观看小蝌蚪如何通过“吸泡泡”来呼吸

百万像素:科学家们借助高速摄像机刚刚发现了类似宝可梦的能力。
A tadpole of a gray tree frog sucks in a bubble full of oxygen.
一只灰树蛙的蝌蚪吸入一个充满氧气的气泡——这是一个巧妙的策略,可以避免与表面张力作斗争而获得新鲜空气。Kurt Schwenk
A tadpole of a gray tree frog sucks in a bubble full of oxygen.
一只灰树蛙的蝌蚪吸入一个充满氧气的气泡——这是一个巧妙的策略,可以避免与表面张力作斗争而获得新鲜空气。Kurt Schwenk

吹口水泡可能看起来很傻或不成熟,但当你是一种微小的水生生物,只是想喘口气时,它就有很好的理由了。

几年前的夏天,Kurt Schwenk在观察幼小的树蛙在一个水箱里摇摆时,注意到了一个“溅射的新行为”。这位康涅狄格大学的进化生物学家说:“有一只游到水面,做了一些奇怪的事情。”“当它游走时,它留下了一个气泡。”Schwenk和他的研究生Jackson Phillips原本计划将蝌蚪喂给蝾螈做研究,但他们很快就改变了计划。他们认为这个气泡可能是年轻两栖动物在不突破水面就锻炼其发育中的肺部的一种线索。

为了验证他们的想法,Schwenk和Phillips前往新英格兰的沼泽,收集了四种不同的蝌蚪,以及斑点蝾螈、潜水甲虫和肺螺。他们还邮购了非洲爪蛙,这些爪蛙经过培育,皮肤是透明的。然后,他们用高速单色摄像机(每秒捕捉30到1000帧)拍摄了每个被试者,并用LED背光照明,以便观察水中的情况以及生物的呼吸道。

这些视频发表在最近的《英国皇家学会B学报》杂志上,帮助Schwenk和Phillips为蝌蚪的呼吸过程制定了一个时间表。随着两栖动物的生长,它们的鳃会转变成肺。这种转变最终迫使它们将头伸出水面吸入空气,但它们微小的身体带来了挑战。水分子之间会形成紧密的键——这是表面张力的一种常见物理性质——所以需要相当大的质量才能打破它们。半英寸长的蝌蚪几乎没有机会。

A predacious diving beetle uses its chitinous rear end to pull the surface of the water down and form a bubble.
食肉潜水甲虫有不同的方法使用气泡来吸入氧气。它们不是将其吸入肺部(它们没有肺),而是将其吸入鞘翅下方的管道中。Schwenk推测,它们几丁质的亲水性也允许它们将水面拉下形成气泡。Kurt Schwenk

这就是“吸泡”的作用。这个可爱的词是由康涅狄格大学的科学家们创造的,指的是蝌蚪应对表面张力的方法:它们在水线上吹出一个空气泡,然后等待它充满氧气。一旦准备好,它们就会将其吸入口中,然后一次吸气将其推入肺部。这个过程叫做颊腔泵吸,是两栖动物特有的。Schwenk说,理论上人类也可以“吸泡”,但我们需要张开嘴将气体压缩到肺部——这在游泳时很难做到。

除了哺乳动物,Schwenk和Phillips发现蜗牛和甲虫也形成气泡,但它们是用屁股而不是嘴。虽然合作者们没有拍摄到任何鱼类,但他们认为这种行为在幼体呼吸和滤食时更为普遍。“最根本的教训是,表面张力确实是这些动物的物理障碍。所以我们现在应该期待特殊的适应,”Schwenk说。他还指出,他也看到了这种适应的变体:例如,灰树蛙在接近成年时会进行“双重吸泡”,而成年绿蛙有时会“为了好玩而吸泡”。即使如此,这也有其方法,我们将等待下一轮的拍摄来找出细节。

   
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Purbita Saha

资深副主编

Purbita Saha(她)是《趣味科学》杂志的前资深副主编。她领导了该杂志的科学编辑部和实习生项目,还编辑了特稿,阅读了图书样书,客串了“我本周学到的最奇怪的事情”节目,并在@PopSci账号上发布了糟糕的笑话。


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