Дыхание против кислорода
Обычно конструкция имеет тенденцию страдать от плохой конструкции ее отдельных компонентов. В случае с насекомым все обстоит как раз наоборот: оно страдает, когда его дыхательная система работает слишком хорошо и его нельзя задушить.
Дышать или не дышать - это не вопрос высших существ. Потому что без дыхания нет кислорода - а без кислорода довольно неудобное существование на низком уровне, при котором человеку, как дорогому в содержании существу, приходится полагаться исключительно на всякие малоэффективные процессы брожения в клетках для выработки энергии.
Поэтому также логично: Чем больше и быстрее вы получаете кислорода в клетки, чем лучше организована структура дыхательной системы организма, тем быстрее и эффективнее может вырабатываться энергия - и тем эффективнее организм. Полет, например, высший тест на высокую производительность организма, возможен только (среди прочего) благодаря снабжающим топливо турболегким птиц. Вместо этого у летающих насекомых тщательно продуманная система трубок для подачи воздуха, трахея, обеспечивает доставку необходимого количества кислорода непосредственно туда, где требуется энергия, например, в мышечные клетки..
Вообще трахеи: их часто недооценивают как самостоятельные органы дыхания насекомых. По сути, они позволяют полностью избежать раздражающего обходного пути растворения кислорода в транспортной жидкости, такой как кровь. Большинство взрослых насекомых не знакомы с дорогостоящими газотранспортными молекулами, такими как гемоглобин, - они лишние. И, как старое заблуждение, неверно также и то, что отдельные молекулы кислорода движутся очень медленно в заполненной воздухом системе трубок: в газовой среде они пассивно движутся примерно в 200 000 раз быстрее, чем в водной среде (например, в крови). Таким образом, чистой диффузии частиц газа может быть достаточно для снабжения всех клеток, имеющих трахейное соединение, даже у крупных насекомых - без необходимости устанавливать множество дополнительных наворотов для распределения и смешивания.
Просто забавно: Такие уловки еще не слишком плотно вмонтированы в трахейную систему некоторых насекомых. Что не совсем ясно, так это роль сложных систем закрытия боковых дыхательных отверстий - они обеспечивают, чтобы некоторые насекомые могли полностью изолировать себя от внешнего доступа воздуха. Эти вентиляционные створки открываются и закрываются в очень правильном ритме - шестиногие существа «дышат прерывисто». просто почему? С чисто физической точки зрения, он должен работать без системы регулирующих клапанов, которая настолько сложна в управлении и дорога в производстве - и это происходит с некоторыми видами насекомых, производительность которых не совсем снижена.
В настоящее время среди энтомологов циркулируют несколько возможных объяснений этого явно бессмысленного способа предотвращения дыхания. Классическим, например, является предположение, что закрытие поможет целенаправленно экономить воду в сухих условиях, поскольку оно может предотвратить выпуск насыщенного парами воздуха для дыхания. Хорошая теория - просто не соответствует реальности животного мира: например, плодовые мушки, которые дышат прерывисто, теряют в среднем столько же жидкости, сколько некоторые их особые генетические варианты, которые вообще не используют дыхательную регуляцию. В целом нельзя сказать, что животные в сухой среде все больше полагаются на закрывающиеся трахеи.
Стефан Хетц из Университета имени Гумбольдта в Берлине и Тимоти Брэдли из Калифорнийского университета в Ирвине предлагают совершенно другое объяснение функции закрывающихся клапанов и циклических ритмов дыхания. Они сосредоточились на довольно плохих свойствах кислорода-обоюдоострого меча: хотя его дыхательное горение дает много энергии, он также токсичен и распадается на реактивные радикалы, которые окисляют и разрушают ткани и генетический материал в более высоких концентрациях.
Поэтому лучше не иметь большого количества дыхательных газов в организме. В пассивных тканях позвоночных, например, O2 достигает концентрации примерно в четыре раза ниже, чем в окружающем воздухе, и в десять раз ниже значений при быстром вдыхании. и интенсивно, как в мышечной ткани. А у насекомых?
Это зависит, по словам исследователей: у насекомых без регуляции дыхательного клапана концентрация кислорода может почти достигать концентраций в организме, даже на самых тонких концах трахеи, из-за отличной вентиляции тела, как у насекомых. окружающего воздуха - и, таким образом, явно опасные значения для компонентов ячейки, подверженных риску окисления. Это отличается от животных, которые дышат прерывисто, как Хетц и Брэдли измеряли на куколках атласной моли Attacus atlas: независимо от того, насколько велико количество кислорода в окружающей среде, разумное количество кислорода оседает в трахее, которого достаточно для дыхания, не подвергая опасности ткань.
По мнению ученых, причиной этого являются клапаны: они не пропускают избыток кислорода. Вентиляционные отверстия тогда открываются не потому, что кислород для дыхания заканчивается внутри замкнутой системы трахеи, а потому, что здесь увеличивается количество углекислого газа, который вырабатывается при обработке пищи и должен быть выдыхаем..
Но тогда почему не все насекомые используют эту форму дыхания? Потому что в этом нет необходимости для очень активных животных, так как они также очень быстро метаболизируют большое количество кислорода в своих трахеях. На самом деле насекомые никогда не дышат прерывисто, например, в полете, даже если у них есть встроенные для этого необходимые инструменты. Но все по-другому - например, с куколками бабочек - как только скорость метаболизма падает: дыхательная система теперь явно раздута, и опасный кислород больше не вдыхается достаточно быстро.
Итак, новый взгляд на функцию клапанов, предотвращающих вентиляцию: они не открываются, как только организму требуется больше кислорода, они открываются, как только больше кислорода больше не может нанести вред организму.