上海光源BL13W线站首次揭示昆虫呼吸时气囊的各向异性收缩特性

上海应用物理研究所上海光源先进成像部肖体乔课题组利用上海光源X射线成像及生物医学应用线站（BL13W1）动态显微CT技术，在实验上观测并定量分析了活体昆虫呼吸时其气囊三维结构的动态演化，首次揭示了昆虫呼吸过程中气囊收缩的各向异性，相关研究论文“Anisotropic shrinkage of insect air sacs revealed in vivo by X-ray microtomography”于近日发表于Nature出版集团的综合性杂志《科学报道》上（Scientific Reports, 2016, 6, 32380; doi:10.1038/srep32380）。

昆虫种类繁多、形态各异，属于无脊椎动物中的节肢动物，是地球上数量最多的动物群体，占据所有生物种类（包括细菌、真菌、病毒）的一半以上。如此众多的种类却拥有类似的呼吸系统结构：由外胚层内陷形成的管状气管系统。昆虫通过这一管状系统直接将氧气输送给需氧组织、器官或细胞。根据所处位置不同，管状系统可以细分为：气管（遍布全身的管状结构）、气门（气管在身体两侧的开口）和气囊（气管的膨大部分）。气囊一直被认为是昆虫内部气体交换的“风箱”，在昆虫呼吸过程中起到发动机的作用。长期以来，由于缺乏昆虫活体三维原位观测(in-vivo)的手段，通常假定其收缩是各项同性的。

X射线相位衬度成像具有对软组织原位无损成像的能力，同步辐射动态显微CT可用于三维显微结构的动态演化研究，上海光源最新发展的相位衬度X射线动态显微CT成像具备了原位研究昆虫气囊空气动力学行为的潜力。上海光源研究团队利用X射线成像线站（BL13W1）发展的X射线动态显微CT成像对一种典型昆虫——马蛉呼吸过程中气囊的动力学行为开展了深入的研究。通过对时间序列三维显微结构的精细定量分析，发现马蛉气囊在其呼吸过程中，沿气囊纵向不同位置的收缩周期和幅度并不相同，同一位置的横截面上其边界的收缩特性也各不相同，在气囊的纵向和横向均表现出明显的各向异性。研究结果表明，有异于传统的假说，昆虫气囊的收缩和扩张是各向异性的。这有利于气体在气管内的流动，加大气体交换效率。该项研究加深了对昆虫呼吸特性的理解，为昆虫研究提供了新的知识。（先进成像及工业应用部 供稿）

马蛉图片和CT重建图像

25秒时，气囊第110,180和290层切片横向变化速度场。三幅图像中间最大的黑色区域是气囊的切片。红色箭头代表运动方向，长度代表变化速度。