟲)與作物(菌蠹蟲真菌)間演化次數的不同嗎?沒錯,菌蠹蟲與共生真菌並不完全是一對一的關係。

有些菌蠹蟲只攜帶一種真菌、有些則攜帶多種真菌;有些菌蠹蟲真菌只被一種菌蠹蟲豢養、有些則會出現在不同種的菌蠹蟲的隧道裡。但神奇的是,無論是一對一或者一對多的關係,這樣的共生關係在多數環境中是穩定的(維持一對一或一對多)。他們是如何做到的呢?這就要提到他們精緻的管理模式。

性狀管理

在長達一億年共同演化的過程中,菌蠹蟲和真菌為了彼此的共生關係,各自發展出了精巧的構造。菌蠹蟲為了有效攜帶共生真菌的孢子,在外骨骼上或是在體內「挖」出了一種特殊構造──儲菌器 (mycangium)──來確保每一世代的成蟲所攜帶的真菌都是同一種類,而非環境中其他種隨機的真菌。

科學家透過實驗證明,發現某些儲菌器具有「選擇」正確共生真菌的能力,而某些則具有比較大的彈性能容忍「相近但不同種」菌蠹蟲真菌入住的現象。

菌蠹蟲的儲菌器。圖/You Li,佛羅里達大學

而從真菌的角度來看,首先要先知道,作為傳播用途的真菌孢子體型一般不會太大;裡面所含的養分僅需足夠讓其發芽、長出菌絲,直到找到新的營養來源即可。部份菌蠹蟲真菌在數千萬年的演化過程中,被選擇出能產生不成比例的巨大孢子類型。這些巨大孢子有較多的空間來儲存醣類、脂肪、胺基酸等昆蟲成長所需的營養。

但目前在性狀管理的機制上,例如儲菌器如何維持專一性的共生關係(物理性或化學性?)、菌蠹蟲真菌的營養性狀是如何被選擇的,是目前科學家們尚未釐清的問題。

病害控制:社會性分工與世代交替

與人類的農業相似,菌蠹蟲與其真菌花園也受到許多潛在病害的威脅。這些「病原」可能來自於先驅菌蠹蟲體表上的伺機性微生物(例如非共生真菌、細菌、線蟲、蟎等),還有會獵食菌蠹蟲的天敵昆蟲等。

那菌蠹蟲如何去對抗這些威脅呢?前面有提到,人類因為農業行為的產生,進而發展出複雜的社會結構。同樣的,部份種類的菌蠹蟲也具有社會性特徵:有世代重疊的現象(族群內同時有不同階段的個體)、共同育幼的行為、分工制度。科學家發現,某些菌蠹蟲為了維持隧道內的清潔,幼蟲負責將排遺滾成球狀 (balling)、成蟲將隧道中的木屑、死亡的個體推至洞口 (shuffling)、最後由負責堵住洞口的成蟲將廢棄物排出。同時,這些負責堵在洞口的成蟲肩負了抵擋天敵入侵的責任。此外,當族群內大多數的成蟲離巢或死亡後,其真菌花園很快就被其他伺機性真菌及細菌所污染並且取代,進而導致整個隧道內族群的瓦解。

那菌蠹蟲如何去對抗這些威脅呢?前面有提到,人類因為農業行為的產生,進而發展出複雜的社會結構。同樣的,部份種類的菌蠹蟲也具有社會性特徵:有世代重疊的現象(族群內同時有不同階段的個體)、共同育幼的行為、分工制度。

科學家發現,某些菌蠹蟲為了維持隧道內的清潔,幼蟲負責將排遺滾成球狀 (balling)、成蟲將隧道中的木屑、死亡的個體推至洞口 (shuffling)、最後由負責堵住洞口的成蟲將廢棄物排出。同時,這些負責堵在洞口的成蟲肩負了抵擋天敵入侵的責任。此外,當族群內大多數的成蟲離巢或死亡後,其真菌花園很快就會被其他伺機性真菌及細菌所污染並且取代,進而導致整個隧道內族群的瓦解。

因此,即使菌蠹蟲單一世代的生活史很短(大多僅一至三個月),仍需要家族中所有成員的分工合作才能確保整個族群的延續。

了解菌蠹蟲與真菌共生特性的重要性在哪?

