تنفس نایدیسی چیست؟ – به زبان ساده

دستگاه تنفس نایدیسی، دستگاه تنفسی حشرات است. حشرات متنوع‌ترین و فراوان‌ترین حیوانات زمین هستند، بنابراین شناخت ساختار تنفسی آن‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد. دستگاه تنفسی مسئول رساندن اکسیژن مورد نیاز به تمام سلول‌های بدن و خروج کربن دی‌اکسید حاصل از تنفس سلولی است. دستگاه تنفسی حشرات (و خیلی از بندپایان) که به آن «دستگاه تنفسی نایدیسی» می‌گوییم، مجزا از دستگاه گردش خون است. این دستگاه گازهای تنفسی را به بدن می‌رساند تا تبادل گاز صورت بگیرد. در این سیستم، هوا از طریق مجاری‌ خارجی به نام روزنه وارد می‌شود. این مجاری به سیستم تنفسی درونی منتهی می‌شوند که شبکه‌ متراکمی از لوله‌هایی به نام نای (تراشه) است. در این مطلب از مجله فرادرس یاد می‌گیریم که دستگاه تنفس نایدیسی چیست و با ساختار آن آشنا می‌شویم، انواع تنفس نایدیسی را می‌شناسیم و حتی به سراغ الگوهای تنفسی حشرات نیز می‌رویم.

دستگاه تنفس نایدیسی چیست؟

به نوع خاصی از دستگاه تنفسی که در حشرات دیده می‌شود و مجزا از دستگاه گردش خون است، دستگاه تنفس نایدیسی یا «سیستم تراشه‌ای» (Tracheal System) می‌گویند. این دستگاه از اجزای مختلفی تشکیل شده‌ است. روزنه‌ها، نای‌ها، نایچه‌ها و کیسه‌های هوا این سیستم را می‌سازند. در ادامه‌ این مطلب به بررسی هر کدام از این موارد با جزئیات بیشتری می‌پردازیم.

روزنه‌ها

اسکلت خارجی حشرات دارای روزنه‌هایی است که یک جفت از آن‌ها را می‌توان در ناحیه سینه آن‌ها دید. «روزنه‌ها» (Spiracles) را می‌توان در نواحی شکمی (حفره شکمی) هم دید اما باید در نظر داشت که این روزنه‌ها در همه نقاط بدن حشرات دیده نمی‌شوند. روزنه‌ها به دلیل داشتن دریچه‌های عضلانی، قابلیت باز و بسته شدن دارند. این دریچه‌ها با باز شدن اجازه‌ ورود اکسیژن و خروج کربن دی‌اکسید را می‌دهند. در صورتی که ماهیچه منبسط باشد، دریچه باز است و هنگام انقباض عضله، دریچه بسته می‌شود. هر روزنه در یک صفحه‌ کوتیکولیِ سخت شده قرار دارد که به آن «پریترم» (Peritreme) می‌گویند.

نای

نای مسیری برای ورود اکسیژن به درون بدن و خروج دی‌اکسید کربن از بدن است؛ بنابراین منشعب شدن آن در چند نقطه از بدن را می‌بینیم. دستگاه تنفسی نایدیسی به کمک نای‌های طولی و عرضی فشار یکسانی را در سراسر سیستم ایجاد می‌کند. در هنگام پوست اندازی حشره، پوشش کوتیکولی نای‌ می‌ریزد اما پوشش نایچه‌ها تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد.

نای به چهار شاخه‌ی اصلی تقسیم می‌شود:

1. جانبی (Lateral)
2. پشتی (Dorsal)
3. شکمی (Ventral)
4. احشایی (Visceral)

«نای» (Trachea) لوله‌ای است که روزنه‌ها را به ریه‌ها متصل می‌کند و حاصل تو رفتگی «اپی‌درم» (Epidermis) هستند، بنابراین پوشش آن‌ها با کوتیکول بدن پیوسته است. شکل حلقه‌ای نای به دلیل برجستگی‌های حلقوی‌ است که «تانیدیا» (Taenidia) نامیده می‌شوند و به نای خاصیت انعطاف‌پذیر بودن و مقاومت در مقابل فشار را می‌دهد.

