Дыхательная система насекомых

Развитие трахейной системы Drosophila melanogaster .

— газы насекомого Дыхательная система это система, с помощью которой оно вводит дыхательные внутрь себя и осуществляет газообмен .

Воздух поступает в дыхательную систему насекомых через ряд наружных отверстий, называемых дыхалец . Эти внешние отверстия, которые у некоторых насекомых действуют как мышечные клапаны, ведут к внутренней дыхательной системе — густо сплетенной сети трубок, называемых трахеями . Эта сеть поперечных и продольных трахей уравнивает давление во всей системе.

Он отвечает за доставку достаточного количества кислорода (O ₂ ) ко всем клеткам организма и за удаление углекислого газа (CO ₂ ), который образуется как побочный продукт клеточного дыхания . Дыхательная система насекомых (и многих других членистоногих) отделена от кровеносной системы .

Строение дыхальца

Дополнительная информация: Spiracle (членистоногие).

Индийская лунная бабочка ( Actias selene ) с идентифицированными некоторыми дыхалецами.

Сканирующая электронная микрофотография дыхальца сверчка.

насекомых имеются дыхальца На экзоскелетах , позволяющие воздуху проникать в трахею . У насекомых трахеальные трубки в основном доставляют кислород насекомых непосредственно в ткани . Дыхальца можно эффективно открывать и закрывать, чтобы уменьшить потерю воды. Это достигается за счет сокращения более тесных мышц, окружающих дыхалец. Чтобы раскрыться, мышца расслабляется. Близкая мышца контролируется центральной нервной системой , но также может реагировать на локализованные химические раздражители. У некоторых водных насекомых есть аналогичные или альтернативные методы закрытия, предотвращающие попадание воды в трахею. Дыхальца иногда также могут быть окружены волосками, чтобы минимизировать движение воздуха вокруг отверстия и, таким образом, минимизировать потерю воды.

Дыхальца расположены латерально вдоль груди и брюшка большинства насекомых - обычно по одной паре дыхалец на каждый сегмент тела. Поток воздуха регулируется небольшими мышцами, которые управляют одним или двумя лоскутными клапанами внутри каждого дыхальца: они сокращаются, чтобы закрыть дыхалец, или расслабляются, чтобы открыть его.

Строение трахеи

Пройдя через дыхальце, воздух поступает в продольный ствол трахеи, в конечном итоге диффундируя по сложной разветвленной сети трахеальных трубок, которая подразделяется на все меньшие и меньшие диаметры и достигает каждой части тела. На конце каждой ветви трахеи имеется специальная ячейка, обеспечивающая тонкий влажный интерфейс для обмена газов между атмосферным воздухом и живой клеткой. Кислород в трахеальной трубке сначала растворяется в жидкости трахеолы , а затем диффундирует через клеточную мембрану в цитоплазму соседней клетки. В то же время углекислый газ, образующийся как побочный продукт клеточного дыхания, диффундирует из клетки и, в конечном итоге, из организма через трахеальную систему.

Каждая трахеальная трубка развивается как инвагинация эктодермы во время эмбрионального развития . Чтобы предотвратить ее разрушение под давлением, тонкая армирующая «проволока» кутикулы ( тенидии ) спирально вьется через перепончатую стенку. Такая конструкция (по конструкции похожая на шланг обогревателя в автомобиле или выхлопной канал сушилки для одежды) дает трубкам трахеи возможность сгибаться и растягиваться без образования перегибов, которые могли бы ограничить поток воздуха.

Отсутствие тенидиев в определенных участках трахеальной системы позволяет образовывать складные воздушные мешки — шарообразные структуры, способные хранить запас воздуха. В засушливых наземных средах этот временный приток воздуха позволяет насекомому экономить воду, закрывая дыхальца в периоды сильного испаряющего стресса. Водные насекомые потребляют накопленный воздух, находясь под водой, или используют его для регулирования плавучести. Во время линьки воздушные мешки наполняются и увеличиваются, поскольку насекомое освобождается от старого экзоскелета и расширяет новый. Между линьками воздушные мешки предоставляют место для нового роста, уменьшаясь в объеме по мере сжатия из-за расширения внутренних органов.

Мелкие насекомые полагаются почти исключительно на пассивную диффузию и физическую активность для движения газов внутри трахейной системы. Однако более крупным насекомым может потребоваться активная вентиляция трахейной системы (особенно при активности или в условиях теплового стресса). Они достигают этого, открывая одни дыхальца и закрывая другие, одновременно используя мышцы живота для попеременного расширения и сжатия объема тела. Хотя эти пульсирующие движения выбрасывают воздух от одного конца тела к другому через продольные стволы трахеи, диффузия по-прежнему важна для распределения кислорода к отдельным клеткам через сеть более мелких трахеальных трубок. Фактически скорость диффузии газа рассматривается как один из основных лимитирующих факторов (наряду с массой экзоскелета), ограничивающих размеры насекомых. Однако в периоды древней истории Земли, такие как каменноугольный период , уровень кислорода был гораздо выше (до 35%), что позволило более крупным насекомым, таким как меганевра , а также паукообразным развиваться .

Теоретические модели

Когда-то считалось, что насекомые непрерывно обмениваются газами с окружающей средой путем простой диффузии газов в трахейную систему. Совсем недавно были задокументированы большие различия в характере дыхания насекомых, что позволяет предположить, что дыхание насекомых сильно варьируется. Некоторые мелкие насекомые действительно демонстрируют непрерывное дыхание, и им может не хватать мышечного контроля над дыхалцами. Другие, однако, используют мышечное сокращение живота . вместе с скоординированным сокращением и расслаблением дыхалец для создания циклического режима газообмена и уменьшения потери воды в атмосферу Самая крайняя форма этих закономерностей называется прерывистыми циклами газообмена (DGC). Недавнее моделирование описало механизм воздушного транспорта при циклическом газообмене вычислительно и аналитически.