菌蠹蟲與菌蠹蟲真菌的共生關係,不管從生物學的角度或者是應用方面都有很高的研究價值。

生物學方面,由於演化過程中它們多次獨立演化出農業行為,透過比較這些獨立發生的事件,可以幫助我們釐清昆蟲與真菌共生關係是如何開始的。

應用方面,雖然攻擊健康樹木的菌蠹蟲種類很少,但幾乎都造成生態系等級的危害。例如前面提到危害美國酪梨產業的菌蠹蟲,其中一種就是從台灣被引進美國的入侵種。了解菌蠹蟲和共生真菌的生態,將有效幫助我們控制他們所造成的危害。

引用文獻

  1. Johnson AJ, McKenna DD, Jordal BH, Cognato AI, Smith SM, Lemmon AR, et al. Phylogenomics clarifies repeated evolutionary origins of inbreeding and fungus farming in bark beetles (Curculionidae, Scolytinae). Mol Phylogenet Evol 2018; 127: 229–238.
  2. Vanderpool D, Bracewell RR, McCutcheon JP. Know your farmer: Ancient origins and multiple independent domestications of ambrosia beetle fungal cultivars. Mol Ecol 2018; 27: 2077–2094.
  3. Hulcr J, Stelinski LL. The ambrosia symbiosis: From evolutionary ecology to practical management. Annu Rev Entomol 2017; 62: 285–303.
  4. Skelton J, Johnson AJ, Jusino MA, Bateman CC, Li Y, Hulcr J. A selective fungal transport organ (mycangium) maintains coarse phylogenetic congruence between fungus-farming ambrosia beetles and their symbionts. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 2019; 286: 20182127.
  5. Huang Y-T, Skelton J, Hulcr J. Lipids and small metabolites provisioned by ambrosia fungi to symbiotic beetles are phylogeny-dependent, not convergent. ISME J 2020; 14: 1089–1099.
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia
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水、蟲、鳥與地龍,讓你瞠目結舌的 4 種呼吸流派!
活躍星系核
・2020/10/30 ・2729字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/陳敦理

為了適應不同的環境,各種動物發展出五花八門的呼吸構造。你能想像嗎?竟然會有生物利用身體的「皮膚」來呼吸,有的還會用屁股呼吸!

讓我們來一探究竟吧!

「水之呼吸」的動物界傳人:海參用屁股呼吸?

海參生活在海水中,雖然水底可以保持動物呼吸構造潮溼,但是溶解在水中的氧本來就比較少,一旦溫度、鹽分升高時,水中的溶氧又會更少,因此,水中動物的呼吸構造需要具備又強大、又有效的獲氧能力。

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海參的呼吸構造是一對呼吸樹,只是不巧這呼吸樹的開口在肛門附近,一個作為腸道、尿道及生殖道的出口。

海參的排便非常有名又療癒,但你知道嗎?牠的「鼻孔」也在差不多的地方喔!影片/國家地理雜誌 National Geographic Magazine

每當海參身體規律收縮、舒張的時候,海水就會由肛門流入呼吸樹,沿著主幹流到分支,最後在細分支末端的小囊中,體液與海水中的氧、二氧化碳進行交換 。

最佳保養品代言人 4 ni?蚯蚓的「皮膚」會呼吸

在傾盆大雨過後,公園、草地時常會出現積水,我們可以看到不少蚯蚓為了呼吸,從地表鑽出來,這些細長又濕黏的蚯蚓們,並沒有特化的呼吸器官,牠們運用全身的表皮來獲得氧氣。

雖然空氣中有 21% 是氧,蚯蚓卻沒有辦法直接使用,需要讓空氣中的氧溶解在水中,才能讓蚯蚓從中獲得氧分子。

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因此,蚯蚓總是想盡辦法把自己的身體弄得溼答答,除了表皮的黏液腺會產生黏液、背上的小孔會滲出體液,腎孔也會分泌排泄物,不浪費自己身上的一丁點液體,費盡功夫讓自己的表皮保持潮溼。