نایچه

«نایچه‌ها» (Tracheoles) انشعابات ظریف نای هستند (کمتر از ۱ میکرومتر) که به بافت‌ها می‌‌رسند. نایچه‌ها توسط سلول‌هایی به نام «تراکئوبلاست» (Tracheoblast) ساخته می‌شوند که از سلول‌های اپی‌درم مشتق شده‌اند.

نایچه‌ها دارای مایعی هستند که گازهای تنفسی در آن حل می‌شوند و به خاطر دیواره نازک نایچه‌ها، قادرند که به راحتی از نایچه به درون بافت منتشر شوند. این مایع معمولاْ انتهای بسته‌ این لوله‌های نازک را پر می‌کند. هنگام انقباض ماهیچه، زمانی که اکسیژن بیشتری مورد نیاز است (کربن دی‌اکسید بیشتری تولید می‌شود.) این مایع به بافت‌های اطراف سرازیر می‌شود. به این ترتیب، سطح تبادل گاز افزایش می‌یابد.

اما چرا حشرات به افزایش سطح تبادل گاز نیاز دارند؟ اندازه کوچک حشرات به این معناست که در زنجیره‌ غذایی جایگاه پایینی دارند، در این صورت پرواز به آن‌ها کمک می‌کند که از شکارچیان فرار کنند و به این منظور نیاز به انرژی زیادی دارند. افزایش سطح تبادل گازی به حشرات کمک می‌کند که به نیازهای تنفسی مرتبط با نرخ تنفس سلولی پاسخ دهند.

فیلم آموزش زیست شناسی ۱ – پایه دهم + نکات کنکور در فرادرس

کلیک کنید

کیسه‌ هوا

نای در نقاطی دچار انبساط شده و کیسه‌های هوایی تشکیل می‌دهد که دیواره‌ نازکی دارند. در این کیسه‌ها تانیدیا وجود ندارد و یا رشد ناچیزی دارد؛ به همین دلیل «کیسه‌های هوا» (Air bag) تحت فشار از بین می‌روند. این ساختارهای بالون‌مانند ممکن است هوای اضافه را ذخیره کنند. در محیط‌های خشک این هوای ذخیره به حشره این امکان را می‌دهد که روزنه‌ها را ببندد و از تبخیر آب جلوگیری کند. حشرات آب‌زی نیز از این هوای ذخیره شده هنگام شنا زیر آب استفاده می‌کنند یا برای تنظیم شناوری از آن کمک می‌گیرند.

جریان هوا و تبادل گازها در تنفس نایدیسی

اکسیژن وارد روزنه شده و با عبور از نای و نایچه‌ها به سلول‌ها می‌رسد. ورود آن به سلول‌ها حاصل ترکیبی از عبور هوا و انتشار همراه با شیب غلظت (بالا بودن غلظت هوای خارجی در مقایسه با بافت) است. در سیستم تنفسی حرکت مولکول‌های اکسیژن به سمت داخل است؛ در مقابل حرکت کربن دی‌اکسید و آب به سمت خارج است.

ما در این مطلب فقط به بررسی دستگاه تنفسی نایدیسی پرداخته‌ایم، اما در جانداران مختلف الگوهای تنفسی متنوعی وجود دارد که پیش از این در مجله فرادرس در مورد آن‌ها صحبت کرده‌ایم. اگر می‌خواهید اطلاعات بهتر و بیشتری راجع به «تبادلات گازی و انواع تنفس در جانداران» به دست آورید، پیشنهاد می‌کنیم، مطلب مربوط به این موضوع را مطالعه کنید.

