為什麼蟲子就不能再大一些呢？
利維坦按：在斯蒂芬·J·派因《火之簡史》一書中寫到了一個很有趣的細節：氧氣大約在1.5億年前逐漸穩定在了21%，派因認為這是生命的進化所得到的結果——在此之前，地球的石炭紀和二疊紀期間，氧氣有可能增加到大氣含量的35%，作者為我們描述了因氧氣比重過高而使生物患巨型症的可能：「甲蟲像小狗那麼大，蜻蜓像烏鴉那麼大」。
呵呵，在21%氧氣含量的世界裡，我們估計不會看到狗一樣大小的甲蟲了，但並不妨礙今天聊聊「呼吸」這個話題……
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文/Aatish、Robert
譯/遊俠兒
校對/小趙
原文/noticing.co/how-insects-breathe/
來源： Aatish 利維坦
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我們來聊聊呼吸這件事，對，也就是你一直在做的事情（如果你沒有，那我們想你應該就看不到這篇文章了）。當然，呼吸就是自然發生的，你不用想太多。但如果仔細思考的話，你會發現這個星球上有各種各樣的動物，以最直觀的方式叫、咬和爬行。它們的呼吸方式和我們不同，而且大相徑庭，我們仍舊沒有弄清楚它們到底是怎麼做到的。
我們只知道，這些生物吸入空氣並獲得氧氣的方式非常驚人。所以我的話題是：神秘的呼吸者。
我們先從大家熟悉的部分開始。看一下由優秀的插畫家艾莉諾·魯茨（Eleanor Lutz）繪製的人類呼吸的動圖：
正如你看到的，我們人類吸氣時，肺下方的肌肉，即隔膜會降低。 隔膜向下時，空氣被吸入；當它向上推時，空氣被擠出。所以實際上我們體內相當於有一個泵，將氧氣吸入身體，並排出二氧化碳。
但如果你是一隻鳥呢？鳥類（我們之前不知道）呼吸的方式與此不同：
鳥類沒有隔膜，它們是通過會膨脹和收縮的袋狀器官來吸入/排出空氣，這種器官我們稱之為氣囊，這使得它們需要通過肺部來呼吸。
現在我們來看一隻蚱蜢，你有發現什麼不同之處嗎？
沒錯，它是有氣囊來幫助其呼吸，但要注意它沒有用專門的器官來吸入/排除氣體，比如嘴、鼻子、耳朵或肛門。它沒有明顯的呼吸口，這怎麼可能呢？空氣是從哪裡進入其體內的呢？
好吧，奇葩的答案來了：事實證明，蚱蜢是用全身呼吸的。艾莉諾用圖來解釋了這一回答，她將整個蚱蜢沖洗成了黃色。但我們討論的不僅僅是蚱蜢。
昆蟲（也同樣是地球上大多數的生物）沒有肺。在某種意義上，它們整個機體就是肺。你可以將每一個昆蟲都當做是一個會走、會飛或會跳的肺。
這就是它呼吸的方式了。如果拿一把放大鏡觀察昆蟲的表面，你會發現任何一種昆蟲表面都布滿了名為氣門的小洞。以毛毛蟲為例：
圖片：網路相簿/知識共享
看到她身體中部那些橙色的，有點像眼睛的小卵形體了嗎？我們再近看一下其中一個：
圖片：網路相簿/知識共享
再近一點……
圖片：網路相簿/知識共享
這實際上是一種空氣閥，叫做氣孔。毛毛蟲可以打開或關閉它的氣孔來吸入或排出空氣。如果你有透視眼或者一把解剖刀（或者你足夠幸運，能夠偶然發現一隻這樣完全透明的毛毛蟲），你會發現這些孔連成了一張迷宮般的導管網路，稱為氣管，一直延伸到昆蟲體內：
圖片：吉姆·科爾多瓦，埃尼奧·卡諾
氧氣通過這些氣孔進入昆蟲體內（你可以看到那些開口，即毛毛蟲身上那一條看起來像地鐵站的發光點），然後飄入錯中複雜的氣管中，氣管會不斷分支，越來越小，直到最後到達極小的尖端，氧氣才結束它的分支旅途，到達昆蟲的細胞。