蚯蚓用皮膚呼吸,總是想辦法把全身弄得溼答答。圖/flickr

當空氣中的氧溶解在潮溼表皮後,接著就會滲透到皮下的微血管,透過血紅素運送到身體細胞,再加上蚯蚓血紅素與氧的結合能力非常高,彷彿就像是讓氧分子搭上血紅素的便車,然後被運送到蚯蚓體內的各個組織。

而蚯蚓體內的二氧化碳,則是相反方向的流程,最後由表皮排出,完成氣體交換。

那為什麼用皮膚呼吸的動物並不多呢?因為多數動物透過身體表面積所能獲得的氧實在不夠全身細胞使用,於是發展出透過特別的器官像鰓、肺等,專門負責氣體交換。

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練就「蟲之呼吸」的奧義:你必須要夠小隻!

你是否曾經納悶過,為什麼昆蟲總是小小的嗎?目前已知的昆蟲中,如南美洲的泰坦大天牛 (Titanus giganteus) 是目前最大的幾種甲蟲之一,體長大約十七公分左右,就幾乎到達了昆蟲體積的極限。

雖然昆蟲擁有心臟,但血液幾乎都是流動在身體各處,讓組織細胞直接浸泡在血液裡,倘若昆蟲體積過大,由於沒有血管,就無法運送強而有力的血液到整個身體。

此外,呼吸構造也是限制昆蟲體型大小的原因。

許多昆蟲像是蚱蜢、螽斯,都是用氣管系統來呼吸,當牠們在呼吸時,空氣會從身體表面的小孔進入,然後沿著體內長條、隨著分支愈來愈細的氣管,漸漸延伸到身體細胞。

藍色部分為昆蟲的呼吸系統。圖/Wikipedia common

在靠近細胞的小氣管內部充滿了液體,可以讓氧氣、二氧化碳進行氣體交換。對氧需求量大的器官附近,還會有氣囊,讓氧的補充更加迅速。

科學家用放射線仔細觀察昆蟲體內構造後發現,比起只有 0.25 公分的甲蟲,體型大小 3.5 公分甲蟲體內氣管系統所佔的身體比例多出 20% 。

也就是說,當昆蟲的尺寸愈大,對於氧的需求也大幅增加,氣管也需要變得更粗、更長。只不過昆蟲體型太大會讓氣管無法裝進腳與身體的連接口,而且氣管系統的氣體運輸效率較低,所以才會限制了昆蟲的體積大小。

好多好多的氣囊,「鳥之呼吸」帶你飛

鳥類的呼吸構造除了肺之外,還有另一個祕密武器——氣囊。

鳥類擁有不只一個氣囊,氣囊彼此合作無間,讓鳥類不管在吸氣還是呼氣的時候,空氣都是朝著同一個方向通過肺,是提升鳥類呼吸效率的一大功臣。

不僅如此,它也可以降低鳥類的身體密度,有利於飛行,甚至能夠讓鳥類肺部氧的最大濃度比哺乳動物還高,更能夠適應在高空飛行。 

鳥類的氣囊不只能提升呼吸效率,也能降低身體密度,幫助飛行。圖/Pexels

氣囊的位置分佈從頸部、腹部到翅膀都有,數目很多有,有八到九個。

當鳥類吸氣時,前方後方氣囊會同時擴張,原本在肺的汙濁空氣擠進前方氣囊,而吸進來的新鮮空氣則進到後方氣囊。等到呼氣時,兩邊的氣囊同時排氣,把後方氣囊新鮮的空氣擠進肺,而前方氣囊的汙濁空氣擠進氣管接著排出體外。

總結

在這個豐富多樣的大自然中,為了適應各式各樣的生存條件,地球生物所發展出的各種身體構造,絕對讓你目不暇給。

比較簡單的生物,像是海綿,身體每個細胞都可以透過擴散的方式進行氣體交換,而其他更複雜的生物,可能就需要特殊的呼吸構造以及循環系統的全力支援,才有辦法完成這艱鉅的任務。