تنفس نایدیسی در ملخ

حالا که می‌دانیم تنفس نایدیسی چیست، بهتر است به شکل بهتری آن را در حشرات بررسی کنیم. ملخ مثل باقی حشرات برای تنفس از سیستم تنفس نایدیسی استفاده می‌کند که با اجزا آن و عملکرد هر کدام از آن‌ها آشنا شدیم. ملخ‌ها تمام بخش‌هایی را که بررسی کردیم، از جمله کیسه‌های هوا را دارند. در ملخ، فعالیت روزنه‌ها به قدری هماهنگ است که چهار جفت روزنه‌ اول در هنگام دم باز و در هنگام بازدم بسته می شوند، در حالی که شش جفت دیگر در هنگام دم بسته و در هنگام بازدم باز می شوند تا کربن دی‌اکسید از بدن خارج شود. در تصویر زیر نحوه‌ تنفس ملخ و سیستم تنفسی آن نمایش داده شده است.

اهمیت سیستم‌ تنفسی در فیزیولوژی و بقا حشرات

همه حشرات موجوداتی هوازی هستند، یعنی برای زنده ماندن به دریافت $$O_{2}$$ از محیط نیاز دارند. آن‌ها از مسیر متابولیسمی مشابه با دیگر حیوانات برای تبدیل مواد مغذی (مثل قندها) به ATP استفاده می‌کنند. این مسیر به این ترتیب است؛ گلیکولیز، چرخه‌ کربس و زنجیره‌ انتقال الکترون. در آخرین مرحله این مسیر اتم‌های اکسیژن با یون‌های هیدروژن واکنش می‌دهند. در این واکنش با تولید آب، انرژی‌ آزاد می‌شود که در پیوند فسفات در ATP، ذخیره می‌شود.

تنفس نایدیسی به دلیل سرعت انتشار و ضریب گنجایش بالا در مقایسه با محیط آبی همولنف یا خون، اکسیژن را دویست هزار تا سی‌صد هزار بار موثرتر به سلول‌ها می‌رساند. اما این نوع تنفس یک محدودیت جدی برای اندازه بدن حشرات است.

فیلم آموزش زیست شناسی 2 – زیست پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

غلظت اکسیژن موجود در هوا بر مسافتی که می‌تواند در نای‌ها طی کند، اثرگذار است. طبق تئوری موجود اگر اکسیژن اتمسفر دو برابر شود، مسافتی که در نای پیش می‌رود هم دو برابر می‌شود. افزایش سطح اکسیژن در دوران پالئوزوئیک ممکن است به سرعت انتقال اکسیژن در نای‌های طویل حشرات عظیم الجثه کمک کرده باشد. بنابراین محیط به تنهایی می‌تواند باعث پیدایش حشرات غول پیکر شود. البته بعضی از حشرات توانایی این را دارند که با یک پمپاژ مکانیکی، میزان اکسیژن‌رسانی به بدن‌شان را افزایش دهند.

تسلط به حشره‌شناسی با فرادرس

حشرات بزرگترین گروه بندپایان هستند و تقریبا در همه‌‌ نقاط کره زمین پیدا می‌شوند. در این مطلب از مجله فرادرس این موضوع را هدف قرار دادیم که دستگاه تنفس نایدیسی چیست، اما پیچیدگی‌های این رده از بی‌مهرگان به سیستم تنفسی نایدیسی خلاصه نمی‌شود. حشرات قدرت بینایی و بویایی بسیار دقیقی دارند و ساختارهایی پیچیده‌ برای این توانایی‌ها در آن‌ها تکامل یافته است. گروهی از حشرات پرواز می‌‌کنند و ساختار بال‌های آن‌ها با پرندگان متفاوت است.

این دسته از بندپایان در زندگی ما و حیات کره زمین هم نقش مهمی بازی می‌کنند. زنبورها با گرده افشانی به حفظ بخش بزرگی از حیات کمک می‌کنند، در حالی که گروهی از حشرات آفت‌های کشاورزی هستند و برای مقابله با آن‌ها از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. به خاطر همین نقش‌های حشرات است که مطالعه‌ آن‌ها اهمیت بالایی دارد.

اگر به یادگیری راجع به حشرات علاقه دارید، فرادرس فیلم‌های آموزشی متنوعی را در این حوزه تولید و منتشر کرده که در فهرست زیر به چند مورد اشاره کرده‌ایم.

