W jaki sposób owady oddychają i mają płuca?

Owady, podobnie jak ludzie, potrzebują tlenu do życia i wytwarzania dwutlenku węgla jako produktu odpadowego. Tam jednak zasadniczo kończy się podobieństwo między owadem a ludzkim układem oddechowym. Owady nie mają płuc, ani nie transportują tlenu przez układ krążenia w sposób, w jaki robią to ludzie. Zamiast tego układ oddechowy owadów polega na prostej wymianie gazowej, która kąpie ciało owada w tlen i wydala odpady dwutlenku węgla.

W przypadku owadów powietrze dostaje się do układu oddechowego przez szereg zewnętrznych otworów zwanych spiralami. Te duchy, które u niektórych owadów działają jak zastawki mięśniowe, prowadzą do wewnętrznego układu oddechowego, który składa się z gęsto usieciowanego szeregu rur zwanych tchawicami.

Aby uprościć koncepcję układu oddechowego owadów, pomyśl o tym jak o gąbce. Gąbka ma małe otwory, które pozwalają wodzie ją zwilżyć. Podobnie otwory spiralne pozwalają na przepływ powietrza do wewnętrznego układu tchawicy, kąpiąc tkanki owada w tlen. Dwutlenek węgla, odpady metaboliczne, opuszczają ciało przez duchy.

Owady mogą do pewnego stopnia kontrolować oddychanie. Są w stanie otwierać i zamykać swoje duchy poprzez skurcze mięśni. Na przykład owad żyjący w środowisku pustynnym może zamknąć zawory spiralne, aby zapobiec utracie wilgoci. Odbywa się to poprzez kurczenie się mięśni otaczających spiralę. W celu otwarcia spirali mięśnie się rozluźniają.

Owady mogą również pompować mięśnie, aby przepychać powietrze przez rurki tchawicy, przyspieszając w ten sposób dostarczanie tlenu. W przypadku ciepła lub stresu owady mogą nawet odpowietrzyć powietrze, naprzemiennie otwierając różne spirale i używając mięśni do rozszerzania lub kurczenia ciała. Nie można jednak kontrolować szybkości dyfuzji gazu - ani zalewania wewnętrznej wnęki powietrzem. Z powodu tego ograniczenia, tak długo, jak owady oddychają za pomocą spirali i tchawicy, pod względem ewolucji prawdopodobnie nie będą znacznie większe niż obecnie.

Podczas gdy tlen jest obfity w powietrzu (200 000 części na milion), jest znacznie mniej dostępny w wodzie (15 części na milion w chłodnej, płynącej wodzie). Pomimo tego problemu z oddychaniem wiele owadów żyje w wodzie przez co najmniej kilka etapów swojego cyklu życia.

W jaki sposób owady wodne otrzymują tlen, którego potrzebują, gdy są zanurzone? Aby zwiększyć wchłanianie tlenu w wodzie, wszystkie owady wodne oprócz najmniejszych wykorzystują innowacyjne struktury - takie jak systemy i konstrukcje skrzelowe podobne do ludzkich fajek i sprzętu do nurkowania - do wciągania tlenu i wypychania dwutlenku węgla.

Wiele owadów zamieszkujących wodę ma skrzela tchawicze, które są warstwowymi przedłużeniami ich ciał, które pozwalają im pobierać większe ilości tlenu z wody. Skrzela te najczęściej znajdują się na brzuchu, ale u niektórych owadów występują w dziwnych i nieoczekiwanych miejscach. Trochę kamienne motyle, na przykład, mają skrzela odbytu, które wyglądają jak skupisko włókien wystających z ich tylnych końców. Ważka nimfy mają skrzela w odbytnicy.

Hemoglobina może ułatwiać wychwytywanie cząsteczek tlenu z wody. Nie gryzące larwy muszki z Chironomidae rodzina i kilka innych grup owadów ma hemoglobinę, podobnie jak kręgowce. Larwy chironomidowe są często nazywane dżdżownicami, ponieważ hemoglobina nasyca je jaskrawoczerwonym kolorem. Dżdżownice mogą rozwijać się w wodzie przy wyjątkowo niskim poziomie tlenu. Krwawiące ciało w błotnistych dnach jezior i stawów, dżdżownice są w stanie nasycić hemoglobinę tlenem. Kiedy przestają się poruszać, hemoglobina uwalnia tlen, umożliwiając im oddychanie nawet najbardziej zanieczyszczone środowiska wodne. Zapasowe zaopatrzenie w tlen może trwać tylko kilka minut, ale zwykle wystarcza, aby owad mógł przejść do bardziej natlenionej wody.

Niektóre owady wodne, takie jak larwy, utrzymują połączenie z powietrzem na powierzchni poprzez strukturę przypominającą fajkę. Kilka owadów zmodyfikowało duchy, które mogą przebić zanurzone części roślin wodnych i pobierać tlen z kanałów powietrznych w ich korzeniach lub łodygach.

Niektóre wodne chrząszcze i prawdziwe robaki mogą nurkować, niosąc ze sobą tymczasowy pęcherzyk powietrza, podobnie jak nurek nurkujący z butlą powietrzną. Inni, jak chrząszcze strzeleckie, utrzymują trwały film powietrza wokół swoich ciał. Te wodne owady są chronione siatkową siecią włosów, które odpychają wodę, zapewniając im stały dopływ powietrza, z którego mogą pobierać tlen. Ta struktura przestrzeni powietrznej, zwana plastron, umożliwia im trwałe zanurzenie.

Gullan, P.J. i Cranston, P.S. „The Insects: An Outline of Entomology, 3rd Edition”. Wiley-Blackwell, 2004

Merritt, Richard W. i Cummins, Kenneth W. „Wprowadzenie do owadów wodnych w Ameryce Północnej”. Kendall / Hunt Publishing, 1978

Meyer, John R. "Oddychanie u owadów wodnych. "Department of Entomology, North Carolina State University (2015).