背上的“空調(diào)”

文/江蘇省南京市赤壁路小學(xué)科學(xué)教師 宋薔

供圖/視覺中國

教師簡介

宋薔

南京市赤壁路小學(xué)科學(xué)教師，南京市鼓樓區(qū)“優(yōu)秀青年教師”、江蘇省“優(yōu)秀科技輔導(dǎo)員”，曾獲江蘇省小學(xué)科學(xué)實驗說課比賽一等獎。

冬天，是寒冷的代名詞，人們往往會選擇穿棉衣、開空調(diào)等方式來取暖?？墒?，自然界的小動物們又有著怎樣的過冬絕技？在部編版四年級科學(xué)下冊第三單元《昆蟲》中，龐大的昆蟲家族令人震撼。本期，我們跟隨南京市赤壁路小學(xué)宋薔老師一起來看看昆蟲的取暖妙招吧！

昆蟲家族種類繁多、形態(tài)各異，是地球上種類最多的生物物種之一。到21世紀(jì)初，人類已知的昆蟲有100余萬種，但仍有許多種類尚待發(fā)現(xiàn)。

盡管在很多電視節(jié)目中，昆蟲都有自己可愛的衣服，《木偶奇遇記》中的小蟋蟀吉米尼穿著西裝、戴著禮帽，非常紳士，但幾億年來，昆蟲“光著身子”就成功地滲透到地球的每一個角落。然而，地球上各地的環(huán)境千差萬別，季節(jié)的變化也會導(dǎo)致溫度產(chǎn)生巨大差異。嚴(yán)寒來臨，昆蟲雖然無法裹上厚厚的毛毯，但不必?fù)?dān)心，它們可有自己獨特的控溫神器！

恒溫與變溫

我們?nèi)祟愂呛銣貏游?，正常的體溫在36～37℃，溫度過高、過低都會產(chǎn)生不適。冬天來臨時，恒溫系統(tǒng)使得人類能夠控制并形成幾種機制來保持熱量，并在必要時將熱量排出體外。例如，起雞皮疙瘩、打冷戰(zhàn)都是我們身體試圖保持最佳溫度的方式。其他哺乳動物也有相應(yīng)的策略，例如長著厚密的皮毛和喘氣。當(dāng)然，聰明的人類還有更多方法抵御寒冷，如穿厚衣服、蓋棉被、增加運動，以及開空調(diào)等取暖設(shè)備。

與恒溫動物不同，變溫動物通常被稱為冷血動物，其中包括爬行動物和兩棲動物，它們的體溫隨著周圍溫度而波動，這就是為什么蛇和短吻鱷是日光浴的“鐘愛粉”。同學(xué)們猜猜看，在這兩大分類中，昆蟲屬于哪一類呢？

傳統(tǒng)上認(rèn)為昆蟲是變溫動物，的確如此，但并不完全這樣，有些昆蟲比其他昆蟲更易受外界溫度的影響。昆蟲的奇妙之處在于它們在形態(tài)、行為和適應(yīng)性有著驚人的多樣性。因此，昆蟲并不完全屬于溫血動物或者冷血動物的范疇，這是有道理的。事實上，昆蟲分為恒溫動物和變溫動物兩類。變溫動物是指體溫可以依據(jù)周圍環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的昆蟲。恒溫動物有能力調(diào)節(jié)身體內(nèi)部溫度，尤其是身體某些部位。對身體某些部位的選擇性加熱或者冷卻，稱為（區(qū)域）異質(zhì)性，像黃蜂、蜜蜂、飛蛾、蝴蝶和甲蟲，它們都是恒溫動物。

溫度感知器

動物能對環(huán)境的冷熱有感知,是因為具有感受溫度變化的身體結(jié)構(gòu)。人類的皮膚表面分布著大量的感受細(xì)胞，能夠分別感受到冷、熱的不同刺激。據(jù)科學(xué)家計算，人體分布的冷點有25萬～30萬個，熱點有3萬個，每平方厘米的皮膚就有8～9個冷點、1～7個熱點。但是，四肢比起軀干來說，冷點的數(shù)量相對更多，所以我們的四肢對冷熱的反應(yīng)更加強烈。

昆蟲都有探測環(huán)境熱能變化的能力，一般情況下，它們通過觸角上的一組感受器來完成這一過程，這些感受器被稱為“瞬時感受器電位通道”（TRP通道）。這些感受器對周圍溫度變化非常敏感，并將信息傳遞給昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)指揮昆蟲進(jìn)行必要的身體改變。有的感受器還能感知紅外輻射，與昆蟲的捕食、繁殖及生存密切相關(guān)。一種吉丁蟲能用位于中足靠近胸部兩側(cè)的兩個紅外“頰窩”探測到遠(yuǎn)處發(fā)生的森林火災(zāi)。