• فیلم آموزش جامع حشره شناسی فرادرس
• فیلم آموزش رایگان رده بندی حشرات فرادرس
• فیلم آموزش حشره شناسی ۱ به همراه مرور و حل تست کنکور ارشد فرادرس
• فیلم آموزش رایگان اصول سیستماتیک حشرات فرادرس
• فیلم آموزش جانورشناسی ۱ به زبان ساده و کاربردی فرادرس
• فیلم آموزش جامع آفات گیاهان زراعی فرادرس

‌اگر تمایل دارید در بخش‌های مختلف زیست‌شناسی به دوره‌های تخصصی دسترسی داشته باشید، پیشنهاد می‌کنیم به صفحه‌ مجموعه فیلم‌های آموزش زیست‌شناسی فرادرس مراجعه کنید.

• مجموعه فیلم‌های آموزش زیست شناسی فرادرس

تنفس پوستی چیست؟

تا اینجا به‌خوبی می‌دانیم تنفس نایدیسی چیست و در ادامه می‌خواهیم تنفس پوستی را توضیح دهیم. تنفس پوستی یا «تنفس کوتیکولی» (Cutaneous Respiration) نوعی تنفس است که تبادل گازی می‌تواند از طریق پوست یا پوشش خارجی موجود زنده انجام شود. تنفس کوتیکولی می‌تواند تنها روش تنفسی جاندار باشد و یا با دیگر انواع تنفس همکاری کند. این شیوه تنفسی را در گستره‌ وسیعی از موجودات می‌بینیم. مثل حشرات، دوزیستان، ماهی‌ها، مارهای دریایی، لاکپشت‌ها و به میزان بسیار کمتری در پستانداران.

فیلم آموزش تشریح و فیزیولوژی حشرات (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

تبادل گاز در تنفس کوتیکولی توسط سه عامل کنترل می‌شود.

• عبور هوا (Ventilation)
• انتشار (Diffusion)
• انتقال (Convection)

  

روش تنظیم تنفس در دستگاه تنفس نایدیسی چیست؟

تنفس حشرات الگوهای تنفسی‌ مختلفی دارند که با توجه به نوع فعالیتشان از آن‌ها استفاده می‌کنند. جالب است بدانید که حشرات می‌توانند تنفس خود را متوقف کنند. اما این الگوهای موجود در تنفس نایدیسی چیست؟ در این بخش به سراغ بررسی آن می‌رویم.

 چه زمانی حشرات نفس نمی‌کشند؟

دستگاه تنفس نایدیسی به گونه‌ای طراحی شده است که خود را با موقعیت‌هایی که حشره در حال فعالیت است، وفق دهد. برای مثال ملخ هنگام پرواز بیشترین فعالیت را دارد؛ اما در زمان استراحت هم به تنفس در همان حجم هنگام پرواز، ادامه می‌دهد. در نتیجه، مقدار اضافی اکسیژن در بافت‌هایش می‌ماند که می‌تواند باعث آسیب اکسیداتیو بافت‌ها شود. برای جلوگیری از چنین آسیب‌هایی حشراتی مانند ملخ تنفس خود را متوقف می‌کنند.

نرخ متابولیکی و الگوهای تبادل گاز

در ابتدای این مطلب با ساختار دستگاه تنفس نایدیسی آشنا شدیم؛ اما الگوی تنفسی در دستگاه تنفس نایدیسی چیست؟ در گذشته تصور می‌شد که فقط یک الگو تنفسی وجود دارد اما با تحقیقات صورت گرفته، سه الگو تنفسی در حشرات شناسایی شد. در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

زمانی که نیازهای متابولیسمی زیاد باشد، روزنه‌ها کاملا باز هستند و حشره بی‌وقفه نفس می‌کشد. هنگامی که نیازهای متابولیسمی کاهش می‌یابند، میزان اکسیژن مورد نیاز نیز کمتر می‌شود. بنابراین «تنفس پیوسته»، با الگوهایی جایگزین می‌شود که در آن‌ها روزنه‌ها گاهی بسته هستند.

