为什么虫子就不能再大一些呢？
利维坦按：在斯蒂芬·J·派因《火之简史》一书中写到了一个很有趣的细节：氧气大约在1.5亿年前逐渐稳定在了21%，派因认为这是生命的进化所得到的结果——在此之前，地球的石炭纪和二叠纪期间，氧气有可能增加到大气含量的35%，作者为我们描述了因氧气比重过高而使生物患巨型症的可能：“甲虫像小狗那么大，蜻蜓像乌鸦那么大”。
呵呵，在21%氧气含量的世界里，我们估计不会看到狗一样大小的甲虫了，但并不妨碍今天聊聊“呼吸”这个话题……
文/Aatish、Robert
译/游侠儿
校对/小赵
原文/noticing.co/how-insects-breathe/
我们来聊聊呼吸这件事，对，也就是你一直在做的事情（如果你没有，那我们想你应该就看不到这篇文章了）。当然，呼吸就是自然发生的，你不用想太多。但如果仔细思考的话，你会发现这个星球上有各种各样的动物，以最直观的方式叫、咬和爬行。它们的呼吸方式和我们不同，而且大相径庭，我们仍旧没有弄清楚它们到底是怎么做到的。
我们只知道，这些生物吸入空气并获得氧气的方式非常惊人。所以我的话题是：神秘的呼吸者。
我们先从大家熟悉的部分开始。看一下由优秀的插画家艾莉诺·鲁茨（Eleanor Lutz）绘制的人类呼吸的动图：
正如你看到的，我们人类吸气时，肺下方的肌肉，即隔膜会降低。 隔膜向下时，空气被吸入；当它向上推时，空气被挤出。所以实际上我们体内相当于有一个泵，将氧气吸入身体，并排出二氧化碳。
但如果你是一只鸟呢？鸟类（我们之前不知道）呼吸的方式与此不同：
图片：艾莉诺·鲁茨
鸟类没有隔膜，它们是通过会膨胀和收缩的袋状器官来吸入/排出空气，这种器官我们称之为气囊，这使得它们需要通过肺部来呼吸。
现在我们来看一只蚱蜢，你有发现什么不同之处吗？
图片：艾莉诺·鲁茨
没错，它是有气囊来帮助其呼吸，但要注意它没有用专门的器官来吸入/排除气体，比如嘴、鼻子、耳朵或肛门。它没有明显的呼吸口，这怎么可能呢？空气是从哪里进入其体内的呢？
好吧，奇葩的答案来了：事实证明，蚱蜢是用全身呼吸的。艾莉诺用图来解释了这一回答，她将整个蚱蜢冲洗成了黄色。但我们讨论的不仅仅是蚱蜢。
昆虫（也同样是地球上大多数的生物）没有肺。在某种意义上，它们整个机体就是肺。你可以将每一个昆虫都当做是一个会走、会飞或会跳的肺。
这就是它呼吸的方式了。如果拿一把放大镜观察昆虫的表面，你会发现任何一种昆虫表面都布满了名为气门的小洞。以毛毛虫为例：
图片：网络相簿/知识共享
看到她身体中部那些橙色的，有点像眼睛的小卵形体了吗？我们再近看一下其中一个：
图片：网络相簿/知识共享
再近一点……
图片：网络相簿/知识共享
这实际上是一种空气阀，叫做气孔。毛毛虫可以打开或关闭它的气孔来吸入或排出空气。如果你有透视眼或者一把解剖刀（或者你足够幸运，能够偶然发现一只这样完全透明的毛毛虫），你会发现这些孔连成了一张迷宫般的导管网络，称为气管，一直延伸到昆虫体内：
图片：吉姆·科尔多瓦，埃尼奥·卡诺
氧气通过这些气孔进入昆虫体内（你可以看到那些开口，即毛毛虫身上那一条看起来像地铁站的发光点），然后飘入错中复杂的气管中，气管会不断分支，越来越小，直到最后到达极小的尖端，氧气才结束它的分支旅途，到达昆虫的细胞。
与此相反，我们的身体有一套循环系统，可以将血液压入肺部获取氧气，然后再传输到细胞中。但在昆虫体内，血液不参与氧气的传输过程，相反，氧气一直是漂浮着送到细胞中去的。
为了保持体内通风，大一点儿的昆虫必须积极地吸气和呼气，正如你看到的，活动它们的腹部肌肉：
图片：艾莉诺·鲁茨
但再小一点儿的昆虫几乎不移动，它们以一种更懒惰的方式呼吸。它们无需活动身体，只用打开它们的气孔，坐在那儿，就像打开客厅的窗户一样，然后就等着空气飘进体内。
等一下！等一下！
我们是在写一篇关于呼吸的文章。感觉呼吸应该是一种物理行为，你的身体要做的事情，不仅仅是打开身体的气孔，然后想着“进来吧”。它不能这么被动。
而且，阿提斯（Aatish，他拥有物理学博士学位）说，如果你了解一点有关空气的物理学知识，你就有充分的理由认为这种飘入式的呼吸（只打开气孔，静等空气进入）非常令人费解，所以我们有必要……
