Люди, плохо знающие биологию, обычно не представляют себе строение беспозвоночных. Есть ли у них кровь и имеется ли мозг? Дышат ли насекомые? Подавляющему большинству живых организмов для жизни необходим кислород. Он окисляет поступающие вещества - делит их на более простые по строению структуры. Растения тоже в процессе дыхания используют кислород. Лишь анаэробные микроорганизмы и некоторые многоклеточные животные не нуждаются в этом элементе. Однако и они дышат, только используют для окисления другие органические или неорганические вещества.

Мир небольших существ

Насекомые - маленькие организмы, размеры которых не превышают нескольких сантиметров. Их строение не позволяет увеличивать объем и вес в современных условиях. Этого нельзя сказать о древних членистоногих, живших во времена динозавров и еще раньше. В те времена атмосфера была совсем иной: другая плотность воздуха, состав газов. Да и сама планета Земля весила меньше. Стрекозы в далеком прошлом достигали размеров более полуметра.

Чем дышат насекомые? И что не дало им эволюционировать до размеров, к примеру, кошки в современных условиях? Ученые считают, что это своеобразная дыхательная система.

Немного из систематики

Насекомые относятся к подтипу трахейнодышащие (Tracheata). В тип членистоногих также входят подтипы жабродышащих (ракообразные) и хелицеровых (пауки, скорпионы, клещи и др.).

Чем дышат насекомые?

Само название подтипа говорит о способе дыхания. Однако хелицеровые дышат подобным же образом. Насекомые приобрели в ходе эволюции сложную систему трахей. Трахеи - это внутренние трубочки, проводящие воздух к клеткам тела. Трахейная система устроена непросто, потому что трахеи ветвятся на огромное количество тонких трубочек. Каждая из них подходит к небольшой группе клеток. Сеть трахей у насекомых аналогична системе кровеносных сосудов и капилляров у позвоночных животных.

Дыхальца насекомых

Воздух в трахеи входит через дыхальца - особые отверстия на теле насекомых. Дыхальца - стигмы - расположены парно, обычно по бокам тела. Регуляция поступления воздуха обеспечивается специальными запирательными устройствами.

От каждого дыхальца обычно отходит три симметричных больших ветви трахеи:

1. Дорзальная. Обеспечивает кислородом спинной сосуд с гемолимфой и дорзальную мускулатуру.
2. Висцеральная. Обслуживает пищеварительную систему и половые органы.
3. Вентральная. Обслуживает брюшную мускулатуру и нервную цепочку.

Трахеолы насекомых

Окончания трахей разветвляются на очень тонкие капиллярные трубочки - трахеолы. Их диаметр меньше 1 микрометра. Трахеолы разветвляются в межклеточном пространстве, оплетают клетки. Они являются функциональной частью трахейной системы, обеспечивающей диффузию кислорода в клетки тела.

Дополнительные образования

Чем дышит большинство насекомых? Органы дыхания - это трахеи. Однако некоторые членистоногие имеют еще и воздушные мешки. Такое строение напоминает легкие или, скорее, воздушные мешки птиц для увеличения объема воздуха в организме. Раздутые участки имеются у быстролетающих насекомых (пчелы, мухи). Они лежат по ходу трахейных стволов. В результате сокращения мышц тела при полете воздушные мешки сжимаются и расправляются, увеличивая поступление и выход воздуха.

Каким органом дышат насекомые, обитающие в воде?

Например, паук-серебрянка, обитающий в средней полосе России, большую часть жизни проводит под водой. Он носит с собой запас пузырьков воздуха. Так что ему не пришлось менять что-то в дыхательной системе. У пауков подобная трахейная система, как и у насекомых.

Жук-плавунец - распространенный обитатель прудов средней полосы России. Тоже дышит трахеями. Он периодически поднимается к поверхности воды, выставляет кончик брюшка. Воздух попадает под надкрылья и сохраняется там. Запас кислорода водяной жук носит с собой.

То же самое делают и остальные водные жуки. Вертячка охотится на поверхности пруда, однако, ныряя при опасности, также захватывает с собой воздух. Он выглядит как блестящая оболочка на конце брюшка.

Многие водные клопы также захватывают воздух в виде пузырька с поверхности. Как, например, гладыш. Он носит с собой пузырек воздуха, прикрепленный на конце брюшка. Такое приспособление помогает ему еще и лучше плавать.

