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泡沫中生活:数学家解释昆虫如何在水下呼吸

时间:2008-08-08 09:57 来源:未知 作者:环球科学编译 wallsat
数学家揭示,昆虫依靠体表形成的空气气泡维持水下呼吸的。
  

数以百计的昆虫长期在水下生活,以图获取更多的食物。麻省理工学院数学家现能确切指出它们如何在水下呼吸。

 

 

昆虫的水下呼吸原理

 

当昆虫潜入水中,在它们防水的、粗糙的体表层外会形成一层薄薄的空气气泡,这些气泡不仅能为它们提供一定的氧气存储,更能使昆虫吸收溶解在水中的氧气。

 

“一些昆虫已经适应了水下生活,它们使用这些气泡就像外部的肺一样。”应用数学副教授,研究论文合著者John Bush如是说。

 

根据Bush和前应用数学研究员Morris Flynn的研究,有了这些气泡,昆虫们可以停留在水面下,还可以潜入大约30的水下。一些种类,比如原产于新英格兰的Neoplea striola,它们能在水下冬眠度过整个冬天。

 

这一现象在多年前就被观察到,但是麻省理工学院的研究者们首次计算出最大潜水深度,描述出气泡如何停留在昆虫表面,在多深的地方水压会导致气泡破裂。

 

这一新的研究将发表在810出版的《流体力学》期刊上,它向大家展现了在昆虫呼吸需求和气泡稳定性之间的微妙平衡。

 

气泡的稳定性依靠昆虫腹部的绒毛来维持,绒毛具有隔水效应,绒毛表面附有一层蜡状物,能保护昆虫的腹部的微小气孔不受水的影响。这些绒毛的间距的精密性是非常重要的:彼此越靠近,气泡的机械稳定性和抗压性就越强。然而,机械稳定性也是需要代价的,如果绒毛彼此太过靠近,就没有足够的空间以供呼吸了。

 

“由于这些气泡实际上相当于昆虫的体外肺,它的表面区域需要足够的空间以保证气体交换。”Flynn说。

 

研究员们设计了一个数学模型,将所有的因素纳入计算,以得出允许的最深潜水深度。研究发现,除了最大深度可令气泡崩溃以外,气泡在最小深度已不能满足昆虫的呼吸需求。

 

虽然研究者认为昆虫能够下潜到水下30处,但它们只在水下几米的地方活动。因为相关的环境因素,诸如阳光、捕食需要以及食物分布等。

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