Как у насекомых происходит дыхание

Дыхание насекомых

Дыхание насекомых – это процесс потребления кислорода, его расходования клетками организма и выделения углекислого газа.

Содержание:

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]

В простейших случаях

В засушливых биотопах

Видео демонстрирует процесс дыхания у богомола

Работа замыкательных аппаратов дыхалец снижает потери воды в процессе дыхания. [5] (видео)

Во время дыхательных движений стерниты и тергиты брюшка отдаляются друг от друга и сближаются, а у перепончатокрылых они также делают телескопические движения, то есть, кольца брюшка втягиваются друг в друга во время «выдохов» и расправляются при «вдохах». При этом, активным дыхательным движением, которое вызывается сокращением мышц, является именно «выдох», а не «вдох», в отличие от человека и животных, у которых все наоборот. [4]

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]

Некоторые исследователи пишут, что, несмотря на наличие дыхательных движений, у насекомых отсутствуют типичные вдохи и выдохи. С этим можно согласиться, учитывая особенности ряда таксонов. Так, у саранчи воздух входит в тело через передние пары дыхалец и выходит через задние, что создает отличия от «обычного» дыхания. Кстати, у этого же насекомого при повышенном содержании углекислоты воздух в трахейной системе может начать перемещаться в обратном направлении: втягиваться через брюшные дыхальца и выходить через грудные. [4]

«Крыски»

Как дышат водные насекомые

У насекомых, обитающих в воде, дыхание осуществляется двумя способами. Это зависит от того, какое строение имеет их трахейная система.

Многие из водных организмов имеют закрытую трахейную систему, в которой не функционируют дыхальца. Она замкнута, и в ней нет «выходов» наружу. Дыхание осуществляется при помощи жабр – выростов тела, в которые входят и обильно разветвляются трахеи. Тонкие трахеолы настолько близко подходят к поверхности жабр, что через них начинает диффундировать кислород. Это и позволяет некоторым насекомым, обитающим в воде (личинки и нимфы ручейников, веснянок, поденок, стрекоз) осуществлять газообмен. При переходе их к наземному существованию (превращении в имаго) жабры редуцируются, а трахейная система из закрытой превращается в открытую. [5]

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]

Возможны и другие особенности. Например, у личинки жука-плавунца дыхальца находятся на заднем конце тела. Когда ей необходимо «сделать вдох», она подплывает к поверхности, принимает вертикальное положение «вниз головой» и выставляет наружу часть, где расположены стигмы. [4]

У личинки обыкновенного комара от соединенных вместе 8 и 9 сегментов брюшка вверх и назад отходит дыхательная трубка, на конце которой открываются главные трахейные стволы. Когда трубка выставляется над водой, через просветы стволов насекомое получает воздух. Почти такая же, но сильнее выраженная трубка имеется у личинок Eristalis. Данное образование выражено у них настолько сильно, что за его наличие и серый цвет самого насекомого таких личинок называют «крысками». В зависимости от пребывания на большей или меньшей глубине, хвост «крыски» может менять свою длину. [4] (фото)

Интересно дыхание взрослых плавунцов. У них имеются развитые надкрылья, с боковых сторон подгибающиеся в направлении вниз и внутрь, к телу. В результате при всплывании к поверхности при сложенных надкрыльях жук захватывает пузырек воздуха, который попадает в подэлитральное пространство. Туда же открываются дыхальца. Таким образом плавунец и возобновляет запасы кислорода. Плавунец рода Dyliscusмежду всплываниями может находиться под водой 8 минут, Hyphidrus около 14 минут, Hydroporus– до получаса. После первых заморозков подо льдом жуки также сохраняют свою жизнеспособность. Они находят воздушные пузырьки под водой и проплывают над ними так, чтобы «забрать» их под надкрылья. [4]

У водолюба запасание воздуха происходит между волосками, расположенными на брюшной части тела. Они не смачиваются, поэтому между ними формируется запас воздуха. Когда насекомое плывет под водой, его вентральная часть выглядит серебристой из-за воздушной «подушки». [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 у насекомых. Узнайте, как дышат насекомые

Дыхательная система у насекомых является точнейшим отражением их образа жизни. Так как эти существа все время находятся над землей, дышат они исключительно благодаря трахеям, которые у них куда более развитые, нежели у других жителей нашей планеты. Справедливости ради стоит выделить, что существуют некоторые надклассы насекомых, которые обитают в водной среде, или же частенько там бывают. В таком случае дыхательная система насекомых представлена жабрами. Однако это крайне редкие виды данного класса, потому осмотрим мы их также очень кратко. Что же, перейдем к более детальному изучению данного раздела биологии.

Общие данные

Итак, дыхательная система у насекомых представляется нам в виде трахей. От них исходят многочисленные разветвления, которые распространяются по всем жизненно важным органам и системам тельца. Все тело, за исключением головы (то бишь грудной отдел и брюшко) покрыто выходными отверстиями – дыхальцами. Именно они образуют трахейную систему, благодаря которой большинство насекомых могут дышать через поверхность своего тела.