Часть водных клопов (водяной скорпион, ранатра) имеют особую трубку на конце брюшка. Она состоит из двух желобкообразных половинок. Клоп двигает брюшком - делает дыхательные движения. По трубке воздух поступает к дыхальцам.

Органы дыхания личинок

Взрослые насекомые дышат при помощи трахей. Личинки же имеют более разнообразные органы дыхания. Личинки каких насекомых дышат трахеями? Сухопутные представители имеют трахейную систему. Например, у гусениц бабочек есть 9 пар стигм по бокам тела. Первая пара на груди, остальные - на сегментах брюшка. Иногда вторая пара дыхалец бывает закрыта.

У большинства водных насекомых и их личинок также имеется трахейная система. Однако огромное количество представителей имеет образования, похожие на жабры. Это выросты, расположенные на местах дыхалец. Кислород поступает через тонкие покровы трахейных выростов в организм. Так дышат личинки поденок, веснянок, ручейников. Личинки разнокрылых стрекоз тоже имеют трахейные жабры, однако расположены они в кишечнике, то есть внутри организма.

Мотыль имеет нитевидные жабры, но в большом количестве поглощает кислород всей поверхностью тела. В организме мотыля всегда имеется запас кислорода. По этой причине он может жить в загрязненных водоемах.

Личинки перистоусого комарика (семейство комары толстохоботные) дышат кислородом, растворенным в воде, поглощая его всей поверхностью тела.

Органы дыхания куколок

Чем дышат насекомые, находящиеся на стадии куколки? Считается, что третья стадия развития насекомого неподвижна. Однако даже куколки бабочек могут шевелить брюшком. А куколка божьей коровки кивает головой, вероятно, отпугивая врагов. Насекомые этой стадии дышат трахеями.

Среди куколок водных насекомых имеются очень подвижные особи. Это, например, кровососущие комары. Их куколки регулярно поднимаются к поверхности воды для всасывания воздуха через специальные трубочки на конце брюшка.

Куколка перистоусого комарика похожа на куколку обыкновенного комара. Но она не поднимается к поверхности воды до выхода взрослой особи. Органом дыхания служат покровы тела.

Чем дышат насекомые, не имеющие трахей? Органами дыхания некоторых первичнобескрылых насекомых и личинок, обитающих в тканях, служат кожные покровы. Они достаточно тонкие для прохождения газов. Углекислый газ также выделяется через кутикулу, что частично наблюдается и у насекомых, имеющих трахеи.

Насекомые часто двигают брюшком - делают дыхательные движения. Частота дыхательных движений возрастает во время полета. Дыхательные мышцы сокращаются и расслабляются, например, у пчелы в состоянии покоя около 40 раз в минуту. Во время полета в несколько раз чаще.

У более примитивных насекомых дыхальца не закрываются. Однако они защищены волосками от попадания мусора. У более сложноустроенных членистоногих стигмы способны открываться и закрываться для регуляции поступления воздуха. Кроме того, часть дыхалец может служить для вдоха, а другая часть - для выдоха воздуха.

Интересно, что стигмы у насекомых имеют разную форму и цвет. Они могут быть круглые, овальные, треугольные. Их цвет иногда отличается от окраски окружающей кутикулы.

Таким образом, природа создала трахейную систему еще до появления легких. Такая система отлично организована. Система дыхалец обеспечивает постоянный ток воздуха. Кислород разносится ко всем клеткам тела.

Строение трахейной системы. Дыхание насекомых осуществляется через систему трахей, распространенных по всему телу, реже - через поверхность кожных покровов. Трахеи представлены полыми трубками, выстланными хитином в виде спиральных утолщений, препятствующих спаданию трахей при движении и изгибах тела. Трахеи разветвляются на мельчайшие капилляры - трахеолы диаметром менее 1 мкм, доставляющие кислород воздуха непосредственно к тканям и клеткам тела.

Дыхание. Поступление воздуха в трахейную систему происходит чаще всего активно, с помощью дыхательных движений. При этом те или иные дыхальца открываются или закрываются, выполняя вдох или выдох. Ритм дыхательных движений зависит от вида насекомого, его состояния и внешних условий. Так, медоносная пчела в покое совершает около 40 дыхательных движений в 1 мин, а в движении - до 120; у некоторых саранчовых увеличение их числа от 6 до 26 и более происходит при повышении температуры среды от 0 °С до 27 °С и выше.

