Дыхательная система насекомых - Respiratory system of insects

Развитие трахеальной системы в Drosophila melanogaster.

An насекомое с дыхательная система это биологическая система с которой вводится респираторный газы к его интерьеру и выполняет газообмен.

Воздух попадает в дыхательные системы насекомых через ряд внешних отверстий, называемых дыхальца. Эти внешние отверстия, которые у некоторых насекомых действуют как мышечные клапаны, ведут во внутреннюю дыхательную систему, густо сплетенный массив трубок, называемый трахеи. Эта сеть поперечных и продольных трахей уравновешивает давление во всей системе.

Он несет ответственность за доставку достаточного кислород (O2) ко всем клеткам тела и для удаления углекислый газ (CO2), который образуется как отходы клеточное дыхание. Дыхательная система насекомых (и многих других членистоногих) отделена от сердечно-сосудистая система.

Строение дыхальца

Дальнейшая информация: Дыхательное дерево (членистоногие)
Индийская лунная моль (Actias selene) с некоторыми из дыхалец идентифицированных
Сканирующая электронная микрофотография дыхательного клапана сверчка

Насекомые есть дыхальца на их экзоскелеты чтобы воздух попадал в трахея.[1] У насекомых трахеальные трубки в первую очередь доставляют кислород прямо в насекомых ' ткани. Дыхальца можно эффективно открывать и закрывать, чтобы уменьшить потерю воды. Это достигается за счет сокращения более близких мышц, окружающих дыхальце. Чтобы раскрыться, мышца расслабляется. Более близкая мышца контролируется Центральная нервная система 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 у большинства насекомых расположены латерально вдоль грудной клетки и брюшка - обычно одна пара 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, в конечном итоге диффундируя по сложной разветвленной сети трахеальных трубок, которая подразделяется на все меньшие и меньшие диаметры и достигает каждой части тела. В конце каждой ветви трахеи специальная ячейка (трахеола) 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 как побочный продукт клеточного дыхания, диффундирует из клетки и, в конечном итоге, выходит из организма через трахеальную систему.

Каждая трахеальная трубка развивается как инвагинация из эктодерма во время эмбрионального развития. Чтобы предотвратить ее схлопывание под давлением, тонкая армирующая «проволока» кутикулы (тэнидия ) закручивается спирально через перепончатую стенку. Эта конструкция (аналогичная по конструкции 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 в активном состоянии 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 продувают 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), ограничивающим размер насекомых.[2] Однако периоды древней истории Земли, такие как Каменноугольный, характеризовался гораздо более высоким уровнем кислорода (до 35%), что позволяло использовать более крупных насекомых, таких как меганеура, вместе с паукообразные, развиваться.

Теоретические модели

Когда-то считалось, что насекомые непрерывно обмениваются газами с окружающей средой. простая диффузия газов в трахеальную систему. Совсем недавно были задокументированы большие различия в характере вентиляции у насекомых, что позволяет предположить, что дыхание насекомых сильно варьируется. Некоторые мелкие насекомые демонстрируют непрерывное дыхание и могут не контролировать дыхательные пути мышцами. Однако другие используют мышечное сокращение из брюшная полость наряду с скоординированным сокращением и расслаблением дыхательных путей для создания циклических схем газообмена и уменьшения потерь воды в атмосферу. Наиболее крайняя форма этих паттернов называется прерывистый газообмен циклы (DGC).[3]Недавнее моделирование описало механизм воздушного транспорта в циклическом газообмене с помощью расчетов и аналитики.[4]

Рекомендации

  1. ^ Соломон, Эльдра, Линда Берг, Диана Мартин (2002): Биология. Брукс / Коул.
  2. ^ https://projects.ncsu.edu/cals/course/ent425/library/tutorials/internal_anatomy/respiratory.html
  3. ^ Лайтон, JRB (январь 1996 г.). «Прерывистый газообмен у насекомых». Анну Рев Энтомол. 41: 309–324. Дои:10.1146 / annurev.en.41.010196.001521. PMID  8546448.
  4. ^ Абоэлькасем, Яссер (март 2013 г.). «Селективная перекачка в сети: микромасштабный перенос потока насекомых». Биоинспирация и биомиметика. 8 (2): 026004. Дои:10.1088/1748-3182/8/2/026004. PMID  23538838.