Consistent differences in tissue oxygen levels across 15 insect species reflect a balance between oxygen supply and demand and highlight a hitherto unknown adaptation for extracting sufficient oxygen from water  

15種昆蟲組織氧水平的持續(xù)差異反映了氧氣供需平衡，并揭示了一種從水中高效提取氧氣的未知適應(yīng)機(jī)制  

來源：Current Research in Insect Science, 6 (2024) 100095

《昆蟲科學(xué)當(dāng)前研究》 2024年第6卷，文章編號100095

 

摘要內(nèi)容

核心發(fā)現(xiàn)：  

 

測量15種昆蟲（涵蓋9目）幼體和成體的組織氧分壓（PO?），發(fā)現(xiàn)顯著差異（0–18.8 kPa）。  

 

水生昆蟲幼體（蜉蝣目、襀翅目、毛翅目、雙翅目）維持極低PO?（均值0.88 kPa），陸生成體PO?較高（均值13.3 kPa）。  

 

PO?與活動水平正相關(guān)，與生命階段時長負(fù)相關(guān)（長壽命階段PO?更低）。  

 

水生幼體在超高氧環(huán)境（60 kPa）下仍主動維持低PO?，表明其為適應(yīng)性調(diào)節(jié)機(jī)制。  

科學(xué)意義：  

 

水生昆蟲通過低PO?最大化氧擴(kuò)散梯度，解決水中攝氧難題。  

 

低PO?可能平衡攝氧效率與活性氧（ROS）損傷風(fēng)險。  

 

研究目的

驗證三個假說：  

 

假說1：依賴水生呼吸的昆蟲因環(huán)境氧受限，維持低PO?以增強(qiáng)氧擴(kuò)散梯度。  

 

假說2：低代謝率（如不活躍個體）對應(yīng)低PO?。  

 

假說3：長生命周期階段PO? > 1 kPa，以避免缺氧誘導(dǎo)的ROS損傷。  

探究PO?差異是否受生境（水生/陸生）、活動水平、生命周期時長影響。  

 

研究思路

樣本設(shè)計：  

 

選取9目15種昆蟲（5目水生幼體，5目陸生成體），涵蓋水生蜉蝣、石蠅、蜻蜓幼體及陸生甲蟲、竹節(jié)蟲等。  

 

測量活體胸腹部PO?（n=118個體），同步記錄活動水平（1=不活躍，2=活躍）、生命周期時長、代謝率。  

技術(shù)方法：  

 

PO?測量：  

 

活體微創(chuàng)檢測：使用丹麥Unisense氧微電極（100μm尖端）和光纖氧傳感器（Pyroscience OXR430）。  

 

校準(zhǔn)：氮?dú)猓? kPa）和室內(nèi)空氣（19 kPa）雙點(diǎn)校準(zhǔn)，每日驗證。  

 

環(huán)境操控實驗：  

 

石蠅幼體暴露于常氧（19 kPa）與高氧（60 kPa）水體24小時，對比活體與死亡個體PO?變化。  

數(shù)據(jù)分析：  

 

線性混合效應(yīng)模型分析PO?與生境、活動水平、生命周期時長的關(guān)系。  

 

零值校正（+1 kPa后log10轉(zhuǎn)換）處理PO?數(shù)據(jù)偏斜。  

 

測量數(shù)據(jù)及來源

組織PO?值（表1）：  

 

水生幼體：蜉蝣（Drunella grandis）PO?=0 kPa，石蠅（Pteronarcys californica）PO?=0.04 kPa。  

 

陸生成體：蝗蟲（Melanoplus bivitatus）PO?=14.25 kPa。  

活動水平與PO?關(guān)系（圖1B）：  

 

低活動水平（均值1.1）對應(yīng)低PO?（如水生幼體），高活動水平（均值2.0）對應(yīng)高PO?（如蜻蜓成體）。  

生命周期時長與PO?關(guān)系（圖1C）：  

 

長生命周期階段（如水生幼體>300天）PO?顯著低于短周期階段（如成蟲<10天）。  

高氧暴露實驗（圖2）：  

 

活體石蠅幼體在高氧水（60 kPa）中PO?維持0.04 kPa（無變化），死亡個體PO?隨環(huán)境氧升高（19 kPa→32 kPa）。  

 

數(shù)據(jù)的研究意義

水生昆蟲低PO?的進(jìn)化意義：  

 

低PO?最大化氧擴(kuò)散梯度，解決水環(huán)境低氧擴(kuò)散系數(shù)（比空氣低萬倍）和高黏度問題。  

 

解釋水生昆蟲（如蜉蝣、石蠅）如何在低氧環(huán)境中維持代謝需求。  

活動水平與PO?關(guān)聯(lián)：  

 

活躍個體需高PO?支持能量儲備（如飛行），不活躍個體通過低PO?節(jié)能并減少ROS損傷。  

生命周期時長的影響：  

 

長生命周期階段（如水生幼體）主動維持低PO?，可能通過抗氧化機(jī)制（如抗氧化酶）抵消ROS風(fēng)險。  

 

結(jié)論

水生昆蟲的獨(dú)特適應(yīng)：  

 

水生幼體普遍維持極低PO?（均值0.88 kPa），是跨類群的保守適應(yīng)策略，通過增強(qiáng)氧攝取梯度解決水中攝氧難題。  

PO?的主動調(diào)節(jié)機(jī)制：  

 

活體在高氧環(huán)境下仍維持穩(wěn)定低PO?（圖2實驗），死亡個體PO?隨環(huán)境變化，證明其為生理調(diào)控而非被動響應(yīng)。  

平衡氧供需與損傷風(fēng)險：  

 

PO?受活動水平（能量需求）和生命周期時長（ROS累積風(fēng)險）共同調(diào)控，反映物種在特定生境下的進(jìn)化權(quán)衡。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

技術(shù)優(yōu)勢：  

 

微創(chuàng)實時監(jiān)測：100μm超細(xì)電極實現(xiàn)活體昆蟲胸腹部PO?原位測量，避免組織損傷干擾生理狀態(tài)。  

 

高精度校準(zhǔn)：雙點(diǎn)校準(zhǔn)（0 kPa與19 kPa）確保跨物種數(shù)據(jù)可比性，誤差<2%。  

 

跨生境適用性：同步支持水生（微電極）與陸生厚重角質(zhì)層昆蟲（光纖傳感器）檢測。  

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)支撐：  

 

水生昆蟲低PO?的直接證據(jù)：電極測得蜉蝣、石蠅等PO?≈0 kPa，驗證其通過最大化擴(kuò)散梯度適應(yīng)水環(huán)境。  

 

調(diào)節(jié)機(jī)制驗證：活體石蠅在高氧水中PO?不變，死亡個體PO?升高，證明低PO?為主動生理調(diào)控（非被動擴(kuò)散結(jié)果）。  

領(lǐng)域貢獻(xiàn)：  

 

首例跨類群PO?數(shù)據(jù)庫：提供15種昆蟲PO?基準(zhǔn)值，填補(bǔ)水生昆蟲氧調(diào)節(jié)研究的空白。  

 

方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化：電極技術(shù)為未來昆蟲呼吸生理學(xué)提供可靠工具，尤其適用于微小型物種。