در پایین‌ترین سطح نیاز به انرژی، در اکثر اوقات حشره روزنه‌ها را بسته نگه می‌دارد و آن‌ها را لحظاتی به صورت دوره‌ای باز می‌کند. این الگو «تبادل گاز ناپیوسته» (Discontinuous Gas Exchange | DGEs) نام دارد. الگو ناپیوسته شامل مراحل زیر است:

• انقباض روزنه‌ها (فاز انقباض، C): در این مرحله آزادسازی $$CO_{2}$$ رخ نمی‌دهد.
• فاز فلاتر یا لرزش (flutter phase, F): در این مرحله روزنه‌ها به طور متناوب برای بازه‌های زمانی بسیار کوتاهی باز و بسته می‌شوند؛ و سطح اکسیژن نایی را در مقدار مشخصی نگه می‌دارند.
• فاز باز (O): در این مرحله بالاترین سطح تبادل گازی صورت می‌گیرد.

الگو آزادسازی کربن دی‌اکسید بازتابی از میزان فعالیت حشره است. الگو تبادل گاز ناپیوسته را فقط زمانی می‌بینیم که حشره فعالیت زیادی ندارد. در زمان استراحت عمیق، روزنه‌ها به مدت طولانی‌تری بسته هستند و در یک بازه زمانی کوتاه باز می‌شوند تا $$CO_{2}$$ خارج شود. این شرایط نمایان‌گر سطح پایه‌ای نرخ متابولیسم حشره است. با پایان مرحله غیرفعال و شروع فعالیت زیاد، الگو تنفس تغییر می‌کند. چرخه CFO (بسته، لرزش، باز) کوتاه‌تر می‌شود و به طور معمول آزادسازی $$CO_{2}$$ افزایش می‌یابد. در نهایت الگو تبادل گازی ناپیوسته با الگو «تبادل گازی چرخه‌ای» یا «تنفس پیوسته» جایگزین می‌شود.

در الگو «تبادل گاز چرخه‌ای» (CGE) به نظر می‌رسد که روزنه‌ها هیچ‌وقت به طور کامل بسته نمی‌شوند؛ اما یک الگو ریتمیک برای آزادسازی کربن دی‌اکسید مشاهده شده است.

در الگو «تبادل گاز پیوسته» (ٰCont) هیچ ریتمی قابل تشخیص نیست و آزادسازی کربن دی‌اکسید نسبتاً متناوب است.

تبادل گاز ناپیوسته و میزان از دست دادن آب

هدر رفت آب یکی از نتایج تبادل گاز است. افزایش میزان متابولیسم باعث افزایش نرخ از دست دادن آب می‌شود. حشرات به طور معمول دوره‌های کوتاه یا طولانی‌، بی‌حرکت هستند. دلایل متعددی برای این عدم تحرک مقطعی وجود دارد.

• مرحله رشد حشره
• شرایط محیطی نامطلوب
• فلج شدن به علت تماس با مواد سمی
• تظاهر به مرگ برای محافظت از خود

در طول این بازه‌های بی‌حرکتی، کاهش میزان از دست رفتن آب برای جلوگیری از خشک شدن حشره ضروری است.

الگو تبادل گازی ناپیوسته حشرات و بعضی از گونه‌های بندپایان، گاهی به عنوان سازگاری‌ در نظر گرفته می‌شود که به کمک آن‌ها آمده است تا میزان از دست رفتن آب در حین تنفس کاهش یابد. در DGE در حین فازهای انقباض و فلاتر، روزنه‌ها بسته‌ هستند یا به سرعت باز و بسته می‌شوند؛ بنابراین مولکول‌های گازی و آب خارج نمی‌شوند. بخار آب از بدن حشرات از طریق کوتیکول یا روزنه‌ها از دست می‌رود. در بیشتر حشرات بررسی شده، اتلاف آب روزنه‌ای حدود ۱۰ درصد از میزان کل آب از دست رفته را شامل می‌شود. این میزان غیر قابل توجه به نظر می‌رسد اما در شرایط کمبود آب می‌تواند برای حشره عاملی محدودکننده باشد.

