Как дышат насекомые?

В солнечный день над полем порхают бабочки, стрекочут кузнечики, роятся пчёлы и жужжат мухи. Они везде — на земле, в воздухе, под водой, в древесине и в пыли. Насекомые — самые многочисленные существа на планете, от них невозможно скрыться. Они бесшумно проникают в каждый уголок природы, часто оставаясь почти незаметными. Но мало кто задумывается: а как они вообще дышат? Как столь крохотные создания, лишённые лёгких и грудной клетки, справляются с задачей, жизненно важной для всех животных?

Ответ на этот вопрос раскрывает не только анатомию насекомых, но и удивительное изящество природы, способной приспосабливать формы жизни к самым разным условиям. Дыхание насекомых — это система, не имеющая аналогов у других животных. Уникальная, совершенная, экономичная и приспособленная к существованию в мире миниатюр.

Почему насекомым тоже нужно дышать?

Как и все живые организмы, насекомые нуждаются в кислороде для поддержания обмена веществ. В их клетках происходят те же химические реакции, что и у млекопитающих, птиц или рыб: питательные вещества окисляются, выделяется энергия, углекислый газ уходит как продукт распада.

Кислород нужен:

• для работы мышц (особенно лётных);

• для активности мозга;

• для роста, метаморфозов, линек;

• для общего жизнеобеспечения.

Но если у человека кислород попадает в лёгкие, затем — в кровь, и только потом переносится к органам, то у насекомых всё устроено совершенно иначе.

Нет лёгких — и нет проблем

У насекомых нет лёгких, как у позвоночных. Вместо них действует трахейная система — уникальный аппарат, доставляющий кислород напрямую к тканям, минуя кровь.

Эта система состоит из:

• дыхалец — маленьких отверстий на поверхности тела;

• трахей — тончайших трубочек, отходящих от дыхалец внутрь;

• трахеол — ещё более тонких окончаний, проникающих прямо в клетки.

Таким образом, каждый орган, каждая мышца получает кислород не через сосуд, а по отдельной трубке, как по персональному воздуховоду. Это делает дыхание насекомых очень быстрым и эффективным, особенно для крохотных тел, где расстояния от поверхности до центра минимальны.

Что такое дыхальца?

Дыхальца (стигмы) — это отверстия в хитиновом покрове насекомого. Обычно они располагаются парно по бокам тела, в каждом сегменте грудного и брюшного отделов. Внешне они почти незаметны, но если рассмотреть под микроскопом, можно увидеть крошечные овальные или круглые щели с клапанами.

Функции дыхалец:

• впуск кислорода;

• выпуск углекислого газа;

• защита от пыли и воды (с помощью волосков, мембран или клапанов).

Дыхальца могут открываться и закрываться, регулируя подачу воздуха. При этом насекомое способно сокращать мышцы брюшка, чтобы усилить ток воздуха внутрь тела.

Трахеи и трахеолы: дыхание в трубочках

От дыхалец в тело уходят трахеи — трубочки, состоящие из хитина, того же вещества, что формирует внешний скелет насекомого. Трахеи ветвятся всё тоньше и тоньше, пронизывая тело, пока не превращаются в трахеолы — ультратонкие каналы, заходящие вглубь тканей.

Трахеолы заканчиваются вблизи:

• мышечных волокон;

• нейронов;

• органов чувств;

• желез и кишечника.

Они настолько тонкие, что кислород диффундирует прямо в клетки, без участия какой-либо транспортной системы. Это делает обмен чрезвычайно быстрым, особенно у активных видов — пчёл, стрекоз, муравьёв.

Как насекомые двигают воздух внутри себя?

У крупных насекомых одной только диффузии недостаточно. Поэтому они активно нагнетают воздух с помощью:

• сокращений брюшка (подобие дыхательных движений);

• перистальтики тела;

• клапанной работы дыхалец;

• изменения давления в полости тела.

Например, кузнечики «дышат» путём ритмичных движений брюшка — оно пульсирует, сжимаясь и расширяясь, прокачивая воздух по трахейной системе.

