Люди, плохо знающие биологию, обычно не представляют себе строение беспозвоночных. Есть ли у них кровь и имеется ли мозг? Дышат ли насекомые? Подавляющему большинству живых организмов для жизни необходим кислород. Он окисляет поступающие вещества – делит их на более простые по строению структуры. Растения тоже в процессе дыхания используют кислород. Лишь анаэробные микроорганизмы и некоторые многоклеточные животные не нуждаются в этом элементе. Однако и они дышат, только используют для окисления другие органические или неорганические вещества.
Мир небольших существ
Насекомые – маленькие организмы, размеры которых не превышают нескольких сантиметров. Их строение не позволяет увеличивать объем и вес в современных условиях. Этого нельзя сказать о древних членистоногих, живших во времена динозавров и еще раньше. В те времена атмосфера была совсем иной: другая плотность воздуха, состав газов. Да и сама планета Земля весила меньше. Стрекозы в далеком прошлом достигали размеров более полуметра.
Чем дышат насекомые? И что не дало им эволюционировать до размеров, к примеру, кошки в современных условиях? Ученые считают, что это своеобразная дыхательная система.
Немного из систематики
Насекомые относятся к подтипу трахейнодышащие (Tracheata). В тип членистоногих также входят подтипы жабродышащих (ракообразные) и хелицеровых (пауки, скорпионы, клещи и др.).
Чем дышат насекомые?
Само название подтипа говорит о способе дыхания. Однако хелицеровые дышат подобным же образом. Насекомые приобрели в ходе эволюции сложную систему трахей. Трахеи – это внутренние трубочки, проводящие воздух к клеткам тела. Трахейная система устроена непросто, потому что трахеи ветвятся на огромное количество тонких трубочек. Каждая из них подходит к небольшой группе клеток. Сеть трахей у насекомых аналогична системе кровеносных сосудов и капилляров у позвоночных животных.
Дыхальца насекомых
Воздух в трахеи входит через дыхальца – особые отверстия на теле насекомых. Дыхальца – стигмы – расположены парно, обычно по бокам тела. Регуляция поступления воздуха обеспечивается специальными запирательными устройствами.
От каждого дыхальца обычно отходит три симметричных больших ветви трахеи:
- Дорзальная. Обеспечивает кислородом спинной сосуд с гемолимфой и дорзальную мускулатуру.
- Висцеральная. Обслуживает пищеварительную систему и половые органы.
- Вентральная. Обслуживает брюшную мускулатуру и нервную цепочку.
Трахеолы насекомых
Окончания трахей разветвляются на очень тонкие капиллярные трубочки – трахеолы. Их диаметр меньше 1 микрометра. Трахеолы разветвляются в межклеточном пространстве, оплетают клетки. Они являются функциональной частью трахейной системы, обеспечивающей диффузию кислорода в клетки тела.
Дополнительные образования
Чем дышит большинство насекомых? Органы дыхания – это трахеи. Однако некоторые членистоногие имеют еще и воздушные мешки. Такое строение напоминает легкие или, скорее, воздушные мешки птиц для увеличения объема воздуха в организме. Раздутые участки имеются у быстролетающих насекомых (пчелы, мухи). Они лежат по ходу трахейных стволов. В результате сокращения мышц тела при полете воздушные мешки сжимаются и расправляются, увеличивая поступление и выход воздуха.
Каким органом дышат насекомые, обитающие в воде?
Например, паук-серебрянка, обитающий в средней полосе России, большую часть жизни проводит под водой. Он носит с собой запас пузырьков воздуха. Так что ему не пришлось менять что-то в дыхательной системе. У пауков подобная трахейная система, как и у насекомых.
Жук-плавунец – распространенный обитатель прудов средней полосы России. Тоже дышит трахеями. Он периодически поднимается к поверхности воды, выставляет кончик брюшка. Воздух попадает под надкрылья и сохраняется там. Запас кислорода водяной жук носит с собой.
То же самое делают и остальные водные жуки. Вертячка охотится на поверхности пруда, однако, ныряя при опасности, также захватывает с собой воздух. Он выглядит как блестящая оболочка на конце брюшка.
Многие водные клопы также захватывают воздух в виде пузырька с поверхности. Как, например, гладыш. Он носит с собой пузырек воздуха, прикрепленный на конце брюшка. Такое приспособление помогает ему еще и лучше плавать.
Часть водных клопов (водяной скорпион, ранатра) имеют особую трубку на конце брюшка. Она состоит из двух желобкообразных половинок. Клоп двигает брюшком – делает дыхательные движения. По трубке воздух поступает к дыхальцам.