简单聊一下氧气
（拥有物理学博士学位的读者可以直接跳过下面这一部分了）
阿提斯：来，罗伯特，请闭上眼睛。
罗伯特：为什么？
阿提斯：按我说的做吧。
罗伯特：好吧，闭上了。
阿提斯：现在我想让你想象一下，氧气在你周围的空气中漂浮。
罗伯特：好的……
阿提斯：告诉我你想象到了什么。
罗伯特：嗯……
罗伯特：我看到一个分子。两个氧原子结合在一起，它们呼啸而过，就像从窗户那边吹到我的脖子上，然后……我不知道……它们在我的脖子上弹跳，从我这里跳到……你那里，跳到你耳朵上。
阿提斯：啊。
罗伯特：啊，怎么了？
阿提斯：所以你在描绘氧分子在空间中呼啸而过，在墙上反弹的过程。也就是说，它们不仅可能会和我的耳朵相撞，还会与空气中的其他分子相撞。
罗伯特：是的，我就是这样想的……
阿提斯：不是这样的。
罗伯特：不是吗？
阿提斯：事实完全相反。如果现在将你周围的空气放大，你会发现……
一个非常拥挤的空间……空气中挤满了分子，我们的氧分子几乎无法移动。它只要一动，就会碰到一个邻居，若随意地左蹦又跳或上蹿下跳（到处弹跳），就会碰到其他的邻居。你能猜到一个氧分子一秒钟内会制造多少次碰撞吗？就一秒钟？
罗伯特：我不知道。
阿提斯：你还闭着眼吗？
罗伯特：是的。
阿提斯：60亿次。
罗伯特：天哪！
阿提斯：是的！它们会和邻居有60多亿次碰撞，所以一个自由漂浮的氧分子几乎哪都去不了。我了解到，一个氧分子在撞到另一个分子，并能随机游走之前只能移动80纳米，也就是8/1000000厘米（3/1000000英寸）。
罗伯特：所以？
阿提斯：所以空气的结构并不松散空洞。正相反，在分子层面上，它更像是厚厚的冰沙。就像你需要吸入你喝下的东西。常识告诉我们，不能只静等空气飘入，你需要将它拉进来。
如果真是这样，那这些小动物是怎么呼吸的呢？
这个嘛……
图片：亚伦·波梅兰茨
蚂蚁、蚊子和甲虫呼吸不用吸入或抓住空气，但它们不脉冲身体怎么能呼吸呢？
“你问的这个问题也让我非常困扰，”乔恩·哈里森说道。乔恩是一个科学家，已经研究昆虫呼吸和生长问题很多年了。
事实上，我们还没有弄清楚。哈里森和他的同事仍在努力了解有多少种昆虫是靠氧气飘入身体（被动呼吸）来呼吸的，多少种昆虫是通过脉冲他们的身体（比如蚱蜢）来呼吸的。
乔恩认为所有的昆虫在紧急情况下都可以被动呼吸。在没有氧气的情况下，大多数昆虫完全可以活动几小时而不死。他见到过动物从活跃变为安静状态，直至看起来完全像死亡的状态，然后又奇迹般地迅速恢复活力。
插画：罗比特·克鲁维奇
乔恩说：“昆虫不移地也可以呼吸的证据是，你把一个昆虫放在完全没有氧气的空气中，比如说哺乳动物，这可能会杀死它们。它们会完全瘫痪，但当你把它们放回正常的空气中时，它们都会苏醒过来。大多数昆虫在没有氧气的情况下可以存活2到6个小时，非常酷。”
“现在我们通过X射线知道，当发生上述情况时，它们内部完全瘫痪，所以它们的心脏不再跳动，体内什么都不会移动，但它们会恢复过来的。而且我们知道了在这些情况下，它们通过空气纯粹的扩散和漂浮得到了足够的氧气，至少可以重启体内系统，这是一个被动过程。”
插画：罗伯特·克鲁维奇
乔恩甚至在他的实验室里做实验，他们给昆虫注射了麻醉剂，这样它们就暂时瘫痪，不能移动，但却可以正常的呼吸。
但是乔恩说，这是重要的警告，多数昆虫大部分的时候不会用这种被动的方式呼吸。关于非常小的昆虫是如何呼吸的这个问题，人们并没有很多研究。但进行过的为数不多的研究发现，小昆虫在呼吸的时候，它们的内脏的确也在脉冲着。换句话说，乔恩认为，从生物学角度看，虽然昆虫不移动也可以呼吸（如果它们被困在没有氧气的房间内，或者瘫痪了，也能存活数小时），但大多数昆虫是不会选择这样生存的。
乔恩说：“想要回答生物学上这个非常有趣而且很宽泛的问题，极其困难。有很多疑难问题，我们需要年轻的孩子对这个感兴趣，帮助我们解决这些问题。”
但是当小昆虫被动呼吸的时候，他认为他知道它们是怎么做的。我们以这只蓝色的斑蝥为例：
图片：网络相簿/知识共享
如果你超近距离的观察这只甲虫身体，你会发现它坚硬、发亮的外骨骼上面有小孔，和我们之前在毛毛虫身上看到的一样。
