X射线图像中出现的“奇怪的事物”揭示了昆虫对重力的生理反应[视频]

生物医学工程和力学教授Jake Socha在弗吉尼亚理工大学的Socha实验室进行研究。他最近在《美国国家科学院院刊》上发表的文章讨论了昆虫对重力的生理反应。

想象一下，您倒立并站立在头上。几秒钟后，由于血流量增加，您会感到头部压力。已知人类和其他脊椎动物会对重力产生生理反应，并且反应会随着体型的增加而增加。

弗吉尼亚理工大学工程学院生物医学工程和力学教授杰克·索查（Jake Socha）的一项新研究发表在《美国科学院院刊》上的《昆虫对重力的生理反应》中显示，昆虫经历了相似的引力生理效应。

索查与亚利桑那州立大学环境生理学教授乔恩·哈里森以及本科生，研究生和博士后一起，评估了重力对昆虫的影响，并发现了一种称为功能性区室化的积极反应。

为了确定对美国血吸虫（通常称为美国蚱hopper）的影响，研究小组在阿贡国家实验室分析了X射线图像，以观察其内部系统。在某些图像中，蚱hopper是平头的，而在另一些图像中，蚱head的头是面向地面的。

Melonaplus蚂蚱的图象。.

在分析蝗虫的X射线图像时，研究人员发现，当昆虫抬起头（直立）时，位于头部的气囊大大膨胀了，而腹部的气囊则较小。当动物低头时，情况恰好相反：头部下部的气囊减小，而胸腔的气囊大大膨胀。

Socha说：“没有人期望小昆虫由于其引力取向而做出任何反应。”他也是弗吉尼亚理工大学BIOTRANS的主任，BIOTRANS是由生物学家和工程师组成的跨学科研究生团队，他们共同研究环境中的运输和生理系统。“这个项目首先看到了X射线图像中的一些奇怪的东西并提出了问题。”

他们的发现表明，重力的作用可能会像人类一样影响昆虫的身体及其身体系统。这与科学思想背道而驰，并且可能对未来的研究产生更大的影响。

索查（Socha）将此效果与平放在一个深水游泳池中进行了比较。当一个人向下沉入水中时，会有更大的压力。同样的概念也适用于蚱hopper的身体。身体下部或身体其余部分下方的血压较高，因此气囊被压缩。

但是，当昆虫醒来时，响应是不同的。气囊根据方向变化较小。为了进一步分析这种主动反应，称为功能区室化，研究人员进一步检查了蚱hopper。

一只蚱hopper的3D显微照片图像。可以看到腹部膨胀的气囊。断层扫描是在弗吉尼亚理工大学进行的。

索查说：“我们的发现表明动物可以控制自己的体内。”“今年早些时候，我们发表了一篇具有类似发现的论文。我们对甲虫进行了分析，发现它们具有活跃的身体反应，可以补偿对身体的作用力。因此，我们对其他动物的其他生理反应很感兴趣。”

蚱and和其他昆虫的循环系统是开放的，这意味着它们的血液不包含在封闭的动脉或静脉中。对开放式循环系统的经典理解是，血液在体内像瓶中的液体一样自由流动，并且体内的压力都将相似。研究小组发现，这些昆虫实际上可以通过灵活的阀门系统分离或改变体内的压力。

“这太了不起了，”索查说。“我们一直在X射线中看到奇特的现象，所以我们有想法正在发生。发现这一点为我们提供了证据，可以得出结论，蚱do确实具有一种抵消重力的机制，这对大多数科学家而言是违反直觉的。”

杰克·索查（Jake Socha）站在索查实验室（Socha Lab），研究动物的生物力学。昆虫可以被视为具有精致的微流体系统：它们通过一个小包装将空气，血液和食物通过它们的身体泵送。与工程系统相比，它们比人类设计的任何系统都更小，可控制且效率更高。

研究人员还发现，蚱orientation的心率会随着方向的变化而变化，就像在人类身上观察到的那样。由于重力会阻碍血液流向大脑，因此有时人们站立太快时会感到头晕。速效反射使心脏更加难以抽动，以克服这种引力作用。

即使昆虫没有具有静脉和动脉的封闭循环系统，大多数昆虫通常也具有管状的心脏。这些研究人员发现，蚱head的头向下时心率会减慢，抬头时心跳会更快，从而提供了更多证据表明昆虫的系统不仅受到重力的影响，而且具有主动的生理反应来补偿重力的影响，与科学预测相反。

索查说：“我们有多个指标表明蚱to对它的身体定向有反应。”索查说，他也是弗吉尼亚理工大学生物科学和机械工程系的附属教员。“他们会对它相对于重力的方向做出生理反应，并且在其体内具有能够处理它的机制。蚱s能够改变他们的心律，呼吸频率，并在功能上划分其身体，以控制压力。”

参考：乔恩·哈里森（Jon F. Harrison），哈立德·阿杰里德（Khaled Adjerid），阿内莉亚·卡西（Anelia Kassi），贾科·克洛克（C. Jaco Klok），约翰·范登布鲁克（John M. VandenBrooks），梅根·杜尔（Meghan E. Fezzaa，Hodjat Pendar和John J.Socha，2020年1月13日，美国国家科学院院刊.DOI：
10.1073 / pnas.1915424117

参与该项目的其他弗吉尼亚理工大学研究人员包括生物医学工程和力学研究助理教授Hodjat Pendar，以及该系的博士生Khaled Adjerid。