海綿寶寶的朋友珊迪是一隻松鼠,牠需要特殊的呼吸構造、循環系統才能夠完成氣體交換喔!圖/giphy

對人類而言,可能難以想像自己專門用屁股來呼吸,然而,說不定當海參能夠懂得人類是用鼻子來吸入空氣時,也會覺得:「矮哦!人類怎麼那麼噁心!」。

透過這 4 種神奇的呼吸方式,似乎就能讓我們一窺地球生態的迷人與驚奇,讓我們一起在驚呼連連之中,持續探索這個精采又豐富的世界,並且嘗試反思和尋找人類存在的意義與價值吧!

參考資料

  1. Neil A. Campbell, Jane B. Reece. Campbell Biology. Benjamin Cummings.
  2. 蚯蚓的呼吸系統。國立台灣大學動物學研究所無脊椎動物研究室。
  3. 國立自然科學博物館:海參如何呼吸?
  4. 國家地理雜誌:限制昆蟲體形大小的秘密:氧氣。
  5. 地龍:中藥材名稱,也就是我們熟知的蚯蚓。
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昆蟲是用什麼器官呼吸?等等,竟然是「全身」?
彥寧
・2020/07/20 ・3020字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

對某些人來說,昆蟲可能他們避之唯恐不及的可怕小生物,但這些小小昆蟲的身軀中,有著出乎意料精巧的呼吸系統喔!

假如跑去街訪問問題:「動物是怎麼呼吸的呢?」會收到什麼答案呢?

有些比較直觀的小朋友可能會直接了當的回答:「用鼻子和嘴巴!」。

有些很厲害的的人可能會回答:「透過氣體交換,肺和心臟能夠透過循環系統……」完美描述了整套呼吸循環系統

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對動物更了解的人可能會回答:「人是用肺、魚是用鰓,兩生類則是小時候用鰓,長大用肺……」一類一類動物分開討論,不同種類的動物呼吸方式是不一樣的。

不過多數人常常都漏掉了一種類群:昆蟲。

嘿,屬於動物界的昆蟲當然算是動物囉!而且昆蟲綱 (Insecta) 還是動物界中物種數量最多的一個綱呢!圖/GIPHY

昆蟲的鼻子在哪裡?先從構造說起

你可能會有點沒印象,到底昆蟲是用什麼器官在呼吸的。是肺嗎?好像也不是,而且昆蟲好像沒有鼻子。

告訴你,昆蟲其實也沒有肺喔!牠們是透過所謂的「氣管系統」(tracheal system) 來進行全身的呼吸及氣體交換。

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圖中藍色的部分就是昆蟲的呼吸系統喔!圖/Wikipedia common

昆蟲的呼吸系統由氣管 (trachea)、小氣管 (tracheole)、氣門 (spiracle) 還有氣囊 (air sacs) 所組成。所有的空氣都是透過位於外骨骼上的氣門來進出昆蟲的身體,通常都會出現在昆蟲的腹部或側面喔!空氣從氣門進去後,透過氣管不斷分支,最後傳到小氣管,其分支末梢就散佈在體細胞間,而氧氣跟二氧化碳就能透過擴散作用達到氣體交換。

再複雜一點的版本,也就是這些氣體進到微氣管的分支後,微氣管潮濕的表面就能讓氧氣更好的進行擴散作用。氧氣擴散進一旁的體細胞膜後,就能被細胞所使用,而二氧化碳也是如此從體細胞排出的。

和人類不同的是,昆蟲的血液循環系統和呼吸系統是不互相影響的。人類透過心臟將經過肺的充氧血打到全身,來使全身細胞獲得氧氣;昆蟲則是全身的細胞都直接與小氣管相連,因此昆蟲沒有進行氣體交換的肺部。

不過這種呼吸方式,其實對於長距離的氣體運輸效率較低,所以這也是大部分昆蟲體積不大的原因之一。

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所以說,要回答昆蟲到底是用哪裡呼吸,從外骨骼的氣門,到遍布全身的大小氣管,我們可以說,昆蟲們可是用了全身在呼吸呢!

