Відкритий бізнес: Як медоносний стулник переміщує рідину без судин

Відкрита система: відсутні артерії та вени

У людини циркуляція закрита: кров залишається всередині безперервного ланцюга судин, переміщуючись від серця до артеріол, капілярів, вен і назад, ніколи не контактуючи безпосередньо з більшістю тканин. Кровообіг метелика працює на абсолютно іншому принципі. Метелики, як і майже всі комахи, мають відкриту циркуляторну систему, в якій тілесний рідина, відома як гемолімфа, вільно циркулює через основне тілесне порожнину, безпосередньо омиваючи органи, м’язи та тканини замість того, щоб залишатися замкненою в трубках.

У системі немає капілярів, які доставляють рідину до окремих клітин, і немає спеціалізованих судин повернення; замість цього гемолімфа «злизується» через відкриті простори тілесної порожнини, що називається гемоцелем, під дією комбінації простого пульсуючого серця та набору допоміжних насосів, розташованих навколо тіла. Це вражаюче відмінне інженерне рішення для вирішення однієї й тієї ж базової проблеми, яку повинні вирішити всі тварини певної розмірності: доставляння поживних речовин, сигналів та відходів у великому тілі, яке не піддається транспортуванню лише за допомогою дифузії.

Спинальна трубка: серце метелика

Серце метелика не є компактним чотирикамерним органом, прихованим за ребрами; це довга трубчаста структура, яка проходить по всій довжині тіла, безпосередньо під верхньою частиною черевця та грудей. Живітна частина цієї трубки, яка називається серцем, має ряд парних отворів, що називаються остіями. Ці отвори діють як односторонні клапани: коли м’язи серця скорочуються хвилеподібним рухом від задньої частини черевця до голови, гемолімфа всмоктується через остії та штовхається до голови.

За серцем, переднє звужене продовження спінальної трубки, яке називається аортою, переносить гемолімфу вгору по грудях і вивільняє її біля мозку, де вона потім просочується назад через відкриту черевну порожнину, зрештою повертаючись до черевця, щоб знову всмоктатися серцем. Цей цикл зазвичай завершується багато разів на хвилину, і частота пульсу помітно збільшується, коли метелик активний або зігрівається для польоту, подібно до того, як частота серцевих скорочень у ссавців зростає під час фізичних вправ.

Що насправді робить гемолімфа

Гемолімфа не є прямим аналогом крові; вона виконує кілька функцій, які зазвичай виконує кров, але не ту, яка першою думкою спадає у більшості людей, оскільки бджоли не використовують гемолімфу для транспортування кисню. Доставка кисню здійснюється окремо трахеальним системою – мережею труб, що проходять по всьому тілу і майже безпосередньо доставляють повітря до тканин. Гемолімфа ж транспортує поживні речовини, що засвоюються з кишечника, гормони, які регулюють розвиток та поведінку, відходи, що направляються на виведення через мальпігійні трубочки, та імунні клітини, відомі як гемоцити, які поглинають патогени та допомагають ізолювати рани.

Гемолімфа також відіграє механічну, майже гідравлічну роль, яка не має прямого еквіваленту крові: бджоли використовують тиск гемолімфи для допомоги у розширенні крил після виходу з личиночної клітини, для продовження частин тіла, які не мають власних м’язів для розширення, та для підтримки жорсткості м'яких тканин. Фактично, тиск гемолімфи іноді замінює ту підтримку, яку зазвичай надають м'язи або скелет іншим тканинам.

Додаткові насоси: досягнення крил та ніг

Один дорсальний сосуд, що проходить крізь центр тіла, сам по собі не може надійно подавати рідину у всі кінцеві частини, такі як антени, ноги та крила, які механічно відмінні від основного тіла та з’єднані лише тонкими суглобами. Бджоли вирішують цю проблему за допомогою серії малих аксесуарних пульсуючих органів, по суті – мініатюрних допоміжних насосів, розташованих біля основи антен, крил і ніг, кожен з яких незалежно скорочується для перекачування гемолімфи в та з цих кінцівок.

Кровообіг у крилах особливо важливий, оскільки вени крил не є лише структурними ребрами; це порожньості канали, через які циркулює гемолімфа, що забезпечує транспорт гемоцитів і поживних речовин для підтримки функціонування тканин крила протягом усього життя польової бджоли. Без стабільного кровообігу вісь була б пасивною структурою, яка не підтримується та більш схильною до пошкоджень і зносу під час повторних польотів, які робить збирач джему.

Кругообіг, температура та вимоги польоту

Політ є надзвичайно енерговитратним процесом, і м’язи бджоли генерують значну кількість тепла як побічний продукт швидких скорочень, необхідних для махання крилами приблизно 200 разів на секунду. Циркуляція гемолімфи допомагає розподіляти це тепло по грудях і, до певної міри, в черевній порожнині, яка частково виконує роль радіатора, допомагаючи бджілі уникати перегріву під час тривалого польоту у спекотний день.

Однак та сама відкрита циркуляторна система пояснює, чому бджоли виглядають більш повільно в холодних умовах: охолоджений гемолімф уповільнює частоту скорочень серцевого м’яза та зменшує ефективність циркуляції поживних речовин і гормонів, що є однією з причин, чому бджоли сонячно прилаштовуються та тремтять м’язами крил, щоб зігрітися перед зльотом у прохолодні ранкові години – це звичайна картина, яку бачить будь-який британський пасічник, працюючи на пасіці в ранній весні.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.