А вот у некоторых мелких насекомых всё происходит пассивно — кислород сам проникает внутрь, а углекислый газ выходит наружу.

Зачем насекомым много дыхалец?

Количество дыхалец зависит от размера насекомого. У большинства их от 8 до 10 пар. Они располагаются:

• по 2 пары на груди;

• по 6–8 пар на брюшке.

Чем больше дыхалец, тем выше потребление кислорода. Активные, летающие или роющиеся насекомые нуждаются в большем притоке воздуха, чем малоподвижные.

У личинок комаров, например, дыхальца расположены на хвосте — они дышат, высовывая его на поверхность воды. У водяных клопов есть специальные дыхательные трубки, а у некоторых жуков — воздушные запасы под крыльями, наподобие акваланга.

Как насекомые дышат под водой?

Большинство насекомых — наземные, но немало видов живут и под водой. Как они получают кислород?

Существует несколько приспособлений:

1. Воздушный пузырь

Некоторые водные жуки (например, плавуны) запасают пузырёк воздуха под надкрыльями, выныривая время от времени, чтобы обновить его. Этот пузырь служит как миниатюрный резервуар кислорода и одновременно как «жабра»: диффузия кислорода из воды позволяет жуку оставаться под водой дольше.

2. Водяные трахейные жабры

У личинок стрекоз и подёнок развиты жабровые выросты, через которые кислород диффундирует из воды в трахейную систему.

3. Сифон

Некоторые комариные личинки и водяные клопы имеют длинный сифон, который они выставляют над поверхностью воды, словно трубку для дыхания.

Каждое из этих приспособлений показывает, насколько разнообразно и изобретательно эволюция решила задачу дыхания в водной среде.

Есть ли кровь в дыхании насекомых?

Хотя у насекомых есть жидкость, которую условно можно назвать кровью — гемолимфа, — она не участвует в транспортировке кислорода. В отличие от крови позвоночных, содержащей гемоглобин, гемолимфа служит:

• для транспортировки питательных веществ;

• для выведения отходов;

• для защиты (иммунная функция);

• для поддержания давления.

Кислород же доставляется по воздуху напрямую в ткани, что делает систему очень лёгкой и быстрой — но с одним ограничением: она работает эффективно только в малых масштабах.

Почему насекомые не могут быть огромными?

Одна из причин, по которой насекомые не вырастают до размеров собак или лошадей, — ограниченность трахейной системы. Диффузия воздуха по трубочкам эффективна только на короткие расстояния. Увеличение размеров потребовало бы:

• чрезмерного утолщения трахей;

• значительного увеличения давления воздуха;

• слишком больших энергетических затрат.

В древности, при высоком содержании кислорода в атмосфере, действительно существовали гигантские насекомые — меганевры с размахом крыльев до 70 см. Но с уменьшением уровня кислорода они вымерли, а современные формы стабилизировались на комфортных размерах.

Как дыхание связано с поведением?

Уровень потребления кислорода напрямую влияет на активность насекомых. Например:

• пчела в полёте дышит в десятки раз быстрее, чем в покое;

• муравей в жару «переключает» дыхальца, чтобы избежать перегрева;

• кузнечик может замедлять дыхание ночью, снижая обмен веществ.

Даже у паразитов, живущих в теле других животных, есть свои приспособления: они умеют вытягивать тело к источникам воздуха, проникая в полости или близко к коже.

Заключение

Как дышат насекомые? По-своему. Не так, как мы. Не через лёгкие, не через жабры, не через бронхи. Они вдыхают мир не ртом, а кожей, трубочками, крошечными клапанами. Их дыхание — это прямой, бескровный, молчаливый процесс, совершенный в своей простоте и грации.

Трахейная система — это гениальное изобретение природы. Она позволила насекомым стать легкими, быстрыми, многочисленными. Благодаря ей они освоили все среды — от верхушек деревьев до глубин водоёмов, от песчаных пустынь до городских многоэтажек.

Насекомые дышат иначе — но дышат, живут, движутся, и этим напоминают нам: жизнь может принимать самые разные формы. И в каждой из них — логика, красота и своя неповторимая биология.