自由開關的氣門

不過你可能會想,所以昆蟲都一直是靠著被動的氣體運輸來維持呼吸的嗎?難道所有的昆蟲都只會呆呆的等空氣自己送進身體裡來嗎?其實也不是這麼回事喔。許多昆蟲的氣門都能透過收縮肌肉關閉,也能透過舒張肌肉使氣門放鬆打開。而氣門的開閉,通常透過中樞神經系統來控制,不過也能被氣門四周細胞中的化學成分所調控。同時,氣門的開關也能調節水分的散失。

昆蟲的呼吸循環示意圖。圖/Eleanor Lutz

不過你可能沒想到,氣門還能拿來吹口哨呢!有些蛾類的幼蟲就能透過開關特定的氣門,再收縮排氣,讓自己的身體像笛子一樣吹出聲音來呢,被推測可能牠遭受獵食時威嚇天敵的手段。

雖說是這樣,但氣門同時也成為了某些昆蟲的一大罩門……

相信很多人都有聽過,肥皂水能夠將許多人恨得牙癢癢的蟑螂輕鬆消滅。這是因為肥皂或清潔劑都屬於界面活性劑,能溶解蟑螂身上的蠟質與油脂,溶解的蠟質和油脂會把氣門堵住,造成蟑螂因無法呼吸窒息而死囉!

由此可見,氣門真的對昆蟲來說十分重要呢!

讓氣管彎曲收縮又不變形的「螺旋帶」

接著,就讓我來說說昆蟲的呼吸系統中比較特殊的構造吧!

過去,科學家認為昆蟲的氣管都像是一條條水管一樣硬邦邦的管子,且認為所有昆蟲都是透過被動擴散作用來呼吸。但實際上,科學家後來才利用 X 光顯微鏡,發現昆蟲的氣管能收縮,而且並不是硬硬的,而且還會藉由收縮肌肉來主動呼吸喔!

既然氣管不是硬硬的,而且能透過主動收縮來呼吸,這樣氣管難道不會因為壓力的問題而變形嗎?

嘿,別擔心,小小的昆蟲體內可是很精巧的!實際上,昆蟲的氣管內皮細胞內側都圍繞著一層名叫螺旋帶 (Taenidia) 的環狀構造,又薄又堅固,使氣管不會塌陷扭曲,且同時可以幫助氣管適當彎曲伸展。

美洲家蠊 (Periplaneta americana) 的 Taenidia 示意圖。實際上每種昆蟲的 Taenidia 型態都不太一樣,甚至是同種昆蟲自己體內就可能有不同型態呢! 圖/參考資料 1

儲存空氣與預備空間:氣囊

最後,你若是再仔細看看上面的昆蟲的呼吸循環示意圖,你會發現有一個個像是氣球一樣的袋子我們還沒提到呢!這個隨著氧氣與二氧化碳的進出放大縮小的袋子,其實就是所謂的「氣囊」。

氣囊不是每種昆蟲都有,但氣囊真的就是個像氣球一樣的構造,與氣管分支們相連接,能夠透過關閉氣門來儲存空氣,而且氣囊是氣管系統中少數沒有螺旋帶的區域,可以很大幅度的折疊伸縮。

當昆蟲處在一個蒸發量高的環境,昆蟲就能將空氣儲存在氣囊,再透過關閉氣門來達到防止水分散失。若是昆蟲在水下環境,那氣囊可就更厲害囉,除了能讓昆蟲在水下呼吸之外,還能夠根據氣囊大小來調整浮力呢!

同時,氣囊也參與了昆蟲們的「蟲生」中,一段非常重要的歷程──蛻皮 (Molt)!

由於昆蟲是靠外骨骼支撐,所以為了長大,就得要將「小舊皮」換成「大新皮」,才能容納自己逐漸成蟲的身體,這種現象我們就稱為「蛻皮」。

不過在還沒蛻皮之前,昆蟲的身體已經逐漸長大,那些塞不下的體積都去哪了呢?實際上,氣囊就給牠們提供了很好的緩衝空間喔!藉由壓縮氣囊騰出空間讓器官成長,同時,當蛻皮結束時,昆蟲就將他們的氣囊盡可能的撐大,讓新長成的外骨骼更大,於是昆蟲就能靠著氣囊與蛻皮不斷的長大啦!

