超重力可增強蝗蟲骨骼結構 或助研生物材料

離心機向來可用於訓練噴射機飛行員與太空人,而最新刊於《英國皇家學會學報 B》的德國研究則指,類似的器械也可令蝗蟲的外骨骼結構更強。

團隊強調,這不太可能導致超級昆蟲,但發現確實表明,所有生物的骨骼包括樹木的木質樹幹都會以同樣的方式應對壓力。

當一個人定期運動時,其骨骼結構會變得更厚、更密,以適應反覆的壓力。這就是為何生活在低重力環境中的太空人和需臥床的長期病患的骨骼會變得脆弱且容易受損。

不過,地球上很多生物都無類似人類的骨骼。昆蟲和其他節肢動物構成了地球上絕大多數動物物種,牠們擁有的殼狀外骨骼,主要由一種堅韌的角質層組成。德國城市應用科學大學生物力學研究員 Jan-Henning Dirks 表示,這些外骨骼如何對重力和其他類型的機械應力作出反應一直成謎。

在這項新研究中,Dirks 和他的博士學生 Karen Stamm與馬克斯·普朗克智慧系統研究所工程師合作設計了一個不尋常的實驗。團隊製造了一部離心機,在旋轉時可以對當中的任何物體施加連續且可測量的機械力,並有可單獨加熱、配上 LED 燈的昆蟲籠,而每個籠中都會放入一隻新蛻皮的飛蝗 (Locusta migratoria) 。

飛蝗相當容易繁殖,同時牠們的後腿像一條細長管道,因此計算作用在牠們身上的機械力變得更簡單。

在實驗的兩星期中,飛蝗在近乎恆定的運動中生活和生長,而離心機會令牠們受到比自身體重大幾倍的重力。該機器每天只停止旋轉 1 個小時,期間飛蝗可以不受干擾地「午休」。就像機動遊戲一樣,超重力也會導致蝗蟲失去食慾。然而,一旦機器停止,牠們就開始不斷進食。

之後,團隊從離心機中取出飛蝗,並嘗試移除牠們的後腿,測量將後腿折成兩半所需多大力。結果顯示,在離心機中飼養的飛蝗後腿比在正常重力下飼養的更難折斷。

腿部的立體 X 光圖像顯示,無論飛蝗如何被飼養,外骨骼的中間層 (exocuticle) 看起來都幾乎相同。相較之下,最內裡的角質層則明顯不同,在離心機飼養的會厚得多,使後腿較不易折斷。

這種變化的確切根源仍有待了解,但人類和昆蟲骨骼對機械應力的反應相似的情況表明,這種行為可能是生物材料的基本特性。團隊計劃調查其他節肢動物,例如蟹和蟑螂,在暴露於超重力時是否會出現類似反應。

來源:

Science, Locusts raised in spinning centrifuge have stronger skeletons

報告:

Stamm, K. & Dirks, J-H. (2023). Insect exoskeletons react to hypergravity. Proc. R. Soc. B.290: 20232141. 20232141. doi: 10.1098/rspb.2023.2141

文/AC

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