Kuidas putukad hingavad ja kas neil on kopse?

Putukad, nagu ka inimesed, vajavad elamiseks hapnikku ja tekitavad jäätmena süsinikdioksiidi. Kuid just seal lõpeb putukate ja inimese hingamissüsteemide sarnasus. Putukatel pole kopse ega transpordita hapnikku vereringesüsteemi kaudu viisil, mida teevad inimesed. Selle asemel putukate hingamissüsteem toetub lihtsale gaasivahetusele, mis supleb putuka keha hapnikus ja laseb välja süsinikdioksiidi jäätmed.

Putukate jaoks siseneb õhk hingamissüsteemi läbi välimiste avade, mida nimetatakse spiraalideks. Need spiraalid, mis mõnel putukal toimivad lihasklapina, viivad sisemise hingamissüsteemi, mis koosneb tihedalt võrku ühendatud torudest, mida nimetatakse hingetoruks.

Putukate hingamissüsteemi kontseptsiooni lihtsustamiseks mõelge sellele nagu käsn. Käsnal on väikesed augud, mis võimaldavad vett sees niisutada. Sarnaselt võimaldavad spiraaliavad õhku sisemisse hingetoru süsteemi, supeldes putuka kudesid hapnikuga. Süsinikdioksiid, ainevahetusjäätmed, väljuvad kehast spiraalide kaudu.

Putukad suudavad hingamist mingil määral kontrollida. Nad on võimelised oma spiraale avama ja sulgema lihaste kontraktsioonide kaudu. Näiteks kõrbes keskkonnas elav putukas võib niiskuskao vältimiseks oma spiraalklappe suletuna hoida. See saavutatakse spiraali ümbritsevate lihaste kokkutõmbumisega. Spiraali avamiseks lihased lõdvestuvad.

Putukad võivad lihaseid ka pumbata, et suruda õhku hingetoru torudest alla, kiirendades nii hapniku kohaletoimetamist. Kuumuse või stressi korral võivad putukad õhku isegi õhutada, avades vaheldumisi erinevaid spiraale ja kasutades lihaseid keha laiendamiseks või kokkutõmbamiseks. Gaasi difusiooni kiirust või siseõõne üleujutamist õhuga ei saa siiski kontrollida. Selle piirangu tõttu seni, kuni putukad jätkavad hingamist spiraali ja hingetoru süsteemi abil, ei muutu nad evolutsiooni osas tõenäoliselt palju suuremaks kui praegu.

Ehkki õhus on hapnikku küllaga (200 000 osa miljonis), on see vees oluliselt vähem ligipääsetav (jahedas, voolavas vees 15 osa miljoni kohta). Hoolimata sellest hingamisteede probleemist, elavad paljud putukad vähemalt mingis elutsükli etapis vees.

Kuidas saavad vee putukad sukeldudes vajalikku hapnikku? Hapniku omastamise suurendamiseks vees kasutavad kõik peale kõige väiksemate veetaimede putukad uuenduslikke struktuure - näiteks inimese snorkelitele ja akvalangitele sarnased nakkevõrgud ja -struktuurid - hapniku sissejuhtimiseks ja süsihappegaasi välja surumiseks.

Paljudel vees elavatel putukatel on hingetoru lõpused, mis on nende keha kihilised pikendused, mis võimaldavad neil veest suuremas koguses hapnikku võtta. Need lõpused asuvad kõige sagedamini kõhul, kuid mõnel putukal leidub neid veidrates ja ootamatutes kohtades. Mõni kivikärbsednäiteks, on anaalse lõpused, mis näevad välja nagu nende tagaotsast ulatuv hõõgniit. Dragonfly nümfidel on pärasoole sees lõpused.

Hemoglobiin võib hõlbustada hapniku molekulide püüdmist veest. Mittehammustavad keskmised vastsed Chironomidae perekonnal ja veel mõnel putukarühmal on hemoglobiin, sarnaselt selgroogsetele. Chironomidi vastseid nimetatakse sageli vereussideks, kuna hemoglobiin imbib neid erkpunase värviga. Vereussid võivad jõudsalt areneda vees erakordselt madala hapnikusisaldusega. Lainetes oma keha järvede ja tiikide mudastes põhjas, suudavad vereimejad hemoglobiini hapnikuga küllastada. Kui nad liikumise lõpetavad, eraldab hemoglobiin hapnikku, võimaldades neil isegi kõige rohkem sisse hingata saastatud veekeskkond. Hapniku varutoetus võib kesta vaid mõni minut, kuid see on tavaliselt piisavalt pikk, et putukas saaks liikuda hapnikuhappesemasse vette.

Mõned veelised putukad, näiteks roti sabaga haugid, säilitavad snorkelitaolise struktuuri kaudu ühenduse pinnal õhuga. Mõnel putukal on modifitseeritud spiraalid, mis suudavad veetaimede sukeldatud osi läbistada ja juurte või varre õhukanalitest hapnikku võtta.

Teatud vesimardikad ja tõelised vead võivad sukelduda, kandes endaga ajutist õhumulli, sarnaselt sellele, kuidas SCUBA sukelduja kannab õhutanki. Teised, nagu riffide mardikad, hoiavad oma keha ümber püsivat õhukihti. Neid veelisi putukaid kaitseb võrgusilma sarnane karvavõrk, mis tõrjub vett, pakkudes neile pidevat õhuvarustust, kust hapnikku saada. See õhuruumi struktuur, mida nimetatakse plastroniks, võimaldab neil püsivalt sukelduda.

Gullan, P. J. ja Cranston, P.S. "Putukad: Entomoloogia ülevaade, 3. väljaanne." Wiley-Blackwell, 2004

Merritt, Richard W. ja Cummins, Kenneth W. "Sissejuhatus Põhja-Ameerika vee putukatesse." Kendall / Hunt Publishing, 1978

Meyer, John R. "Hingamine vee putukates. "Põhja-Carolina Riikliku Ülikooli entomoloogia osakond (2015).