图片：网络相簿/知识共享
那些是它的气孔，它就是通过这些空气孔呼吸的。空气通过这些孔进入甲虫的呼吸管（它的气管）。
下面是其中一只气孔放大后的样子：
图片：网络相簿/知识共享
我们可以更近距离的观察一下气孔里面发生的事情，让我们缩小到空气分子的大小，在微观洞穴里逛一下。
呼吸只是让氧气进入内部饥饿细胞的一种途径。然后细胞可以利用氧气分解食物分子，从而获取它所需的能量。
下面就是我们的气管。空气从左侧进入。入口进入一点的地方，有一个饥肠辘辘的细胞正期待着吃氧气大餐。我们再深入半英寸，还会发现另一个差不多饿的细胞，大家都等着开饭呢。我们将氧分子都涂成了红色：
图片：网络相簿/知识共享
就像我们上面已经看到的，空气是一杯浓稠的分子汤。当新鲜的氧气供应进入甲虫体内时，这些红点就会随意流动，每一秒撞到的邻居数量和地球上的人类一样多。所以，它们进展缓慢也毫不奇怪。
如果道路上没有东西，那氧分子在一秒钟就可以前进半公里。但要跌跌撞撞地穿过这些拥挤的分子，同样的时间内它只能走一厘米。
好了，说的挺多了，该吃午饭啦！看看会发生什么吧：
插画：阿提斯·巴蒂亚
不出所料，接近表面的细胞可以吃饱氧气，而里面深一点的细胞吸收的氧气就少很多，因为分子无法及时到达。不幸的是，深处的细胞可能会挨饿，然后死亡。
啊！所以呼吸和代谢是会影响昆虫大小的
这就解释了你随处可见的某些现象了。
那些用它们整个身体被动呼吸的动物通常都很小。想想黄蜂、蜜蜂、蚂蚁、家蝇、蚊子、螨虫、蜈蚣和甲虫。你见过6英寸（15.2厘米）大的家蝇吗？绝对没有！
图片：罗伯特·克鲁维奇
这些昆虫都没有超过几英寸，为什么呢？
因为它们不能再大了。空气分子很难四处游走，昆虫的被动呼吸系统只能在很短的距离内起作用。所以昆虫注定要缩短它们自己。如果它们长得再大一点，它们身体内部的细胞就会因为缺氧而挨饿。
如果人类和昆虫一样用气管，而不是用肺呼吸，那我们身上就要布满气孔了。而且空气不能深入我们体内，我们就必须变得很小很小。
图片：罗伯特·克鲁维奇
所以生物的呼吸方式会限制它们的大小。当然，这也解释了为什么你永远不会遇到这样的情况（能自主呼吸的我们，当然不用怕长高啦）。
图片：公共领域
除非你在约3亿到3.6亿年前的石炭纪时期就生活在地球上，你可能会看到大得吓人的昆虫（这个我们也不知道）。不会像这种远洋怪物家蝇这么大，但那里有石炭纪蜻蜓的化石。它们看起来和今天的蜻蜓一样，有相同的翅膀、相同的外貌，但那时候，它们大概有将近3英尺（0.9米）那么大。
图片：罗伯特·克鲁维奇
这不是开玩笑，看看这个化石……
图片：维基百科/知识共享
我们现在正在谈论的这个动物叫做巨脉蜻蜓（Meganeura），它不仅有巨大的翅膀，体型也相当于现代的海鸥那样大。
那里也有像蜘蛛的生物，腿跨度近20英寸（50.8厘米，此处应有尖叫声）；蝎子有两英尺（60.9厘米）多，几乎是你遇到过的蝎子的十几倍。最疯狂的可能是一只千足虫（对，千足虫），称为远古蜈蚣虫，它可以长到8.5英尺（2.59米）那么长。
图片：捷克地质调查
放心，它不食肉，它喜欢植物。
这些生物怎么能长这么大呢？原来是那时候的空气成分不同。那时，世界上密布森林和沼泽，氧气水平上升到惊人的35%（与今天大气中的21%相比）。所以如果你是巨大的千足虫表面的一个小气孔，那就会有大量的氧气飘进你的气管。下面可能就是你体内的状况。
插画：阿提斯·巴蒂亚
现在那里有更多的氧分子流入，而且碰巧大部分都能穿透到更深处。这也就意味第一个细胞得到了它所需的所有氧气，而第二个，即更深一点的细胞也吃饱了，它不会死亡。所以动物能够供养深处的细胞，就长得更大。
这就解释了为什么那个时期会有那么多巨型动物，因为它们得到了更多的氧气，不影响细胞的生长和代谢。
想想这个：通过想象无形的空气分子拥挤、狂热和急速的移动，可以部分解释为什么昆虫都这么小，这个自然界中看似任意的模式，即空气中的成分塑造地面上生物的体型，这是多么奇妙，多么不可思议啊！
有谁想得到呢？
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