عوامل مؤثر بر کارایی دستگاه تنفس نایدیسی چیست؟

نرخ متابولیسمی و الگو تبادل گاز هر موجود زنده‌ای به عوامل متفاوتی بستگی دارد. اولین فاکتور در حشرات، «مرحله زندگی» (life stage) است. به طور کلی نرخ متابولیسمی لارو بیشتر از شفیره است، چرا که میزان تغذیه لارو بسیار بیشتر است. میزان متابولیسم می‌تواند تحت تاثیر زندگی انگل‌‌وارانه‌ لارو هم باشد.

دومین فاکتور که در مطالعات دستگاه تنفسی اهمیت دارد، خصوصیات فردی است. جنسیت، رفتار و جرم بدن می‌توانند بر نرخ متابولیسمی اثرگذار باشند.

دما تا حد زیادی بر میزان متابولیسم اثرگذار است. به طور معمول در دماهای بالاتر نرخ متابولیسم بالاتری را شاهد هستیم، اما این پدیده دارای محدودیت‌هایی است. هر گونه‌، بازه دمایی قابل زیست خودش را دارد و در دماهای بالاتر و پایین‌تر از این محدوده، اعمال زیستی حیاتی‌اش کند می‌شوند. در این شرایط، حشرات تا زمان مساعد شدن شرایط مخفی می‌شوند تا خود را از مرگ نجات دهند.

دسترسی به آب نیز برای بسیاری از حشرات خشکی یک فاکتور محدودکننده است؛ چرا که این دسته حشرات نسبت سطح به جرم بدنشان زیاد است، بنابراین تبخیر آب برای حشرات در مقایسه با حیوانات بزرگتر خطرناک‌تر است. اما حشرات سازگاری‌هایی پیدا کرده‌اند که جلو این از دست رفتن آب را می‌گیرد. کوتیکول حشرات با خاصیت ضد آب بودن مانعی برای از دست دادن آب هست. سیستم دفعی نیز خاصیت بازجذب آب را دارد که باعث حفظ حجم زیادی از آب بدن می‌شود. یکی دیگر از راهکارهای محدود کردن هدر رفت آب، روزنه‌ها هستند که طبق تحقیقات تا حدود ۲۰ درصد میزان آب دفعی را کاهش می‌دهند.

رنگدانه‌های تنفسی و هموسیانین

رنگدانه‌ تنفسی یک «متالوپروتئین» است که فعالیت‌های مهم زیادی دارد که مهم‌ترین‌شان انتقال $$O_{2}$$ است. دیگر وظایفش را می‌توان ذخیره $$O_{2}$$، انتقال $$CO_{2}$$ و انتقال موادی غیر از گازهای تنفسی دانست. رنگدانه‌های تنفسی چهار دسته‌ اصلی دارند:

• هموگلوبین
• هموسیانین
• اریتروکورورین-کلروکرورین
• همریترین

هموسیانین یک رنگدانه‌ تنفسی است که از «مس» به عنوان مولکول باند شونده به اکسیژن استفاده می‌کند. هموسیانین در بندپایان و نرم‌تنان دیده می‌شود ولی گمان می‌‌شود که این مولکول در هر دو گروه به صورت مستقل تکامل یافته است.

سازگاری‌های تنفسی در گروه‌های خاصی از حشرات

حشرات در اکثر نقاط کره زمین وجود دارند. با توجه به این تنوع، این موجودات نیاز دارند که با محیط زندگیشان سازگاری‌هایی پیدا کنند. مثلا حشرات آب‌زی متفاوت از عنکبوتیان پیش رفته‌اند و روش‌های خاصی را برای افزایش کارآیی سیستم تنفس نایدیسی استفاده کرده‌اند. در این بخش به این سازگاری‌ها می‌پردازیم.

