2010年2月9日

數不盡的昆蟲資源─從昆蟲的運動功能談起

作者/朱耀沂(台灣大學昆蟲系名譽教授)

前一期(2009年12月號)談過昆蟲的外骨骼具有保護作用。外骨骼另有一個很重要的功能,即提供肌肉的附著點;正如具有內骨骼的脊椎動物,其肌肉的兩端皆附在骨頭上。兩者最大的差異在於脊椎動物身體各部位的扭轉彎曲,都由肌肉的伸縮來操作關節,但昆蟲體內並沒有相當於關節的構造。已知關節轉動時必然發生摩擦,且轉動部位越小,產生的摩擦越大,昆蟲這種小型動物若靠關節運動,將會因為摩擦力過大而無法走動。因此,昆蟲的肌肉兩端附在上下或左右外骨骼的內側,利用肌肉的伸縮,運作外骨骼而活動。

上述這種運動方法對昆蟲而言是很有效率的,例如美洲蜚蠊能以每秒50公分的速度疾跑。而獨角仙、螞蟻步行時秒速雖只有1~5公分,但牠們的力氣大得驚人:體重0.1公克的螞蟻可以拉動牠體重50倍的東西,體重5公克的獨角仙可以拉動牠體重100倍的東西,若是有適合的地方扣爪出力,牠還能拉動體重2000倍的東西,相當於70公斤的人拉動140公噸的物品。由此可知,附著於外骨骼的肌肉力量有多麼強大。

談到昆蟲的跳躍力,我們往往最先想到一躍可及30公分高的跳蚤,此高度約為牠體長的200倍,相當於一般身高的人可跳350公尺(如此只跳11 下,就可到達玉山山頂)。跳蚤這種超級的跳躍力,主要來自搏動翅膀用肌肉中的一種特化蛋白質。

昆蟲飛翔能力之佳是牠們處於今日繁榮地位的重要因素之一。先從牠們一秒中的搏翅數來看:紋白蝶為10次,家蠅為100~150次,蜜蜂為200次;對照世界最嬌小的鳥——蜂鳥的搏翅數50次,即知昆蟲的搏翅數是如何地多。昆蟲之所以能高頻率的搏翅,關鍵在於飛翔用肌肉直接附著在外骨骼內側,藉由這樣的機制,牠們能做到快飛、慢飛、定點滯飛、退飛、急轉彎等各種特技。至於飛行時速,家蠅為8公里,蜜蜂為20公里,胡蜂、蜻蜓為40公里,而晏蜓、勾蜓之類必要時能以100公里以上的時速飛翔。值得一提的為,蒼蠅飛翔時的能量消耗量是蜂鳥靜止時的100倍,對照人類全力奔跑時的消耗量是休息時的15倍,更可看出蒼蠅之特殊。至今我們還不知道蒼蠅為何在需要時可以提高能量消耗率,若是能了解此機制並應用於我們的身體上,必可刷新多項競賽紀錄。

胡蜂(虎頭蜂)是肉食性的蜂類,工蜂為了養育巢中的幼蟲必須出獵,捕捉一些毛毛蟲等小昆蟲回巢,為了狩獵,一天的飛翔距離常到20公里。我們人類一天走20公里的路算是相當辛苦,對體長2~3公分的胡蜂而言,這20公里相當於我們走上幾百公里的路。根據專家的研究,胡蜂的能源來自工蜂餵食幼蟲時,幼蟲所分泌的以數種胺基酸為主成分的分泌物。因此有人參考其成分,開發出一種名為「VAAM」(Vespa Amino Acid Mixture)的運動飲料。在一項小白鼠的試驗中, 供飼VAAM 的小白鼠游泳耐久的時間為未供飼小白鼠的1.5 倍,且其游泳時血液中乳酸含量的上升度及血糖的下降度,皆比未供飼者低。【更詳細的內容,請參閱第482期科學月刊】

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