Органы дыхания личинок
Взрослые насекомые дышат при помощи трахей. Личинки же имеют более разнообразные органы дыхания. Личинки каких насекомых дышат трахеями? Сухопутные представители имеют трахейную систему. Например, у гусениц бабочек есть 9 пар стигм по бокам тела. Первая пара на груди, остальные — на сегментах брюшка. Иногда вторая пара дыхалец бывает закрыта.
У большинства водных насекомых и их личинок также имеется трахейная система. Однако огромное количество представителей имеет образования, похожие на жабры. Это выросты, расположенные на местах дыхалец. Кислород поступает через тонкие покровы трахейных выростов в организм. Так дышат личинки поденок, веснянок, ручейников. Личинки разнокрылых стрекоз тоже имеют трахейные жабры, однако расположены они в кишечнике, то есть внутри организма.
Мотыль имеет нитевидные жабры, но в большом количестве поглощает кислород всей поверхностью тела. В организме мотыля всегда имеется запас кислорода. По этой причине он может жить в загрязненных водоемах.
Личинки перистоусого комарика (семейство комары толстохоботные) дышат кислородом, растворенным в воде, поглощая его всей поверхностью тела.
Органы дыхания куколок
Чем дышат насекомые, находящиеся на стадии куколки? Считается, что третья стадия развития насекомого неподвижна. Однако даже куколки бабочек могут шевелить брюшком. А куколка божьей коровки кивает головой, вероятно, отпугивая врагов. Насекомые этой стадии дышат трахеями.
Среди куколок водных насекомых имеются очень подвижные особи. Это, например, кровососущие комары. Их куколки регулярно поднимаются к поверхности воды для всасывания воздуха через специальные трубочки на конце брюшка.
Куколка перистоусого комарика похожа на куколку обыкновенного комара. Но она не поднимается к поверхности воды до выхода взрослой особи. Органом дыхания служат покровы тела.
Дыхание насекомых-паразитов
Чем дышат насекомые, не имеющие трахей? Органами дыхания некоторых первичнобескрылых насекомых и личинок, обитающих в тканях, служат кожные покровы. Они достаточно тонкие для прохождения газов. Углекислый газ также выделяется через кутикулу, что частично наблюдается и у насекомых, имеющих трахеи.
Насекомые часто двигают брюшком – делают дыхательные движения. Частота дыхательных движений возрастает во время полета. Дыхательные мышцы сокращаются и расслабляются, например, у пчелы в состоянии покоя около 40 раз в минуту. Во время полета в несколько раз чаще.
У более примитивных насекомых дыхальца не закрываются. Однако они защищены волосками от попадания мусора. У более сложноустроенных членистоногих стигмы способны открываться и закрываться для регуляции поступления воздуха. Кроме того, часть дыхалец может служить для вдоха, а другая часть – для выдоха воздуха.
Интересно, что стигмы у насекомых имеют разную форму и цвет. Они могут быть круглые, овальные, треугольные. Их цвет иногда отличается от окраски окружающей кутикулы.
Таким образом, природа создала трахейную систему еще до появления легких. Такая система отлично организована. Система дыхалец обеспечивает постоянный ток воздуха. Кислород разносится ко всем клеткам тела.
Дыхание насекомых – это процесс потребления кислорода, его расходования клетками организма и выделения углекислого газа.
Процесс дыхания у наземных насекомых
Насекомые с открытой трахейной системой, дышащие атмосферным воздухом, получают кислород через дыхальца, проводящие воздух в трахеи, а оттуда – в клетки. Внутрь клеток молекулы О2 проникают путем диффузии из самых тонких трахей – трахеол. [5]
Работа замыкательных аппаратов дыхалец снижает потери воды в процессе дыхания. [5] (видео)
Ритм дыхательных движений может быть различным и зависит от множества факторов, например, от температуры: у кобылки Melanoplus при 27 градусах осуществляется 25,6 дыхательных движений в минуту, а при 9 градусах их всего 9. Перед полетом многие усиливают свое дыхание, а во время него вдохи и выдохи часто приостанавливаются. [4] У медоносной пчелы в состоянии покоя наблюдается 40 дыхательных движений, а при работе – 120. [1]
Как дышат водные насекомые
У насекомых, обитающих в воде, дыхание осуществляется двумя способами. Это зависит от того, какое строение имеет их трахейная система.