У многих видов насекомых воздух вдыхается через грудные и выдыхается через брюшные дыхальца. Ритм работы дыхалец связан с дыхательными движениями брюшка; при повышении и понижении давления воздуха, вызываемых этими движениями, одни дыхальца открываются наружу, другие - внутрь тела насекомого. Однако под влиянием больших доз углекислого газа, различных ядов, а иногда и без видимых причин циркуляция воздуха может измениться, т. е. он начинает поступать через брюшные дыхальца и выходить через грудные. Кроме этого, при повышении содержания углекислого газа и недостатке кислорода в окружающей среде дыхальца остаются открытыми более продолжительное время, в связи с чем фумигация помещения против вредителей будет более эффективной.

Дыхание представляет собой окислительный процесс, идущий за счет потребления кислорода и выделения углекислоты. Процесс окисления идет при участии окислительных ферментов - оксидаз и сопровождается постепенным расщеплением молекул расходуемых соединений - углеводов, жиров, белков - и выделением энергии. Расщепление этих соединений в конечном счете завершается образованием углекислого газа и воды, а для белков еще и появлением продуктов распада, связываемых в более безопасные для организма соединения типа мочевины и ее солей.

Таким образом, дыхание сопровождается газообменом. Процесс газообмена характеризуется дыхательным коэффициентом (ДК), представляющим отношение выделенного углекислого газа к общему количеству поглощенного кислорода. По этому показателю можно судить, какие вещества используются в данный момент в качестве источника энергии. При окислении углеводов ДК = 1, при использовании менее окисленных соединений жиров ДК снижается до 0,7, а белков - до 0,77-0,82. Например, при голодании тараканов ДК снижается до 0,65-0,85, что соответствует преимущественному расходованию ранее запасенных жиров.

Другие формы дыхания. Дыхание водных насекомых происходит как за счет атмосферного воздуха, так и за счет использования воздуха, растворенного в воде. Так, жуки-плавунцы, живя в воде, дышат за счет атмосферного воздуха, запасенного под надкрыльями на конце брюшка, и время от времени поднимаются на поверхность для возобновления его запасов. Жуки из рода радужниц добывают атмосферный воздух из воздухоносных сосудов водных растений.

При использовании воздуха, растворенного в воде, насекомые дышат с помощью жабр. Жабры представлены наружными ветвистыми или пластинчатыми образованиями, находящимися на месте отсутствующих дыхалец. Они развиты у личинок поденок, стрекоз, ручейников, некоторых двукрылых. У личинок разнокрылых стрекоз жабры ректальные, т. е. являются внутренними органами и находятся в прямой кишке.

Температура тела. Насекомые относятся к животным с непостоянной температурой тела. Она зависит от интенсивности процессов образования тепла и его отдачи. Источниками образования тепла у насекомых являются, с одной стороны, процессы обмена веществ в организме, сопровождающиеся выделением тепловой энергии, и лучистая энергия солнца или нагретый им воздух - с другой.

По данным И. Д. Стрельникова, температура тела насекомых, находящихся в покое и не подвергающихся облучению солнцем, примерно равна температуре окружающей среды. В связи с тем, что температурный оптимум для многих видов колеблется около 20...35 °С, насекомые могут в известных пределах регулировать температуру тела за счет изменения мышечной активности (движение, полет) или передвижения на более нагретые или прохладные участки, иногда за счет изменения позы. Известное значение в регуляции температуры тела могут иметь испарение воды с поверхности кожных покровов и вентиляция трахей, особенно с помощью воздушных мешков.

У насекомых нет лёгких. Основная дыхательная система у них - трахеи. Трахеи насекомых - это сообщающиеся воздухоносные трубочки, которые открываются наружу по бокам тела отверстиями-дыхальцами. Тончайшие разветвления трахей - трахеолы - пронизывают всё тело, оплетая органы и проникая даже внутрь некоторых клеток. Таким образом кислород доставляется с воздухом непосредственно к месту его потребления в клетках тела, и газообмен обеспечивается без участия кровеносной системы.

