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機制  

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

《昆蟲科學當前研究》 2024年第6卷，文章編號100095

 

摘要內容

核心發現：  

 

測量15種昆蟲（涵蓋9目）幼體和成體的組織氧分壓（PO?），發現顯著差異（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，與生命階段時長負相關（長壽命階段PO?更低）。  

 

水生幼體在超高氧環境（60 kPa）下仍主動維持低PO?，表明其為適應性調節機制。  

科學意義：  

 

水生昆蟲通過低PO?最大化氧擴散梯度，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境氧受限，維持低PO?以增強氧擴散梯度。  

 

假說2：低代謝率（如不活躍個體）對應低PO?。  

 

假說3：長生命周期階段PO? > 1 kPa，以避免缺氧誘導的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。  

技術方法：  

 

PO?測量：  

 

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

 

校準：氮氣（0 kPa）和室內空氣（19 kPa）雙點校準，每日驗證。  

 

環境操控實驗：  

 

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。  

數據分析：  

 

線性混合效應模型分析PO?與生境、活動水平、生命周期時長的關系。  

 

零值校正（+1 kPa后log10轉換）處理PO?數據偏斜。  

 

測量數據及來源

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?關系（圖1B）：  

 

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

生命周期時長與PO?關系（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?隨環境氧升高（19 kPa→32 kPa）。  

 

數據的研究意義

水生昆蟲低PO?的進化意義：  

 

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

 

解釋水生昆蟲（如蜉蝣、石蠅）如何在低氧環境中維持代謝需求。  

活動水平與PO?關聯：  

 

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?，可能通過抗氧化機制（如抗氧化酶）抵消ROS風險。  

 

結論

水生昆蟲的獨特適應：  

 

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策略，通過增強氧攝取梯度解決水中攝氧難題。  

PO?的主動調節機制：  

 

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

平衡氧供需與損傷風險：  

 

PO?受活動水平（能量需求）和生命周期時長（ROS累積風險）共同調控，反映物種在特定生境下的進化權衡。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

技術優勢：  

 

微創實時監測：100μm超細電極實現活體昆蟲胸腹部PO?原位測量，避免組織損傷干擾生理狀態。  

 

高精度校準：雙點校準（0 kPa與19 kPa）確?？缥锓N數據可比性，誤差<2%。  

 

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

關鍵發現支撐：  

 

水生昆蟲低PO?的直接證據：電極測得蜉蝣、石蠅等PO?≈0 kPa，驗證其通過最大化擴散梯度適應水環境。  

 

調節機制驗證：活體石蠅在高氧水中PO?不變，死亡個體PO?升高，證明低PO?為主動生理調控（非被動擴散結果）。  

領域貢獻：  

 

首例跨類群PO?數據庫：提供15種昆蟲PO?基準值，填補水生昆蟲氧調節研究的空白。  

 

方法學標準化：電極技術為未來昆蟲呼吸生理學提供可靠工具，尤其適用于微小型物種。