與此相反，我們的身體有一套循環系統，可以將血液壓入肺部獲取氧氣，然後再傳輸到細胞中。但在昆蟲體內，血液不參與氧氣的傳輸過程，相反，氧氣一直是漂浮著送到細胞中去的。
為了保持體內通風，大一點兒的昆蟲必須積極地吸氣和呼氣，正如你看到的，活動它們的腹部肌肉：
圖片：艾莉諾·魯茨
但再小一點兒的昆蟲幾乎不移動，它們以一種更懶惰的方式呼吸。它們無需活動身體，只用打開它們的氣孔，坐在那兒，就像打開客廳的窗戶一樣，然後就等著空氣飄進體內。
等一下！等一下！
我們是在寫一篇關於呼吸的文章。感覺呼吸應該是一種物理行為，你的身體要做的事情，不僅僅是打開身體的氣孔，然後想著「進來吧」。它不能這麼被動。
而且，阿提斯（Aatish，他擁有物理學博士學位）說，如果你了解一點有關空氣的物理學知識，你就有充分的理由認為這種飄入式的呼吸（只打開氣孔，靜等空氣進入）非常令人費解，所以我們有必要……
簡單聊一下氧氣
（擁有物理學博士學位的讀者可以直接跳過下面這一部分了）
阿提斯：來，羅伯特，請閉上眼睛。
羅伯特：為什麼？
阿提斯：按我說的做吧。
羅伯特：好吧，閉上了。
阿提斯：現在我想讓你想像一下，氧氣在你周圍的空氣中漂浮。
羅伯特：好的……
阿提斯：告訴我你想像到了什麼。
羅伯特：嗯……
羅伯特：我看到一個分子。兩個氧原子結合在一起，它們呼嘯而過，就像從窗戶那邊吹到我的脖子上，然後……我不知道……它們在我的脖子上彈跳，從我這裡跳到……你那裡，跳到你耳朵上。
阿提斯：啊。
羅伯特：啊，怎麼了？
阿提斯：所以你在描繪氧分子在空間中呼嘯而過，在牆上反彈的過程。也就是說，它們不僅可能會和我的耳朵相撞，還會與空氣中的其他分子相撞。
羅伯特：是的，我就是這樣想的……
阿提斯：不是這樣的。
羅伯特：不是嗎？
阿提斯：事實完全相反。如果現在將你周圍的空氣放大，你會發現……
一個非常擁擠的空間……空氣中擠滿了分子，我們的氧分子幾乎無法移動。它只要一動，就會碰到一個鄰居，若隨意地左蹦又跳或上躥下跳（到處彈跳），就會碰到其他的鄰居。你能猜到一個氧分子一秒鐘內會製造多少次碰撞嗎？就一秒鐘？
羅伯特：我不知道。
阿提斯：你還閉著眼嗎？
羅伯特：是的。
阿提斯：60億次。
羅伯特：天哪！
阿提斯：是的！它們會和鄰居有60多億次碰撞，所以一個自由漂浮的氧分子幾乎哪都去不了。我了解到，一個氧分子在撞到另一個分子，並能隨機遊走之前只能移動80納米，也就是8/1000000厘米（3/1000000英寸）。
羅伯特：所以？
阿提斯：所以空氣的結構並不鬆散空洞。正相反，在分子層面上，它更像是厚厚的冰沙。就像你需要吸入你喝下的東西。常識告訴我們，不能只靜等空氣飄入，你需要將它拉進來。
如果真是這樣，那這些小動物是怎麼呼吸的呢？
這個嘛……
圖片：亞倫·波梅蘭茨
螞蟻、蚊子和甲蟲呼吸不用吸入或抓住空氣，但它們不脈衝身體怎麼能呼吸呢？
「你問的這個問題也讓我非常困擾，」喬恩·哈里森說道。喬恩是一個科學家，已經研究昆蟲呼吸和生長問題很多年了。
事實上，我們還沒有弄清楚。哈里森和他的同事仍在努力了解有多少種昆蟲是靠氧氣飄入身體（被動呼吸）來呼吸的，多少種昆蟲是通過脈衝他們的身體（比如蚱蜢）來呼吸的。
喬恩認為所有的昆蟲在緊急情況下都可以被動呼吸。在沒有氧氣的情況下，大多數昆蟲完全可以活動幾小時而不死。他見到過動物從活躍變為安靜狀態，直至看起來完全像死亡的狀態，然後又奇蹟般地迅速恢復活力。
插畫：羅比特·克魯維奇