蛻皮是擁有外骨骼的生物長大必經的步驟。圖為《海綿寶寶》中的蟹老闆,牠並不是昆蟲,但甲殼類長大也需要蛻皮。圖/GIPHY

看來,昆蟲的呼吸系統不只有呼吸相關,還與成長息息相關啊!是不是很令人印象深刻呢?

下次若是再有人問你動物是怎麼呼吸的,可別忘記昆蟲啦!這時,你就能向他們介紹昆蟲精妙小巧的氣管系統啦!

參考資料

  1. Matthew R Webster, John J. Socha, Luciano Teresi, Paola Nardinocchi, Raffaella De Vita less (2015).Structure of tracheae and the functional implications for collapse in the American cockroach. Bioinspir. Biomim. 10 066011
  2. 嘎嘎昆蟲網—昆蟲為什麼要蛻皮?
  3. Wikipedia – Respiratory system of insects

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小強求生術(下):人類有辦法打造跟蟑螂一樣「抗壓」的機器人嗎?——《破解動物忍術》
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・2020/03/10 ・2745字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

在前幾年,六足機器人的發展開始出現變革。研究人員對於可動的足式機器人一直都很感興趣,但使科學家的興趣達到巔峰的,是美國國防高等研究計劃署在 2000 年召集數名研究人員參與的特殊會議。

國防高等研究計劃署因資助月球探測而成為著名的政府機構,這些深具野心的探測計畫推動該領域的進展。那年,他們對具有跟昆蟲一樣行動能力的足式機器人產生興趣,高什克的指導教授鮑勃‧弗爾 (Bob Full) 以及密西根大學的電機工程學家丹尼爾‧科德舒克都在場。

六足機器人 RHex 圖/wikimedia

丹尼爾觀看了鮑勃有關蟑螂跋涉過困難地形的影片,因而受到啟發,建造了六足機器人 RHex,大小和體重跟 7 公斤的鬥牛犬差不多。它可以走過石頭、雜草和其他障礙物,全都是以開迴路的方式進行,也就是完全沒有接收周遭環境的回饋,即使沒有眼睛,也能奔跑而不跌倒。

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堅硬與柔軟的結合

在 2009 年,微製程工業與機器人研究結合,建造了一系列的輕量級六足機器人。其中,「動態自主式爬行六足機器人」(Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod,DASH) 是由一張厚紙板做成,僅 30 公克,可以放在手掌心。

這是由加利福尼亞大學柏克萊分校的電機工程學教授榮恩‧費林 (Ron Fearing) 的學生保羅‧柏克梅爾 (Paul Birkmeyer) 所設計的。柏克梅爾與費林使用了一種稱為「智慧複合微結構製造」(smart composite microstructures (SGM) manufacturing) 的技術,將堅硬的零件和柔軟的零件結合在一起,建造出一種複合型機器人。

  • 首先,他們使用電腦畫出一份藍圖,將要切割的地方事先安排在一個平面上。
  • 接著,他們使用雷射切割術在一張卡紙上進行切割,然後將紙對摺,並將一張具有彈性的聚酯薄片夾在中間,再使用黏著劑和加熱的方式讓卡紙和聚酯薄片永久黏附在一起。
  • 最後他們用雷射刀在上面切出洞來,讓它變成可以像立體書一樣彎曲摺疊的平坦形狀。
  • 最終完成的立體造型有六隻腳,只靠一個普通玩具遙控車會用的那種直流小馬達就能致動。

這個機器人每秒可移動自己的一個體長距離,相當於汽車以每小時 16 公里的速度前進,柔軟的外殼也讓這款機器人適於被重新設計成可輾壓的機器人。

DASH 有一個根本問題使它無法被輾壓——它只能被壓到馬達的高度,因為馬達必須是堅硬的。

那時,完全以柔軟的橡膠製成的馬達尚未被發明出來。高什克的創新之處在於他用兩個小一點的馬達來驅動機器人,馬達置於機器人的左右兩側,分別驅動該側的三隻腳。由於每個馬達只需要驅動三隻腳,而非六隻,因此可以比原本的馬達還要小。

