背上的“空調(diào)”

教師簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)說(shuō)課比賽一等獎(jiǎng)。

冬天，是寒冷的代名詞，人們往往會(huì)選擇穿棉衣、開空調(diào)等方式來(lái)取暖。可是，自然界的小動(dòng)物們又有著怎樣的過(guò)冬絕技？在部編版四年級(jí)科學(xué)下冊(cè)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(lái)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(wàn)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(lái)，昆蟲“光著身子”就成功地滲透到地球的每一個(gè)角落。然而，地球上各地的環(huán)境千差萬(wàn)別，季節(jié)的變化也會(huì)導(dǎo)致溫度產(chǎn)生巨大差異。嚴(yán)寒來(lái)臨，昆蟲雖然無(wú)法裹上厚厚的毛毯，但不必?fù)?dān)心，它們可有自己獨(dú)特的控溫神器！

恒溫與變溫

我們?nèi)祟愂呛銣貏?dòng)物，正常的體溫在36～37°C，溫度過(guò)高、過(guò)低都會(huì)產(chǎn)生不適。冬天來(lái)臨時(shí)，恒溫系統(tǒng)使得人類能夠控制并形成幾種機(jī)制來(lái)保持熱量，并在必要時(shí)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(dòng)物也有相應(yīng)的策略，例如長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，以及開空調(diào)等取暖設(shè)備。

與恒溫動(dòng)物不同，變溫動(dòng)物通常被稱為冷血?jiǎng)游?，其中包括爬行?dòng)物和兩棲動(dòng)物，它們的體溫隨著周圍溫度而波動(dòng)，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(dòng)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?cè)谛螒B(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?jiǎng)游锘蛘呃溲獎(jiǎng)游锏姆懂?，這是有道理的。事實(shí)上，昆蟲分為恒溫動(dòng)物和變溫動(dòng)物兩類。變溫動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)物。

溫度感知器

動(dòng)物能對(duì)環(huán)境的冷熱有感知，是因?yàn)榫哂懈惺軠囟茸兓纳眢w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(jì)算，人體分布的冷點(diǎn)有25萬(wàn)～30萬(wàn)個(gè)，熱點(diǎn)有3萬(wàn)個(gè)，每平方厘米的皮膚就有8～9個(gè)冷點(diǎn)、1～7個(gè)熱點(diǎn)。但是，四肢比起軀干來(lái)說(shuō)，冷點(diǎn)的數(shù)量相對(duì)更多，所以我們的四肢對(duì)冷熱的反應(yīng)更加強(qiáng)烈。

昆蟲都有探測(cè)環(huán)境熱能變化的能力，一般情況下，它們通過(guò)觸角上的一組感受器來(lái)完成這一過(guò)程，這些感受器被稱為“瞬時(shí)感受器電位通道”（TRP通道）。這些感受器對(duì)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?jī)蓚?cè)的兩個(gè)紅外“頰窩”探測(cè)到遠(yuǎn)處發(fā)生的森林火災(zāi)。

翅膀“空調(diào)”

陽(yáng)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(huì)說(shuō)在飛行呀！正確，但是只答對(duì)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°C，以維持飛行和捕食活動(dòng)，一般通過(guò)翅膀調(diào)節(jié)獲得需要的體溫。過(guò)熱時(shí)，會(huì)造成翅膀和胸部的細(xì)胞損傷。暴露在陽(yáng)光中的部分和獲得熱量的多少，可以通過(guò)控制翅膀的位置來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)翅膀完全張開，呈水平狀時(shí)，獲得的熱量最多;而翅膀完全閉合，呈平行狀態(tài)時(shí)，獲得的熱量最小。比如，蕁麻蛺蝶需要的體溫是36°C，只要體溫稍微低于這個(gè)溫度，蕁麻蛺蝶就馬上張開翅膀正對(duì)太陽(yáng)，努力補(bǔ)充體溫的損耗;如果體溫過(guò)高，它們又會(huì)合上翅膀，側(cè)對(duì)太陽(yáng)。同學(xué)們，這是不是與航天器的太陽(yáng)能電池帆板很相似呢？

實(shí)際上，除了蝴蝶，其他一些昆蟲也會(huì)利用翅膀調(diào)節(jié)體溫。比如蜜蜂，它們會(huì)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(guò)高，它們會(huì)用翅膀給整個(gè)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(dòng)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(shí)揮動(dòng)手臂，這無(wú)疑是一項(xiàng)非常艱苦的工作。但在飛行時(shí)，翅膀的肌肉中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能和能量。通過(guò)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(shí)，熱量會(huì)順著血淋巴的流動(dòng)散發(fā)至昆蟲全身各處。來(lái)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(guò)蒸發(fā)將逐漸流失。這樣，昆蟲冷的時(shí)候可以“儲(chǔ)存”熱量，幫助它們克服寒冷;熱的時(shí)候也能完美地將熱量分散。

在寒冷的冬天，昆蟲會(huì)消耗多余的熱量。低溫并不適合飛行，因?yàn)樵诘蜏貤l件下，飛行所需的新陳代謝反應(yīng)不夠快。為了克服這一點(diǎn)，昆蟲還會(huì)進(jìn)行一些“熱身運(yùn)動(dòng)”，用力地前后拍打翅膀，該行為類似于顫抖。這時(shí)，翅膀產(chǎn)生的熱量就不會(huì)經(jīng)過(guò)血淋巴分散出去，這樣它們就可以先進(jìn)行對(duì)自己身子的取暖工作。如果在冬天要飛行，它們也會(huì)先進(jìn)行上述操作，用力拍打翅膀暖起身子，這就有點(diǎn)像老式手搖拖拉機(jī)要啟動(dòng)時(shí)，都得用力地先搖上一會(huì)兒，讓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，進(jìn)入工作循環(huán)預(yù)熱，而后啟動(dòng)。

“昆蟲”芯片

千奇百怪的昆蟲世界奧妙無(wú)窮，無(wú)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(huì)隨著太陽(yáng)光的照射方向變化而自動(dòng)變換角度，從而控制從陽(yáng)光中獲得的熱量，以便調(diào)節(jié)身體的體溫。氣溫低時(shí)，鱗片平鋪，使陽(yáng)光垂直射入;氣溫升高時(shí)，鱗片自動(dòng)張開，通過(guò)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(dòng)位置安裝有對(duì)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°C的驟然變化這一難題。科學(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(lái)越大、厚度越來(lái)越薄的電腦芯片散熱問題，從而研制出能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下保持恒溫的電腦芯片。