喬恩說：「昆蟲不移地也可以呼吸的證據是，你把一個昆蟲放在完全沒有氧氣的空氣中，比如說哺乳動物，這可能會殺死它們。它們會完全癱瘓，但當你把它們放回正常的空氣中時，它們都會蘇醒過來。大多數昆蟲在沒有氧氣的情況下可以存活2到6個小時，非常酷。」
「現在我們通過X射線知道，當發生上述情況時，它們內部完全癱瘓，所以它們的心臟不再跳動，體內什麼都不會移動，但它們會恢復過來的。而且我們知道了在這些情況下，它們通過空氣純粹的擴散和漂浮得到了足夠的氧氣，至少可以重啟體內系統，這是一個被動過程。」
插畫：羅伯特·克魯維奇
喬恩甚至在他的實驗室里做實驗，他們給昆蟲注射了麻醉劑，這樣它們就暫時癱瘓，不能移動，但卻可以正常的呼吸。
但是喬恩說，這是重要的警告，多數昆蟲大部分的時候不會用這種被動的方式呼吸。關於非常小的昆蟲是如何呼吸的這個問題，人們並沒有很多研究。但進行過的為數不多的研究發現，小昆蟲在呼吸的時候，它們的內髒的確也在脈衝著。換句話說，喬恩認為，從生物學角度看，雖然昆蟲不移動也可以呼吸（如果它們被困在沒有氧氣的房間內，或者癱瘓了，也能存活數小時），但大多數昆蟲是不會選擇這樣生存的。
喬恩說：「想要回答生物學上這個非常有趣而且很寬泛的問題，極其困難。有很多疑難問題，我們需要年輕的孩子對這個感興趣，幫助我們解決這些問題。」
但是當小昆蟲被動呼吸的時候，他認為他知道它們是怎麼做的。我們以這隻藍色的斑蝥為例：
圖片：網路相簿/知識共享
如果你超近距離的觀察這隻甲蟲身體，你會發現它堅硬、發亮的外骨骼上面有小孔，和我們之前在毛毛蟲身上看到的一樣。
圖片：網路相簿/知識共享
那些是它的氣孔，它就是通過這些空氣孔呼吸的。空氣通過這些孔進入甲蟲的呼吸管（它的氣管）。
下面是其中一隻氣孔放大後的樣子：
圖片：網路相簿/知識共享
我們可以更近距離的觀察一下氣孔裡面發生的事情，讓我們縮小到空氣分子的大小，在微觀洞穴里逛一下。
呼吸只是讓氧氣進入內部飢餓細胞的一種途徑。然後細胞可以利用氧氣分解食物分子，從而獲取它所需的能量。
下面就是我們的氣管。空氣從左側進入。入口進入一點的地方，有一個飢腸轆轆的細胞正期待著吃氧氣大餐。我們再深入半英寸，還會發現另一個差不多餓的細胞，大家都等著開飯呢。我們將氧分子都塗成了紅色：
圖片：網路相簿/知識共享
就像我們上面已經看到的，空氣是一杯濃稠的分子湯。當新鮮的氧氣供應進入甲蟲體內時，這些紅點就會隨意流動，每一秒撞到的鄰居數量和地球上的人類一樣多。所以，它們進展緩慢也毫不奇怪。
如果道路上沒有東西，那氧分子在一秒鐘就可以前進半公里。但要跌跌撞撞地穿過這些擁擠的分子，同樣的時間內它只能走一厘米。
好了，說的挺多了，該吃午飯啦！看看會發生什麼吧：
插畫：阿提斯·巴蒂亞
不出所料，接近表面的細胞可以吃飽氧氣，而裡面深一點的細胞吸收的氧氣就少很多，因為分子無法及時到達。不幸的是，深處的細胞可能會挨餓，然後死亡。
啊！所以呼吸和代謝是會影響昆蟲大小的
這就解釋了你隨處可見的某些現象了。
那些用它們整個身體被動呼吸的動物通常都很小。想想黃蜂、蜜蜂、螞蟻、家蠅、蚊子、蟎蟲、蜈蚣和甲蟲。你見過6英寸（15.2厘米）大的家蠅嗎？絕對沒有！
圖片：羅伯特·克魯維奇
這些昆蟲都沒有超過幾英寸，為什麼呢？
因為它們不能再大了。空氣分子很難四處遊走，昆蟲的被動呼吸系統只能在很短的距離內起作用。所以昆蟲註定要縮短它們自己。如果它們長得再大一點，它們身體內部的細胞就會因為缺氧而挨餓。
如果人類和昆蟲一樣用氣管，而不是用肺呼吸，那我們身上就要布滿氣孔了。而且空氣不能深入我們體內，我們就必須變得很小很小。
圖片：羅伯特·克魯維奇
