動物學(xué)家解決了漂浮幻影蠓的奇異百年之謎
水生 Chaoborus 蠓幼蟲是唯一可以控制其浮力的昆蟲。它們的氣管氣囊充當(dāng) pH 驅(qū)動的機(jī)械化學(xué)引擎。來源：菲利普·馬修斯
2018 年春天，Philip Matthews 博士度過了一個典型的下午，在不列顛哥倫比亞大學(xué) (UBC) 的實驗池中捕捉蜻蜓。這位動物學(xué)家?guī)缀醪恢浪磳⑻ど辖忾_一個世紀(jì)之久的昆蟲學(xué)之謎的旅程，其中涉及一種小得多但同樣引人入勝的昆蟲。當(dāng)他在池塘里工作時，漂浮在附近養(yǎng)牛池雨水中的幼蟲引起了他的注意。
這些昆蟲是Chaoborus蠓的淡水水生幼蟲，由于其近乎透明，也被稱為“幻影蠓”。透明度使幼蟲在穿過湖泊、池塘和水坑時就像小鬼一樣。
“這些奇怪的昆蟲在水中漂浮著中性浮力，這是你看不到昆蟲所做的事情，”馬修斯博士說?！坝行├ハx在潛水時會在短時間內(nèi)保持中性浮力，但Chaoborus幼蟲是唯一接近中性浮力的昆蟲。”
當(dāng)研究人員將幼蟲的氣囊安裝在恰好有紫外線照亮顯微鏡臺的顯微鏡上時，氣囊開始發(fā)出藍(lán)光。來源：埃文·麥肯齊
用諾貝爾獎解開一個 100 年前的謎團(tuán)
一些魚通過用從血液中的血紅蛋白中卸載的氧氣來給魚鰾充氣來調(diào)節(jié)它們的浮力。1911 年，諾貝爾獎獲得者奧古斯特·克羅 (August Krogh) 發(fā)現(xiàn)Chaoborus幼蟲使用完全不同的機(jī)制，使用兩對內(nèi)部充氣囊來調(diào)節(jié)它們的浮力。但他從來沒有弄清楚昆蟲是如何在沒有脊椎動物的血液或血紅蛋白的情況下調(diào)整囊的體積的。
關(guān)聯(lián)產(chǎn)品: 精密測量顯微鏡
氣囊的藍(lán)色熒光是由于彈性樹脂——一種幾乎完美的橡膠，存在于昆蟲的身體部位，彈性是關(guān)鍵，就像在為跳蚤提供令人難以置信的跳躍動力的彈性能量中一樣。來源：菲利普·馬修斯
一個偶然的發(fā)現(xiàn)
喝完咖啡回到實驗室，馬修斯博士將牛缸中幼蟲的氣囊安裝在顯微鏡上，而顯微鏡恰好有紫外線照亮顯微鏡的載物臺。氣囊開始發(fā)出藍(lán)光。
藍(lán)色熒光是由于resilin——一種幾乎完美的橡膠，存在于昆蟲的身體部位，彈性是關(guān)鍵，就像為跳蚤提供令人難以置信的跳躍的彈性能量一樣。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種昆蟲不會將氣體分泌到它們的氣囊中來使它們膨脹。相反，它們會改變氣囊壁的 pH 值，氣囊壁內(nèi)的彈性帶會相應(yīng)膨脹或收縮，并且氣囊的體積也會隨之調(diào)整。來源：埃文·麥肯齊
“resilin 的奇怪之處在于它不僅非常有彈性。如果你把它變成堿性，它就會膨脹，如果你把它變成酸性，它就會收縮?！?/p>
隨著博士生埃文·麥肯齊（Evan McKenzie）推動實驗調(diào)查，研究人員發(fā)現(xiàn)這種昆蟲不會將氣體分泌到它們的氣囊中以使它們膨脹。相反，它們會改變氣囊壁的 pH 值，氣囊壁內(nèi)的彈性帶會相應(yīng)膨脹或收縮，并且氣囊的體積也會隨之調(diào)整。
Chaoborus 氣囊起到機(jī)械化學(xué)發(fā)動機(jī)的作用，將化學(xué)勢能的變化轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。
“這是一個非常奇怪的改編，我們沒有去尋找，”馬修斯博士說?！拔覀冎皇窍肱宄鼈?nèi)绾文芷≡谒卸怀翛]！”
根據(jù)高分辨力、大視場的要求，考慮到市售探測器的限制，提出了視場分離分光的方法，分析了視場分離分 光的原理。利用此方法設(shè)計了一個星載高分辨力、大視場高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 11.42°遠(yuǎn)心離軸三反消像散(tma)望遠(yuǎn)系統(tǒng)和 2 個 offner 凸面光柵光譜成像系統(tǒng)組成，運(yùn)用光學(xué)設(shè)計軟件 code v 對高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了光線追跡和優(yōu)化。
研究結(jié)果發(fā)表在本周的《當(dāng)代生物學(xué)》上。