Многие живущие в воде насекомые (водные жуки и клопы, личинки и куколки комаров и др.) должны время от времени подниматься к поверхности, чтобы захватить воздух, т. е. у них дыхание тоже воздушное. Личинки комаров, долгоножек и некоторых других насекомых на время обновления запаса воздуха в трахейной системе «подвешиваются» снизу к поверхностной плёнке воды с помощью несмачиваемых жирных волосков.

А водные жуки - водолюбы (Hydrophilidae), плавунцы (Dytiscidae) и клопы, например, гладыши (Notonectidae) - подышав у поверхности, уносят дополнительный запас воздуха с собой под воду под надкрыльями.

У личинок насекомых, живущих в воде, во влажной почве и в тканях растений, большую роль играет также кожное дыхание.

Хорошо приспособившиеся к жизни в воде личинки подёнок, веснянок, ручейников и других насекомых не имеют открытых дыхалец. Кислород у них проникает внутрь через поверхность всех участков тела, где покровы достаточно тонки, особенно через поверхность листовидных выростов, пронизанных сетью слепо заканчивающихся трахей. У личинок комаров-мотылей (Chironomus) дыхание тоже кожное, всей поверхностью тела.

). По бокам тела находится до 10 пар, иногда меньше, дыхалец, или стигм: они лежат на средне - и заднегруди и на 8 члениках брюшка.

Стигмы часто снабжены особыми замыкательными аппаратами и ведут каждая в короткий поперечный канал, а все поперечные каналы соединены между собой парой (или больше) главных продольных трахейных стволов. От стволов берут начало более тонкие трахеи, ветвящиеся многократно, и опутывающие своими разветвлениями все органы. Заканчивается каждая трахея концевой клеткой с радиально расходящимися отростками, пронизанными конечными канальцами трахеи ( рис. 341). Концевые веточки этой клетки (трахеолы) проникают даже внутрь отдельных клеток тела.

Иногда трахеи образуют местные расширения, или воздушные мешки, которые служат у наземных насекомых для улучшения вентиляции воздуха в трахейной системе, а у водных, вероятно, в качестве резервуаров, увеличивающих запас воздуха в теле животного.

Трахеи возникают у зародыша насекомых в виде глубоких впячиваний эктодермы; как и остальные эктодермальные образования, они выстланы кутикулой ( рис. 341). В поверхностном слое последней образуется спиральное утолщение, придающее трахее эластичность и препятствующее спадению стенок.

В простейших случаях поступление кислорода в трахейную систему и удаление из нее углекислого газа происходит путем диффузии через постоянно открытые стигмы. Это наблюдается, однако, только у малоактивных насекомых, обитающих в условиях повышенной влажности.

Активизация поведения и переход к обитанию в засушливых биотопах значительно усложняют механизм дыхания. Возрастающая потребность организма в кислороде обеспечивается появлением специальных дыхательных движений, состоящих из расслабления и сжимания брюшка. При этом происходит вентилирование трахейных мешков и основных трахейных стволов. Образование замыкательных аппаратов на стигмах снижает потери воды в процессе дыхания. Так как скорость диффузии паров воды ниже, чем кислорода, то при кратковременном открывании стигм кислород успевает проникнуть в трахейную систему, а потери воды оказываются минимальными.

У многих живущих в воде личинок насекомых (например, стрекоз, поденок и др.) трахейная система является замкнутой, т. е. стигмы отсутствуют, тогда как сама трахейная сеть налицо. У таких форм кислород диффундирует из воды через трахейные жабры, пластинчатые или кустистые, тонкостенные выросты тела, пронизанные богатой сетью трахей ( рис. 342). Чаще всего трахейные жабры сидят по бокам части члеников брюшка (личинки поденок). Кислород поступает через тонкие покровы жабр, попадает в трахеи и затем разносится по телу.

Во время превращения жабродышащих личинок во взрослое насекомое, живущее на суше, жабры исчезают, а стигмы открываются и трахейная система из замкнутой переходит в открытую.

Важная физиологическая особенность дыхательной системы насекомых состоит в следующем. Обыкновенно кислород воспринимается животным в определенных участках его тела и оттуда разносится кровью по всему организму. У насекомых же воздухоносные трубочки пронизывают все тело и доставляют кислород прямо к местам его потребления, т. е. к тканям и клеткам, как бы заменяя собой кровеносные сосуды.