所以生物的呼吸方式會限制它們的大小。當然，這也解釋了為什麼你永遠不會遇到這樣的情況（能自主呼吸的我們，當然不用怕長高啦）。
圖片：公共領域
除非你在約3億到3.6億年前的石炭紀時期就生活在地球上，你可能會看到大得嚇人的昆蟲（這個我們也不知道）。不會像這種遠洋怪物家蠅這麼大，但那裡有石炭紀蜻蜓的化石。它們看起來和今天的蜻蜓一樣，有相同的翅膀、相同的外貌，但那時候，它們大概有將近3英尺（0.9米）那麼大。
圖片：羅伯特·克魯維奇
這不是開玩笑，看看這個化石……
圖片：維基百科/知識共享
我們現在正在談論的這個動物叫做巨脈蜻蜓（Meganeura），它不僅有巨大的翅膀，體型也相當於現代的海鷗那樣大。
那裡也有像蜘蛛的生物，腿跨度近20英寸（50.8厘米，此處應有尖叫聲）；蠍子有兩英尺（60.9厘米）多，幾乎是你遇到過的蠍子的十幾倍。最瘋狂的可能是一隻千足蟲（對，千足蟲），稱為遠古蜈蚣蟲，它可以長到8.5英尺（2.59米）那麼長。
圖片：捷克地質調查
放心，它不食肉，它喜歡植物。
這些生物怎麼能長這麼大呢？原來是那時候的空氣成分不同。那時，世界上密布森林和沼澤，氧氣水平上升到驚人的35%（與今天大氣中的21%相比）。所以如果你是巨大的千足蟲表面的一個小氣孔，那就會有大量的氧氣飄進你的氣管。下面可能就是你體內的狀況。
插畫：阿提斯·巴蒂亞
現在那裡有更多的氧分子流入，而且碰巧大部分都能穿透到更深處。這也就意味第一個細胞得到了它所需的所有氧氣，而第二個，即更深一點的細胞也吃飽了，它不會死亡。所以動物能夠供養深處的細胞，就長得更大。
這就解釋了為什麼那個時期會有那麼多巨型動物，因為它們得到了更多的氧氣，不影響細胞的生長和代謝。
想想這個：通過想像無形的空氣分子擁擠、狂熱和急速的移動，可以部分解釋為什麼昆蟲都這麼小，這個自然界中看似任意的模式，即空氣中的成分塑造地面上生物的體型，這是多麼奇妙，多麼不可思議啊！
有誰想得到呢？
※2016「光明杯」科技傳播獎獲獎者VCR
※遊客發現大肚子的螞蟻 有人卻一口生吞了螞蟻
※橫著走的螃蟹真厲害 居然能在水中霸王鱷魚口中逃生
※世紀「超級月亮」將現身 「臉紅」可能性不大
※虹膜識別技術：造福大眾近在咫尺
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※被這蟲子咬過，就不能吃肉了？
※這些蟲子看著瘮得慌，可是都能吃？你吃過幾種呢
※你害怕蟲子嗎？蟎蟲也是蟲子，你應該怎麼驅走它們呢？
※再漂亮的花卉有蟲子也不能忍，還好用這幾招就能輕鬆消滅！
※想補鐵嗎？來吃蟲子吧 蟲子可能比肉更好一點
※嚇死了！這種蟲子正在入侵加拿大，被咬一口就永遠不能吃肉了！且無葯可治
※如果你不小心被這超毒的小蟲子咬到，下半輩子恐怕都不能再吃肉了
※這種蟲子蟄你一次疼三天，不僅能入葯還能作為下酒菜
※這蟲子看似可怕 吃了強腎又抗癌 你敢吃嗎？
※這些蟲子太噁心？但是你每天都可能會吃到
※被這種蟲子咬一口，你這輩子就別想吃肉了！
※【有問有答】播種還沒出芽，可發現土裡有蟲子，怎麼破？同一盆的金錢木，怎麼狀態差很多？這是怎麼了？不軟也不像黑腐
※吃肉上癮嗎？如果你被這蟲子咬到，下半生就別想著再到吃肉了！
※那些就生活在你我周圍的蟲子，看起來是不是細思極恐？
※你以為灰蟲子不能嘿咻？其實這個無垢者能讓彌桑黛更享受
※你以為你擠得出來是只是黑頭？錯！也有可能是這種蟲子！
※這6種蟲子都不知道，怎麼能養好花？
※你可不要小看了這些小東西，隨便灑在花盆裡就能把蟲子都趕跑了
※被這種蟲子咬一口，這輩子就對肉說再見了！