В других случаях дыхание водных насекомых осуществляется атмосферным воздухом. У таких насекомых имеется открытая трахейная система. Они набирают воздух через дыхальца, всплывая к поверхности, а затем опускаются под воду до тех пор, пока его не израсходуют. [5] В связи с этим, у них имеются две особенности строения:
- во-первых, развитые воздушные мешки, в которых могут храниться большие порции воздуха,
- во-вторых, развитый замыкательный механизм дыхалец, который не пропускает воду внутрь трахейной системы. [4]
У водных насекомых, дышащих атмосферным воздухом, те небольшие запасы кислорода, которые они захватывают с поверхности, должны очень быстро расходоваться, но этого не происходит. Почему? Дело в том, что из воды в воздушные пузырьки диффундирует кислород, и из них же в воду частично уходит углекислый газ. Таким образом, забирая под воду воздух, насекомое получает запас кислорода, который какое-то время сам собой пополняется. Процесс сильно зависит от температуры. Например, клоп Pleaможет жить в кипяченой воде 5-6 часов при теплой температуре и 3 дня при холодной. [4]
Дыхательная система насекомых — это высокоспециализированная биологическая система, с помощью которой организм насекомого вводит дыхательные газы внутрь себя и осуществляет газообмен.
Воздух поступает в дыхательные пути насекомых через ряд наружных отверстий, называемых дыхальцами или стигмами.
Эти внешние отверстия, которые действуют как мышечные клапаны, приводят к внутренней дыхательной системе — густой сети трубок, называемых трахеями.
Дыхательная система отвечает за доставку достаточного количества кислорода во все клетки организма и за удаление углекислого газа, который образуется в качестве отходов клеточного дыхания.
Дыхательная система насекомых (как и многих других членистоногих) отделена от кровеносной системы.
Развитие трахейной системы Дрозофилы обыкновенной (Drosophila melanogaster)
Экзоскелеты насекомых имеют отверстия — стигмы, которые позволяют воздуху проникать в трахею. Трахеальные трубки доставляют кислород непосредственно в ткани. Для того чтобы снизить потери воды при дыхании, дыхальца должны закрываться и открываться наиболее эффективным способом. Это происходит с помощью сжатия и расслабления мышц, окружающих стигму.
Эти мышцы могут контролироваться центральной нервной системой и реагировать на локальные химические раздражители.
Дыхальца могут быть окружены волосками, которые снижают удельный объем воздуха вокруг отверстия, и, таким образом, снижают потери воды при дыхании.
Стигмы расположены латерально вдоль грудного отдела и брюшка по паре штук на сегмент тела.
Стигмы гусеницы бражника
Дыхальце настоящего сверчка (сем. Gryllidae), полученное с помощью электронного микроскопа
Пройдя через стигму воздух попадает в продольный ствол трахеи, в конце концов диффундируя по сложной разветвленной сети трубок трахеи, которая подразделяется на меньшие и меньшие диаметры и достигает каждой части тела.
В конце каждой ветви трахеи специальная клетка — трахеола — обеспечивает жидкостный интерфейс для обмена газами между атмосферным воздухом и живой клеткой.
Кислород в трахейной трубке сначала растворяется в жидкости трахеолы, а затем диффундирует через клеточную мембрану в цитоплазму соседней клетки.
В то же время углекислый газ, образующийся в качестве отходов клеточного дыхания, диффундирует из клетки и, в конечном итоге, из организма через трахеальную систему.
Структура трахеи насекомого
Отсутствие таенидии в определенных частях трахеальной системы позволяет образовывать складные воздушные мешочки, баллоноподобные структуры, которые могут хранить запас воздуха.
В сухих земных средах эта временная подача воздуха позволяет насекомому сохранять воду, закрывая его дыхательные пути во время периодов сильного испарительного стресса. Водные насекомые потребляют запасенный воздух, находясь под водой, или используют его для регулирования плавучести. Во время линьки воздушные мешки заполняются и расширяются, поскольку насекомое освобождается от старого экзоскелета и расширяет новый. Между линьками воздушные мешки обеспечивают пространство для нового роста — уменьшаются в объеме, поскольку они сжимаются за счет расширения внутренних органов.
Мелкие насекомые полагаются почти исключительно на пассивную диффузию и физическую активность для движения газов в трахейной системе.
Однако более крупным насекомым может потребоваться активная вентиляция трахеальной системы (особенно когда они активны или находятся под воздействием теплового стресса). Они достигают этого, открывая одни дыхальца и закрывая другие, используя мышцы живота для попеременного расширения и сокращения объема тела. Хотя эти пульсирующие движения продувают воздух от одного конца тела к другому через продольные стволы трахеи, диффузия все еще важна для распределения кислорода по отдельным клеткам через сеть более мелких трубок трахеи.
Фактически, скорость диффузии газа рассматривается как один из основных ограничивающих факторов (наряду с весом экзоскелета), который препятствует росту настоящих насекомых.
Периоды в древней истории Земли, такие как каменноугольный период , характеризовались гораздо более высоким уровнем кислорода (до 35%), что позволяло существовать насекомым очень больших размеров таким как Меганевра (стрекоза с размахом крыльев от 60 до 100 см).
Я попытался максимально доступно изложить этот материал, если у кого-то остались вопросы или есть предложения по оформлению или содержанию, то велкам ту комментс =D