حشرات آب‌زی

حشرات آب‌زی با محیط اطرافشان به نحوی سازگاری پیدا کردند که به آن‌ها اجازه می‌دهد که اکسیژن مورد نیازشان را در زیر آب با خود حمل کنند و یا آن را به طور مستقیم از محیط دریافت کنند. در ادامه این سازگاری‌ها را بررسی می‌کنیم.

آبشش‌ها و ساختارهای شبیه آبشش

آبشش‌ها اندام‌هایی هستند که باعث می‌شوند اکسیژن محلول در آب، در بدن انتشار یابد. معمولا در حشرات آبشش‌ها به صورت برآمدگی‌های سیستم تراشه‌ای وجود دارند. آن‌ها با لایه نازکی از کوتیکول پوشانده شده‌اند که نسبت به اکسیژن و کربن دی‌اکسید نفوذپذیر است.

در «حشره‌ یک روزه» (mayfly) و «سنجاقک»، آبشش‌ها به شکل برگ هستند و در کناره‌های بدن یا پشت شکم قرار دارند. حرکات آبشش‌ها آن‌ها را در معرض تماس مداوم با آب شیرین قرار می‌دهد. «مگس‌های سنگ» (Stoneflies) و «بال‌مودار» (caddisflies) دارای «آبشش‌های رشته‌ای» (filamentous gills) روی قفسه‌ی سینه یا شکم هستند. «آسیابک‌ها» (Dragonflies) با باقی حشرات آب‌زی فرق دارند، این حشرات آبشش داخلی‌ دارند که با راست روده در ارتباط است. در این حشرات آب با انقباضات ماهیچه‌ایِ شکم از مقعد وارد و خارج می‌شود.

تنفس کوتیکولی

بسیاری از گونه‌های آب‌زی، پوشش نازکی دارند که نسبت به اکسیژن و کربن دی‌اکسید نفوذپذیر است. انتشار گازها از خلال این دیواره زیستی ممکن است برای نیازهای متابولیکی حشرات کوچک و غیرفعال کافی باشد، اما حشرات بزرگتر، آن‌هایی که فعالیت بیشتری دارند یا آن دسته‌ای که در آب‌هایی که اکسیژن محلول کمتری دارد زندگی می‌کنند، ممکن است برای تکمیل تنفس کوتیکولی نیاز به سازگاری بیشتری با محیط داشته باشند.

فیلم آموزش کرم شناسی ۱ – ترماتودها و سستودها در فرادرس

کلیک کنید

لوله‌های تنفسی

با وجود این که بسیاری از حشرات آب‌زی زیر آب زندگی می‌کنند، هوا را مستقیما از سطح آب با لوله‌های تنفسی تو خالی که گاها «سیفون» نامیده می‌شوند، دریافت می‌کنند. یک دهانه در انتهای سیفون قرار دارد که با حلقه‌ای از موهایی که پوشش ضد آب دارند پوشیده شده است. چینش این موها نزدیک به هم است، بنابراین توانایی محافظت از سیفون را دارند. در سطح آب، این موها کشش سطحی آب را از میان برمی‌دارند و راه هوایی را باز نگه می‌دارند.

هنگامی که حشره به زیر سطح آب می‌رود، فشار آب موها را به یک‌دیگر نزدیک می‌کنند که باعث بسته شدن دهانه می‌شود و از ورود آب نیز جلوگیری می‌شود. «ساس‌های سوزنی» یکی از انواع حشرات آب‌زی هستند که از این لوله‌های تنفسی استفاده می‌کنند.

بسیاری از گیاهان آب‌زی نیروی شناوری‌شان را با ذخیره کردن اکسیژن (محصول جانبی زائد فتوسنتز است) درون واکوئل‌های خاصی، حفظ می‌کنند. تعدادی از حشرات، لوله‌های تنفسی‌شان را وارد این ذخیره اکسیژن می‌کنند و بدون نیاز به شنا تا سطح آب، به منبع غنی از اکسیژن دست می‌یابند.

