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昆蟲呼吸與能量代謝監測的研究和應用
發布時間： 2022-10-13 點擊次數： 2546次在氣候變化的大背景下，為了減緩全球變暖帶來的危害和巨大的不確定性，人們提出了“碳中和"的計劃和目標。而氣候的一點點變化，都會改變原生昆蟲的生理狀態和活動范圍，甚至會引發種群滅絕和生物入侵等問題。呼吸與能量代謝作為昆蟲最基本的生理功能，也是最容易受到環境變化影響的部分。有大量的科研人員將關注重心放到了性別、溫度、時空位置等變量對昆蟲體型、耐受性、飛行能力等方面的影響作用，作為研究其基礎生理機制的便捷手段，SSI昆蟲呼吸與能量代謝監測系統在這些研究中得到了廣泛的應用。
應用研究案例：
竹節蟲的的新陳代謝生理學研究
新西蘭的科研人員利用SSI昆蟲呼吸與能量代謝監測系統，通過流通式呼吸測量法來測量竹節蟲物種、種群、性別和顏色形態之間的靜息代謝率（如 VCO2）和水分流失率（如 VH2O）差異。
圖2中昆蟲的活動參數是無量綱量，測量平均值的方差，此示例顯示觀察對象未發生劇烈活動（<0.012）。 VH2O 在一開始就出現了急劇下降，在大約 1 小時和 4.5 小時左右有兩次排泄或產卵事件。兩條 VCO2 跡線都顯示了腔室的初始調整期，以更連續的方式提高了 CO2 的產生水平。A) VCO2 降低為穩定的 CGE 模式，以藍色區域為選擇標準進行后續采樣分析。B) VCO2 降低為 CyGE 模式，藍色區域為滿足選擇標準的最后一個完整循環，其中淺藍色部分表示間爆發期，深藍色部分表示爆發期。
研究結果表明：適應寒冷的昆蟲將采用周期性的氣體交換模式并具有較低的代謝率來保存能量。代謝率與最高年溫度平行變化的適應性意義可能是由于較高的溫度增加了通過蒸發和蒸騰作用而流失水分的風險，因此，在較溫暖的氣候中竹節蟲會通過降低代謝率來抵消種群的水分流失風險。水分流失參數在物種和質量之間確實存在顯著差異，并存在一定程度的地理差異。
低溫馴化提高小花蝽的饑餓耐受性
通常我們認為提前進行低溫適應可以提高等溫動物隨后應對更寒冷環境的能力，丹麥的研究團隊進一步研究了低溫暴露后節肢動物饑餓耐受性得到改善的生理機制。實驗人員利用SSI（Sable Systems）的多通道呼吸與能量代謝試驗模塊，依次對大批量捕食性節肢動物的VCO2進行測量。結果表明，暴露于寒冷環境下的捕食性節肢動物增加了它們的生理穩健性和承受環境挑戰的能力：比如低溫環境和食物缺乏的環境。
體型大小對苜蓿切葉蜂能量代謝和飛行能力的影響
為了確定體型如何影響苜蓿切葉蜂 Megachile rotundata 的代謝率、異速生長和飛行相關形態等數據，美國農業部的研究人員利用SSI的昆蟲活動監測儀和數字能量代謝監測系統對苜蓿切葉蜂進行觀察測量。研究發現隨著蜜蜂體型的增加，它們的胸部和腹部變得不成比例地變大，而它們的翅膀（面積和長度）變得不成比例地變小。其中體型較大的蜜蜂在休息和飛行期間具有較高的絕對代謝率，而體型較小的蜜蜂在休息時具有較高的質量特異性代謝率。在飛行過程中，蜜蜂在質量特異性代謝率方面沒有大小相關的差異。
SSI昆蟲能量代謝測量模塊可以用于精確測量果蠅、蜜蜂、蝴蝶等昆蟲呼出的CO2、O2及H2O等，并可計算呼吸商、同步化監測昆蟲活動及其與呼吸代謝的關系等，廣泛應用于各種小型昆蟲動物呼吸代謝研究，如生理學、遺傳學、生態學、病蟲害防治、醫學實驗、預防醫學研究實驗等研究方向。
SSI昆蟲呼吸代謝測量系統由二氧化碳分析儀、氧氣分析儀、多通道氣路轉換器、氣流控制器、數據采集器及程序軟件、呼吸室等組成。可根據研究內容及經費預算定制單通道至多通道系統，可選擇同時測量CO2、O2、RQ及H2O，亦可根據要求只選擇測量CO2或O2的測量系統。系統測量結果除了常見的實時氧氣消耗量（VO2）、二氧化碳產量（VCO2）、呼吸商（RQ）、產熱量（EE）、熱傳導速率（Ct）外，還可以提供研究者感興趣的其它代謝率指標（如日代謝率 DEE、最大代謝率 MRmax 等），以及獲得呼吸水分喪失（EWL）、能量當量、活動指數、致死溫度 LLT 等重要參數。
參考資料：
1. Kelly Amanda Wootton. “Phasmid Physiology: Trends in Metabolism, Water Loss, and Upper Thermal Limits of Stick Insects." A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science in Biosecurity and Conservation, the University of Auckland, 2020.
2. Jensen, Kim et al. “Increased lipid accumulation but not reduced metabolism explains improved starvation tolerance in cold-acclimated arthropod predators." The Science of Nature 105 (2018): 1-9.
3. Grula, Courtney C et al. “Body size allometry impacts flight-related morphology and metabolic rates in the solitary bee Megachile rotundata." Journal of insect physiology (2021): 104275 .