Отметить стоит, что эти дыхальца надежно защищены от раздражителей внешней среды специальными клапанами. Они быстро реагируют на поступление воздуха благодаря отлично развитым мышцам. Также важно знать, что дыхальца находятся на боках каждого сегмента тела. Размер их отверстий регулируется, за счет чего и изменяется трахейный просвет.

Процесс вентиляции

Чтобы понять досконально, как дышат насекомые, важно в первую очередь усвоить, что каждая трахейная система, которая располагается в тельце, всегда вентилируется. Необходимый воздухообмен происходит благодаря тому, что клапаны, которые располагаются вдоль тела, грубо говоря, открываются и закрываются по определенному графику, то есть скоординировано. Для примера рассмотрим, как подобный процесс происходит у саранчи. Во время входа воздуха открываются передние 4 дыхальца (среди них два грудных и два брюшных передних). В это время все остальные (6 задних) находятся в закрытом положении. После того как воздух попал в организм, закрываются все дыхальца, а потом открытие происходит в следующей последовательности: 6 задних открываются, а 4 передних остаются закрытыми.

Основные дыхательные движения

Много лет назад ученые, рассматривая, как дышат насекомые, заметили, что их тела определенным образом сжимаются и разжимаются. Данный процесс оказался синхронным с процессом попадания кислорода в организм, потому и был сделан вывод о том, что многие представители членистоногих дышат именно благодаря стандартным механическим действиям. Таким образом дыхательная система у насекомых может функционировать благодаря сокращениям отдельных секций брюшка. Такой тип «дыхания» свойственен преимущественно всем наземным существам. Те же индивидуумы, которые обитают частично или полностью в воде, характеризуются сокращением и некоторых грудных отделов. Важно также запомнить, что именно сокращение мышц происходит на выдохе. Когда же воздух поступает в организм, все брюшные и грудные сегменты насекомого наоборот расширяются и полностью расслабляются.

Строение трахей

Именно трахеями, как уже было сказано выше, представлена дыхательная система насекомых. Для детей подобное понятие может оказаться слишком сложным, потому если вы объясняете данный биологический процесс своему чаду, то расскажите ему для начала, как выглядит этот самый дыхательный орган. У всех практически насекомых каждая трахея – это отдельно существующий ствол. Он исходит именно из того клапана, через которое проходит дыхальце. От трахейной трубки исходят ответвления, которые представлены в виде спирали. Каждая такая веточка образована из весьма плотной кутикулы, которая всегда надежно зафиксирована на своем месте. Благодаря этому ответвления не спадают, не спутываются, потому в организме насекомого всегда сохраняются просветы, через которые может нормально циркулировать кислород, углекислый газ, а также водяной пар, без которых жизнь данного класса нереальна.

Чем отличаются летающие букашки?

Немного по-другому выглядит дыхательная система у насекомых, которые умеют летать. В данном случае их организмы оснащены так называемыми воздушными мешками. Они образуются благодаря тому, что расширяются трахейные трубки. Причем эти расширения куда больше, чем первозданная ширина дыхательного органа. Еще одна характерная черта таких мешков – у них нет спиральных уплотнений, потому они ведут себя внутри тела насекомого куда более мобильно. Расширение и сжатие воздушных мешков у летающих насекомых происходят пассивно. Во время вдоха организм увеличивается, во время выдоха – соответственно, уменьшается. При этом процессе задействуются только мышцы, которые все контролируют. Важно также отметить, что дыхательная система у насекомых, которые являются летающими, устроена так для того, чтобы они могли на более длительный период захватывать большее количество кислорода.

Насекомые, которые имеют жабры

Членистоногие обитатели водоемов, словно рыбы, имеют жабры и жаберные отверстия. При этом дыхательный процесс осуществляется все равно благодаря трахеям, однако данная система в организме замкнутая. Таким образом кислород из воды поступает в тело не через дыхальца, а через жаберные прорезы, после чего попадает в трубки и спирали. Если же насекомое устроено таким образом, что с процессом взросления оно выбирается из водной среды, начинает обитать на земле или же в воздухе, то жабры становятся рудиментом, который исчезает. Начинает более активно развивать трахейная система, крепчают трубки и спирали, и процесс дыхания уже не имеет ничего общего с жабрами.

Заключение

Кратко мы рассмотрели, какая дыхательная система у насекомых, чем она характерна и какие ее разновидности можно встретить в природе. Если копать глубже, то можно узнать, что дыхательные системы членистоногих различных категорий весьма отличаются друг от друга, и чаще всего их особенности зависят от среды обитания тех или иных видов.

Дыхательная система насекомых

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.

Каждая трубка трахеи развивается как инвагинация эктодермы во время эмбрионального развития. Чтобы предотвратить разрушение трахей под давлением, тонкая, укрепляющая «проволока» кутикулы (таенидия) спирально проходит через мембранную стенку. Эта конструкция дает возможность трахеальным трубкам изгибаться и растягиваться без образования перегибов, которые могут ограничивать поток воздуха.

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

Источники:

http://www.pesticidy.ru/dictionary/spiro_1

http://fb.ru/article/161193/dyihatelnaya-sistema-u-nasekomyih-uznayte-kak-dyishat-nasekomyie

http://pikabu.ru/story/dyikhatelnaya_sistema_nasekomyikh_6603503