立即下载 知乎日报 每日提供高质量新闻资讯

为什么昆虫可以做到那么高速的振动?

图片:Waza_67 / CCO

苏澄宇,动物科学 / 动物营养 / 冷门问题收割者

许多昆虫能举起自身体重 20 倍以上的重物,比如犀牛甲虫。

有些则可以跳的很远。

这是因为它们的能量输出相对它们自身质量来说是很高的,输出能量的来源正是肌肉。

那昆虫的肌肉和脊椎动物的有什么区别呢?


脊椎动物既有平滑状的,也有条纹状的。

而昆虫不一样的地方在于,它们所有的肌肉都是条纹状的,体内无真正的平滑肌,但条纹的数量变化很大。这些肌肉细胞聚集在了一起成了肌肉见为,然后才形成功能单位 -- 肌肉。

我们都知道昆虫是分节的动物,节肢动物的“节”就是这个意思。自然,它的肌肉系统也是分节的系统,而且各分节的肌肉有相似的排列方式,所以昆虫的肌肉数量要比哺乳动物多。

昆虫的肌肉数量因种而异,比如蝗虫的肌肉约有 900 条[1]

蝴蝶幼虫的肌肉约有 4000 条。相比之下,人类大约只有 650 块肌肉,根本不够比。

肌肉的力量和它的横切面成正比,因此能被肌肉牵动的质量和肌肉体积成正比。

由于昆虫肌肉系统的杠杆原理比人类肌肉有效,所以小型昆虫依靠肌肉完成的一些机械动作能使人类望尘莫及。

假若跳蚤和人体一样大小,则它借助于侧板弹力弹跳的高度比人的弹跳要高 300 多米;

假若蚂蚁的体积和人体一样大小的话,就可以拉走几吨重的物体。

当然,这些例子只是理论上的比较,因为体积带下是一个限制因素,所以不能理解成已表明确有如此潜力。

至于你想知道为什么不会有人那么大的蚂蚁,那是因为异速增长的缘故,详见我另一个回答:

为什么电影中的巨兽不可能存在?


昆虫肌肉的分类

它们的肌肉主要分为 4 种类型[2]

1、内脏肌 Visceral:内脏肌围绕着腔体的各种管道,产生定向的波动或蠕动,以及推动物质从一处到另一处。

2、节部肌 Segmental:节部肌引起节段伸缩,有利于脱皮、气体交换、体压增加以及无足虫体的爬动。

3、附肢肌Appendicular附肢作为一个被动单位,是通过着生在背板、腹板上面且伸入基节的肌肉(附肢肌)进行的。虫体的每节活动都是由前一节内的肌肉控制的。

4、飞行肌 Flight:所有肌肉中,飞行肌是最特色的,其中一种类型叫同步肌,神经每冲动一次,它便产生一次收缩。由于同步肌(synchronous muscles)[3]的限制而降低了翅的拍动速度,最大速度 30~30 次 / 秒,多数是 5~10 次 / 秒。

另一种类型叫异步肌(asynchronous muscles[4],高度特化昆虫如苍蝇中就有这种肌肉,它具有比同步肌更快的收缩节律。有些蚊子的翅膀拍动速度可达 500~1000 次 / 秒,这样高速产生的空气振动足以使人听到“嗡嗡嗡……”

正是因为异步肌的存在,所以有些昆虫可以做到非常高的振翅频率。

异步肌具体而言是指在电刺激和机械收缩之间没有一对一关系的肌肉。 怎么理解这句话?就是这类肌肉的收缩机械频率远大于运动神经元发出冲动的频率,而且收缩频率和运动神经冲动频率也不相关。 通常情况下,机械收缩的速率比运动神经元发出的电信号要大 10 个数量级[5]

神经信号不是直接控制异步肌的产生,而是使[Ca2 + ]维持在一个临界值以上,进行拉伸激活[6]

虽然它们在高频率下获得更大的力输出和更高的效率,但由于它们依赖于机械拉伸,应用范围有限。这些肌肉在 75% 的飞行昆虫中都有发现,并且已经进化了 7-10 次。正是进化,才使得异步肌在高收缩频率下具有高产力和高效率。

如此快速的肌肉收缩当然消耗大量能量,一般每克肌肉的每小时耗量约为 1 千卡,这比人类体力运动所耗能量大 10~20 倍[7]

当然能量来源于葡萄糖或质放,后者的能量效率很高,为前者的 8 倍,尤其是对于飞行昆虫而言,脂肪是通用的物质。这些食物源提供必须能量占肌肉体细胞体积 40%的线粒体中进行,将 ADP 转换为 ATP[8]

扫描二维码下载知乎日报

支持 iOS 和 Android
二维码下载知乎日报
阅读更多 卖猪肉里的学问 下载 「知乎日报」 客户端查看更多