喜歡火的松木黑吉丁蟲

黑吉丁蟲的紅外感應(yīng)器

黑吉丁蟲的熱頰感應(yīng)

翅膀“空調(diào)”

陽光下，美麗的蝴蝶忽而張開翅膀，忽而合上翅膀，同學(xué)們知道它們是在干什么嗎？大家肯定會說在飛行呀！正確，但是只答對了一半，翅膀可是它們調(diào)節(jié)體溫的神器！

有些蝴蝶的體溫必須保持在30～40℃，以維持飛行和捕食活動，一般通過翅膀調(diào)節(jié)獲得需要的體溫。過熱時，會造成翅膀和胸部的細(xì)胞損傷。暴露在陽光中的部分和獲得熱量的多少，可以通過控制翅膀的位置來調(diào)節(jié)。當(dāng)翅膀完全張開，呈水平狀時，獲得的熱量最多；而翅膀完全閉合，呈平行狀態(tài)時，獲得的熱量最小。比如，蕁麻蛺蝶需要的體溫是36℃，只要體溫稍微低于這個溫度，蕁麻蛺蝶就馬上張開翅膀正對太陽，努力補充體溫的損耗；如果體溫過高，它們又會合上翅膀，側(cè)對太陽。同學(xué)們，這是不是與航天器的太陽能電池帆板很相似呢？

實際上，除了蝴蝶，其他一些昆蟲也會利用翅膀調(diào)節(jié)體溫。比如蜜蜂，它們會讓蜂巢內(nèi)嚴(yán)格保持著一定的溫度，以便孵化幼蟲。如果蜂巢內(nèi)溫度過高，它們會用翅膀給整個蜂巢通風(fēng)；如果溫度下降，蜜蜂就成群地緊緊聚集在蜂巢周圍，以便減小散熱面積，或者猛烈地抖動身子，使自己的體溫升高，以此為蜂巢升溫。

同學(xué)們想象一下，如果自己是一只昆蟲，在高速飛行時揮動手臂，這無疑是一項非常艱苦的工作。但在飛行時，翅膀的肌肉中會產(chǎn)生大量的熱能和能量。通過飛行，增加了血淋巴循環(huán)。血淋巴是昆蟲體內(nèi)的一種液體，類似于人體的血液。在昆蟲飛行時，熱量會順著血淋巴的流動散發(fā)至昆蟲全身各處。來自昆蟲胸部的熱量，也就是翅膀所在的位置，被傳遞至腹部，腹部的熱量通過蒸發(fā)將逐漸流失。這樣，昆蟲冷的時候可以“儲存”熱量，幫助它們克服寒冷；熱的時候也能完美地將熱量分散。

在寒冷的冬天，昆蟲會消耗多余的熱量。低溫并不適合飛行，因為在低溫條件下，飛行所需的新陳代謝反應(yīng)不夠快。為了克服這一點，昆蟲還會進(jìn)行一些“熱身運動”，用力地前后拍打翅膀，該行為類似于顫抖。這時，翅膀產(chǎn)生的熱量就不會經(jīng)過血淋巴分散出去，這樣它們就可以先進(jìn)行對自己身子的取暖工作。如果在冬天要飛行，它們也會先進(jìn)行上述操作，用力拍打翅膀暖起身子，這就有點像老式手搖拖拉機要啟動時，都得用力地先搖上一會兒，讓發(fā)動機轉(zhuǎn)起來，進(jìn)入工作循環(huán)預(yù)熱，而后啟動。

電腦散熱片

衛(wèi)星太陽能帆板

“昆蟲”芯片

千奇百怪的昆蟲世界奧妙無窮，無論是昆蟲身體的精巧結(jié)構(gòu)還是習(xí)性，都給予人類很多啟示。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蝴蝶翅膀上的鱗片還會隨著太陽光的照射方向變化而自動變換角度，從而控制從陽光中獲得的熱量，以便調(diào)節(jié)身體的體溫。氣溫低時，鱗片平鋪，使陽光垂直射入；氣溫升高時，鱗片自動張開，通過減小照射角度，吸收較少的熱量。

受此啟發(fā)，科學(xué)家將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了百葉窗式，在每扇窗的轉(zhuǎn)動位置安裝有對溫度敏感的金屬灶，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了人造衛(wèi)星在太空中由于位置的不斷變化而引起的溫差高達(dá)20～30℃的驟然變化這一難題?？茖W(xué)家還將利用蝴蝶翅膀的散熱原理，解決當(dāng)今迅速發(fā)展的容量越來越大、厚度越來越薄的電腦芯片散熱問題，從而研制出能在長時間運行狀態(tài)下保持恒溫的電腦芯片。