Дыхательная система насекомых - Respiratory system of insects
Насекомые «S дыхательная система является системой , с которой он вводит дыхательные газы в его внутренний и выполняет газообмен .
Воздух попадает в дыхательные системы насекомых через ряд внешних отверстий, называемых дыхальцами . Эти внешние отверстия, которые у некоторых насекомых действуют как мышечные клапаны, ведут во внутреннюю дыхательную систему, состоящую из густо сплетенных трубок, называемых трахеями . Эта сеть поперечных и продольных трахей уравновешивает давление во всей системе.
Он отвечает за доставку достаточного количества кислорода (O 2 ) ко всем клеткам тела и за удаление углекислого газа (CO 2 ), который образуется как побочный продукт клеточного дыхания . Дыхательная система насекомых (и многих других членистоногих) отделена от системы кровообращения .
Строение дыхальца
На экзоскелете насекомых есть дыхальца, позволяющие воздуху проникать в трахею . У насекомых трахеальные трубки в основном доставляют кислород непосредственно в ткани насекомых . Дыхальца можно эффективно открывать и закрывать, чтобы уменьшить потерю воды. Это достигается за счет сокращения более близких мышц, окружающих дыхальце. Чтобы раскрыться, мышца расслабляется. Ближайшая мышца контролируется центральной нервной системой, но также может реагировать на локальные химические раздражители. У некоторых водных насекомых есть аналогичные или альтернативные методы закрытия, чтобы предотвратить попадание воды в трахею. Дыхальца также могут быть окружены волосками, чтобы минимизировать объемное движение воздуха вокруг отверстия и, таким образом, минимизировать потерю воды.
Дыхальца расположены латерально вдоль грудной клетки и брюшка большинства насекомых - обычно по одной паре дыхалец на сегмент тела. Воздушный поток регулируется небольшими мышцами, которые управляют одним или двумя лоскутными клапанами в каждом дыхальце - сжимаются, чтобы закрыть дыхальце, или расслабляются, чтобы открыть его.
Строение трахеи
Пройдя через дыхальце, воздух попадает в продольный ствол трахеи и в конечном итоге распространяется по сложной разветвленной сети трахеальных трубок, которые подразделяются на все меньшие и меньшие диаметры и достигают каждой части тела. В конце каждой ветви трахеи специальная ячейка обеспечивает 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 в качестве побочного продукта клеточного дыхания, диффундирует из клетки и, в конечном итоге, выходит из организма через систему трахеи.
Каждая трубка трахея развивается как инвагинации из эктодермы во время эмбрионального развития. Чтобы предотвратить его схлопывание под давлением, тонкая армирующая «проволока» кутикулы ( тенидии ) наматывается по спирали через перепончатую стенку. Эта конструкция (аналогичная по структуре шлангу обогревателя в автомобиле или выхлопному каналу сушилки для одежды) дает трахеальным трубкам возможность изгибаться и растягиваться без образования перегибов, которые могут ограничить поток воздуха.
Отсутствие taenidia в определенных частях трахеальной системы позволяет формировать складные воздушные мешочки, похожие на баллон структуры, которые могут хранить запас воздуха. В сухих земных условиях эта временная подача воздуха позволяет насекомым сберегать воду, закрывая дыхательные пути в периоды сильного испарительного стресса. Водные насекомые потребляют накопленный воздух под водой или используют его для регулирования плавучести. Во время линьки воздушные мешочки наполняются и увеличиваются, поскольку насекомое вырывается из старого экзоскелета и расширяет новый. Между линьками воздушные мешочки дают место для нового роста - уменьшаются в объеме, поскольку они сжимаются за счет расширения внутренних органов.
Мелкие насекомые почти исключительно полагаются на пассивную диффузию и физическую активность для движения газов в трахеальной системе. Однако более крупным насекомым может потребоваться активная вентиляция трахеальной системы (особенно во время активности или при тепловом стрессе). Они достигают этого, открывая одни дыхальца и закрывая другие, используя мышцы живота для попеременного расширения и сокращения объема тела. Хотя эти пульсирующие движения смывают воздух от одного конца тела к другому через продольные стволы трахеи, диффузия по-прежнему важна для распределения кислорода к отдельным клеткам через сеть меньших трахеальных трубок. Фактически, скорость диффузии газа считается одним из основных лимитирующих факторов (наряду с весом экзоскелета), которые ограничивают размер насекомых. Однако периоды древней истории Земли, такие как каменноугольный , характеризовались гораздо более высоким уровнем кислорода (до 35%), что позволяло эволюционировать более крупным насекомым, таким как меганевры , наряду с паукообразными .
Теоретические модели
Когда-то считалось, что насекомые непрерывно обмениваются газами с окружающей средой за счет простой диффузии газов в трахейную систему. Совсем недавно были задокументированы большие различия в характере дыхания насекомых, что свидетельствует о высокой вариабельности дыхания насекомых. Некоторые мелкие насекомые демонстрируют непрерывное дыхание и могут не контролировать дыхательные пути мышцами. Другие, однако, использовать мышечное сокращение в животе вместе с координированным сокращением дыхалец и релаксацией для генерации циклических моделей газообмена и уменьшить потери воды в атмосферу. Самая экстремальная форма этих моделей называется прерывистыми циклами газообмена (DGC). Недавнее моделирование описало механизм воздушного транспорта в циклическом газообмене с помощью вычислений и аналитики.