Як медоносні бджоли дихають: Трахеальна дихальна система

Дихальна система без легень

Медоносні бджоли, як і всі комахи, не мають легень та жодної дихальної системи на основі крові для транспортування кисню. Замість цього вони покладаються на трахеальну систему: мережу повітряних труб, що проходять від малих зовнішніх отворів, званих спіракулами, безпосередньо до тканин, які потребують кисню, практично обійшовши циркуляційну систему. Це фундаментальне рішення тієї ж проблеми, яке вирішують хребетні за допомогою легень та крові, що переносить гемоглобін, і воно вплинуло на майже все, що стосується планів тіла комах, включаючи те, чому комахи зазвичай невеликі.

Повітря входить через спіракули – парні отвори по боках грудей та черевика, кожен з яких захищений щитковими клапанами, які медонос може відкривати та закривати для контролю потоку повітря та обмеження втрати води. З кожної спіракули повітря проходить у мережу розгалужених трахей, які повторно діляться, подібно до реверсивного дельти річки, закінчуючись надзвичайно тонкими кінцевими гілками, званими трахеолеями, які часто мають розмір лише частку мікрона та проникають безпосередньо в окремі клітини або групи клітин.

Обмін газів на клітинному рівні

Оскільки трахеоли досягають такої близькості до окремих клітин, кисень просто дифундує безпосередньо з повітря всередині трубки в навколишню тканину, а вуглекислий газ дифундує назад у протилежному напрямку, не потребуючи транспортувального пігменту, такого як гемоглобін, для перенесення газів кров'ю. Відкрита циркуляційна система медоносів (гемолімфа, що рухається простим спинним серцем) все ще існує та доставляє поживні речовини, гормони та імунні клітини, але вона відіграє незначну роль у транспорті дихальних газів — цю роботу виконує повністю трахейна мережа.

Ця система прямого дифузії надзвичайно ефективна на коротких відстанях, що є тим, що маленькому тілу комахи потрібно, але дифузія стає менш ефективною з урахуванням збільшення відстаней, що є однією з основних фізичних причин, чому комахи не можуть просто збільшити розмір свого тіла без перепроектування всієї їхньої дихальної архітектури.

Активна вентиляція та вимоги польоту

У спокійному стані газообмін у більшій частині трахеальної системи відбувається пасивно, через простий дифузії, що обумовлена градієнтами концентрації. Однак політ є однією з найбільш метаболічно вимагаючих активностей у тваринному царстві відносно розміру тіла, і само по собі пасивний дифузії не може впоратися з кисневим дефіцитом при скороченні м’язів польоту на високій частоті. Бджоли вирішують це шляхом активної вентиляції: ритмічні скорочення черевної мускулатури стискають та розширюють повітряні мішки (розширені, тонкостінні ділянки трахеальної системи, що діють як механічні насоси), активно перекачуючи повітря в і з основних трахеальних стовпів, значно збільшуючи потік повітря до м’язів польоту під час активності.

Це також пояснює, чому живіт бджоли помітно пульсує, коли комаха збуджена, нагрівається перед польотом або працює інтенсивно – цей пульс є механічною дією трахеальної системи у відповідь на підвищений кисневий попит, по суті, еквівалентний більш інтенсивному диханню під час фізичних вправ.

Температура, висота та межі трахеального дихання

Ефективність трахеальної системи також залежить від температури, оскільки м’язи польових бджіл повинні досягти мінімальної робочої температури (зазвичай близько 35°C), перш ніж вони зможуть генерувати достатньо енергії для тривалого польоту, а метаболізм (і відповідно попит на кисень) різко зростає з підвищенням температури м’язів. Це одна з причин, чому бджоли тремтять м’язами польотів, щоб зігрітися перед відлітом у холодну погоду, і чому холодні, вологі ранкові весни в Великобританії спостерігається така мала активність збору нектару, навіть коли є квіти – трахеальна система просто не може достатньо швидко доставляти кисень для живлення м’язів польотів, які ще не досягли робочої температури.

Трахеальна система також чутлива до закупорки та пошкоджень. Трахеальні кліщі (Acarapis woodi) живуть і розмножуються всередині найбільших трахей точок у грудях бджіл, фізично перешкоджаючи потоку повітря та пошкоджуючи трахеальну оболонку, що знижує здатність бджоли до польоту та, у важких інфекціях, скорочує тривалість життя – нагадуванням того, що дихальна система без надмірних резервів для заблокованого просвіту вразлива таким чином, як і не є кровоносна легка.

Часті запитання

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.