الحشرات مثل البشر تتطلب الأكسجين لتعيش وتنتج ثاني أكسيد الكربون كمخلفات، وهذا، هو المكان الذي ينتهي فيه التشابه بين التفس في الحشرات والجهاز التنفسي البشري، ولا تمتلك الحشرات رئتين، كما أنها لا تنقل الأكسجين عبر جهاز الدورة الدموية بالطريقة التي يقوم بها البشر، وبدلا من ذلك، يعتمد الجهاز التنفسي لدى الحشرات على تبادل الغازات البسيط الذي يغمر جسم الحشرات بالأكسجين ويطرد نفايات ثاني أكسيد الكربون.
الجهاز التنفسي لدى الحشرات:
بالنسبة للحشرات، يدخل الهواء إلى أجهزة التنفس من خلال سلسلة من الفتحات الخارجية تسمى الفتحات التنفسية، وتؤدي هذه الفتحات التنفسية التي تعمل كصمامات عضلية في بعض الحشرات إلى الجهاز التنفسي الداخلي الذي يتكون من مجموعة شبكية كثيفة من الأنابيب تسمى الفتحات التنفسية.
لتبسيط مفهوم الجهاز التنفسي لدى لحشرات، فكر في الأمر مثل الإسفنج، فيحتوي الإسفنج على ثقوب صغيرة تسمح للماء بداخله بترطيبه، وبالمثل، تسمح الفتحات التنفسية للهواء بالدخول إلى نظام القصبة الهوائية الداخلي، مما يغمر أنسجة الحشرات بالأكسجين، ويخرج ثاني أكسيد الكربون، وهي نفايات أيضية من الجسم من خلال الفتحات التنفسية.
كيف تتحكم الحشرات في التنفس؟
تستطيع الحشرات التحكم في التنفس إلى حد ما، وهي قادرة على فتح وإغلاق الفتحات التنفسية عن طريق تقلصات العضلات، على سبيل المثال، تستطيع الحشرات التي تعيش في بيئة صحراوية أن تحافظ على صمامات فتحات التنفس مغلقة لمنع فقدان الرطوبة، ويتم تحقيق ذلك عن طريق تقليص العضلات المحيطة بالفتحات التنفسية، ومن أجل فتح الفتحات التنفسية تسترخي العضلات.
تستطيع الحشرات أيضا ضخ العضلات لدفع الهواء إلى أسفل أنابيب الفتحات التنفسية، وبالتالي تسريع توصيل الأكسجين، وفي حالات الحرارة أو الإجهاد، تستطيع الحشرات حتى صرف الهواء بالتناوب عن طريق فتح الفتحات التنفسية المختلفة واستخدام العضلات لتوسيع أو تقليص أجسامها، ومع ذلك، لا يمكن التحكم في معدل انتشار الغاز أو إغراق التجويف الداخلي بالهواء، وبسبب هذا القيد، طالما استمرت الحشرات في التنفس باستخدام نظام التنفس والفتحات التنفسية من حيث التطور فمن غير المرجح أن تصبح أكبر بكثير مما هي عليه الآن.
كيف تتنفس الحشرات المائية؟
في حين أن الأكسجين وفير في الهواء (200000 جزء في المليون)، إلا أنه يصعب الوصول إليه في الماء (15 جزءا في المليون في الماء البارد المتدفق)، وعلى الرغم من هذا التحدي التنفسي، تعيش العديد من الحشرات في الماء خلال بعض مراحل دورات حياتها على الأقل، فكيف تحصل الحشرات المائية على الأكسجين التي تحتاجه أثناء غمرها؟ لزيادة امتصاصها للأكسجين في الماء تستخدم جميع الحشرات المائية باستثناء أصغرها هياكل مبتكرة مثل أنظمة الخياشيم والهياكل المشابهة للغطس البشري ومعدات الغوص لسحب الأكسجين وإخراج ثاني أكسيد الكربون.
تنفس الحشرات بالخياشيم:
تمتلك العديد من الحشرات التي تعيش في الماء خياشيم القصبة الهوائية، وهي عبارة عن امتدادات ذات طبقات لأجسامها تمكنها من امتصاص كميات أكبر من الأكسجين من الماء، وغالبا ما توجد هذه الخياشيم في البطن، ولكن في بعض الحشرات توجد في أماكن غريبة وغير متوقعة، وبعض الذباب الحجري، على سبيل المثال لها خياشيم شرجية تشبه مجموعة من الخيوط تمتد من نهاياتها الخلفية، وحوريات اليعسوب لها خياشيم داخل المستقيم.
يمكن للهيموغلوبين أن يحبس الأكسجين في الحشرات:
يمكن أن يسهل الهيموغلوبين إلتقاط جزيئات الأكسجين من الماء لدى الحشرات، وتمتلك يرقات الذبابة غير القارضة من عائلة الهاموشيات، وعدد قليل من مجموعات الحشرات الأخرى الهيموجلوبين تماما مثل الفقاريات، وغالبا ما تسمى يرقات الوامئات ديدان الدم لأن الهيموجلوبين يضفي عليها لونا أحمر فاتحا، ويمكن أن تتكاثر ديدان الدم في الماء مع انخفاض مستويات الأكسجين بشكل استثنائي.
ومن خلال تمويج أجسادها في القيعان الموحلة للبحيرات والبرك تكون ديدان الدم قادرة على تشبع الهيموجلوبين بالأكسجين، وعندما يتوقف الهيموجلوبين عن الحركة يطلق الأكسجين، مما يمكن الحشرات من التنفس حتى في أكثر البيئات المائية تلوثا، وقد يستمر إمداد الأكسجين الإحتياطي هذا بضع دقائق فقط ولكنه عادة ما يكون طويلا بما يكفي لإنتقال الحشرات إلى المزيد من الماء المؤكسج.
نظام الغطس لدى الحشرات:
تحافظ بعض الحشرات المائية، مثل اليرقات ذات الذيل الجرذ على اتصال مع الهواء على السطح من خلال هيكل يشبه الغطس، وقام عدد قليل من الحشرات بتعديل الفتحات التنفسية التي يمكن أن تخترق الأجزاء المغمورة من النباتات المائية وتأخذ الأكسجين من قنوات الهواء داخل جذورها أو سيقانها.
غوص سكوبا لدى الحشرات:
يمكن لبعض الخنافس المائية والحشرات الحقيقية الغوص عن طريق حمل فقاعة مؤقتة من الهواء معها، تماما مثل غواص سكوبا الذي يحمل خزان هواء، والبعض الآخر مثل خنافس البنادق يحتفظون بغشاء دائم من الهواء حول أجسادهم، وهذه الحشرات المائية محمية بشبكة من الشعر تشبه الشبكة التي تصد الماء، وتزودها بإمدادات هواء ثابتة لسحب الأكسجين منها، وهيكل المجال الجوي هذا الذي يطلق عليه اسم الدرع يمكن الحشرات من البقاء مغمورة بشكل دائم.