全名為「具關節機構之可壓縮機器人」(compressible robot with articulated mechanisms) 的仿生機器人 CRAM 及其自然之師美洲蟑螂。在被壓縮到原本高度的一半下,機器人仍可移動;而蟑螂則能在被壓縮到原本高度的 1/4 時仍保持運動能力。(圖片由高什克‧賈拉雅姆提供。)圖/三民提供

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原版的 DASH 有一個方形底座,是用來固定六隻腳的地方。高什克在機器人的中間位置設計了一個斷裂區,讓機器人可以被往下壓,但又能回彈(如圖)。你可以把它想像成中間有彈簧連接的兩個底座,用手指把它往下壓時,機器人的兩半就會向外展開;把手放開時,機器人就會彈回來。

最後,高什克把一張聚酯薄片摺成可壓縮的外殼,就像摺紙帽那樣,然後將它覆蓋在機器人的上端。他用油來潤滑這個外殼,以減少它與隧道天花板間的摩擦力。

當機器人站立時,可以輕易走在堅硬的地面上。整個機器人只有巴掌大,僅 50 公克重,不過幾顆葡萄的重量。這是可以自主的機器人,電池和電子設備都裝在身上,它的主體是由層壓紙製成,所以可用手拿起、放下、甚至彎折扭曲。

接著,高什克把機器人放進只有它一半高的隧道中,就如他所設計好的, 機器人背部的中間位置可以彎曲,讓它被壓平。然而,彈簧的反作用力大力頂住天花板和地面,產生很大的摩擦力,使機器人動彈不得。機器人掙扎著想把自己往前推,但六隻小腳卻只是對地面又抓又刮,徒勞無功。

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觀察蟑螂爬行,重新修正機器人

把馬達一分為二、讓體節可以變形的設計都發揮了成效, 但現在問題出在腳上,他必須重新設計腳的部分。

原來問題出在腳上!圖/GIPHY

目前,他把腳設計成火柴般的紙造腳,而機器人就靠這些腳走路,但當機器人被壓縮時,這些火柴腳會彎離主體,使腳無法獲得足夠的抓地力。同時,當機器人遭擠壓時,因頂住上下壁而多出來的摩擦力又會阻礙前進,也就是說,腳的姿勢已經很奇怪了,而天花板加壓在機器人身上的力又使得腳必須出更多力才行。

於是,高什克重新觀看蟑螂爬行的影片。蟑螂的腳就跟牠的腹部一樣,是可以折疊的。當蟑螂不受拘束自由奔跑時,腳尖會碰觸地面,然而,在隧道中,牠把腿往外張,就像在劈腿一樣,牠用膝蓋來推離地面,跟我們爬行時一樣。而當蟑螂一離開隧道,儲存在腿部的彈性位能便立刻把蟑螂推回站立的姿勢。

高什克領悟到,機器人的腳也必須設計成可折疊的,這樣無論是站立或壓縮的姿勢,腳都能緊抓住地。他把火柴折成一半,設計出 L 形的腳,接著把連接腳的關節設計得更有彈性。當站立時,機器人會用 L 形的其中一邊走路;當被壓縮時,腳則會向外攤開,使機器人還是可以用 L 形腳的另一邊走路。這個設計使得機器人的腳無論在什麼姿態下,都可以抓牢地面。

未來可壓折機器人,或許還能用在搜救行動中。圖/GIPHY

高什克的可壓折機器人或許可以應用在搜救行動。

地震過後,現場救難人員會希望評估瓦礫堆中是否仍有生還者,問題是瓦礫堆通常十分不穩定,人走在上面太危險了,這時若能派出大量像高什克設計的這類可壓折的小型機器人,裝配著感應器,就能穿梭在各個角落和裂縫來尋找生還者。高什克的機器人大部分是以廉價的材料製成,像是厚紙板和玩具馬達,因此,這種搜救機器人可以被當作消耗品使用,任務完成後毋須設法取回。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia