2009年12月13日

數不盡的昆蟲資源—從昆蟲的體表談起

作者/朱耀沂(台灣大學昆蟲系名譽教授)

昆蟲屬於無脊椎動物,不同於包括人在內的脊椎動物。脊椎動物有脊椎骨,以它為主軸,向外長出一些支骨,並以皮膚包住身體所有的骨頭,這些被皮膚包裹的骨頭稱為內骨骼;而沒有脊椎的昆蟲,包住身體的皮膚兼具骨頭的作用,因此牠們的皮膚叫做外骨骼。

由於昆蟲需要外骨骼來支持身體,多數昆蟲都具有堅韌的外骨骼,獨角仙、鍬形蟲等甲蟲的外骨骼尤其堅硬;而蠶寶寶雖然看來身體柔弱,其實體皮很有韌性,用手拉不斷。這種以外骨骼包住整個身體的構造,在工程學上叫做單桿構造,雖然它不適合支持龐大的重量(所以昆蟲無法變成一隻貓那麼大),但卻有相當程度的抗扭、抗曲性。高速飛行的飛機、疾走的汽車等就是採用單桿構造,裡面沒有柱子;昆蟲也一樣,以單桿構造的身體發揮奇佳的運動能力。

到底外骨骼是如何形成的?簡單地說,昆蟲的皮膚由外而內,分別由表皮、真皮、基底膜所組成,其中表皮又分成外表皮及內表皮,占昆蟲皮膚的大部分,負有支持身體的功能。表皮的主要成分是幾丁質(chitin)與骨質(sclerotin),幾丁質為具有彈性的多醣蛋白質,是節肢動物與蕈類細胞壁中,強化生物結構的基本物質之一,由於幾丁質的物理及化學特性穩定,不易受各種因子的影響而分解,所以在上億年前的地層中,我們仍可以發現一些昆蟲的化石。幾丁質的另一特點為生產量多,據估計,每年地球上的幾丁質產量多達100億公噸,相當於纖維質的生產量(纖維是極重要的生物資源,廣泛應用於紡織、造紙等)。

雖然幾丁質不易產生物理及化學變化,尤其不溶於水,不易直接利用,但經由去乙醯化反應(deacetylation )所得到的幾丁聚醣(chitosan),可溶解於一些酸性液,再加上它是種高分子的電解物質,目前幾丁質已被用作處理廢水的凝集劑,或處理汙泥的脫水補助劑、土壤改良製劑等。此外,由於幾丁質到底是來自生物體的材質,容易被體內的酵素作用自然分解,具有活體親和性,會刺激傷口周邊細胞的發育,促進傷口癒合,因此近年來更用在外科縫合線、人造皮膚之製造等醫療上。

目前幾丁聚醣都來自螃蟹、蝦等容易取得大量原料的甲殼類動物,不過這些水棲性動物的幾丁聚醣,並不同於昆蟲表皮的幾丁質。若積極開發昆蟲的幾丁質,或許可以得到不同特性的幾丁聚醣,提高現有幾丁聚醣的利用價值,甚至開闢出新的利用領域。

除了保護身體的主要功能外,昆蟲外骨骼因其表面構造之不同,而呈現不同的體色。昆蟲將這些體色用作保護色、警戒色或尋偶時的識別等,目前已知體色依其呈色機制可分為化學色、物理色(構造色)和複合色。化學色指的是水平的外表皮,利用直皮細胞內累積的各種色素而呈現不同的體色,大多數昆蟲的體色屬於此類。物理色即利用凹凸不平的外表皮,透過光線的曲折呈現金屬性光澤,並且隨著我們看它的角度而改變顏色,例如多種吉丁蟲、分布於南美的太陽蝶。而所謂的複合色,則是同時利用直皮細胞內的色素和凹凸不平的外皮來呈現體色,鳥翼蝶的翅膀即是如此。【更詳細的內容,請參閱第480期科學月刊】

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