حباب‌های هوا

بعضی از حشرات آب‌زی (مانند «غواص سوسکان» (diving beetles)) هنگام شیرجه زدن زیر سطح آب با خود یک حباب از هوا می‌برند. این حباب می‌تواند زیر «بال‌پوش» (Elytra) نگه داشته شود و یا توسط موهایی مخصوص به دام انداخته شود. حباب معمولا یک یا چند روزنک را می‌پوشاند، بنابراین حشره می‌تواند زیر آب نفس بکشد.

حباب هوا اکسیژن حشره را برای مدت کوتاهی تامین می کند، اما به خاطر خصوصیات فیزیکی منحصر به فردش یک حباب می‌تواند کمی از اکسیژن محلول در آب را نیز جمع‌آوری کند. در واقع حباب به صورت یک «شش فیزیکی» عمل می‌کند که اکسیژن مورد نیازش را با استفاده از انتشار غیرفعال به دست می‌آورد. کارآیی این سیستم با اندازه سطح حباب ارتباط مستقیمی دارد.

حشره تا زمانی که میزان انتشار اکسیژن به درون حباب بیشتر یا مساوی با میزان اکسیژن مصرف شده توسط حشره باشد، حشره می‌تواند زیر آب باقی بماند. در طی زمان اندازه حباب به دلیل خروج نیتروژن به درون آب، کوچک می‌شود. زمانی که محیط حباب کاهش می‌یابد، میزان تبادل گازی آن نیز کم می‌شود. در نهایت حباب آن‌قدر کوچک می‌شود که نمی‌تواند پاسخ‌گو نیازهای متابولیکی باشد، به همین دلیل حشره مجبور است به سطح آب برگردد.

پلاسترون‌ها

پلاسترون مجموعه‌ای از موهای (مژکچه) غیرقابل انعطاف، هیدروفوبیک (آب‌گریز) است که فاصله‌ بین‌شان کم است و یک «مرز هوایی» را نزدیک بدن می‌سازند. هوای به دام انداخته شده توسط پلاسترون به عنوان یک شش فیزیکی (مانند هوای درون حباب) عمل می‌کند.

اما این مرز هوایی دچار کاهش حجم نمی‌شود، زیرا حصار مژکچه‌ها از پیش‌روی آب جلوگیری می‌کند. با مصرف اکسیژن توسط حشره، اختلاف فشار جزئی در پلاسترون ایجاد می‌شود. این اختلاف به وسیله‌ی اکسیژن محلول که از آب به داخل منتشر می‌شود، جبران می‌گردد. به دلیل انتشار تدریجی نیتروژن به بیرون از پلاسترون، اختلاف فشار جزئی‌ ایجاد می‌شود و مقدار نیتروژن محلول در آب نیز کم است؛ بنابراین کمی از اختلاف فشار جزئی نیتروژن توسط اکسیژن جبران می‌شود. در واقع می‌توان گفت، پلاسترون مقداری از نیتروژن را با اکسیژن عوض می‌کند و حجم ثابتی از گاز را حفظ می‌کند.

اگر می‌خواهید با حشرات کامل‌تر آشنا شوید و علاوه بر این که بدانید دستگاه تنفس نایدیسی چیست، دیگر دستگاه‌های بدن آن‌ها را بشناسید می‌توانید از فیلم آموزش جامع و با مفاهیم کلیدی حشره شناسی فرادرس استفاده کنید که لینک آن در ادامه آورده شده است.

فیلم آموزش حشره شناسی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

حجم ثابت پلاسترون نیاز دوره‌ای به برگشتن به سطح آب و پر کردن حباب را از بین می‌برد. احتمال وجود پلاسترون در حشراتی که دائما در زیر آب می‌مانند (مانند سوسک‌های «riffle») یا توانایی دسترسی به سطح آب را ندارند (مانند تخم بعضی از حشرات) بیشتر است. این ساختار زیر آب، به صورت لایه‌های نازک و نقره‌ای پر از هوا که بخش‌هایی از بدن را پوشانده است، قابل مشاهده است.

هموگلوبین

هموگلوبین رنگدانه‌ای تنفسی است که امکان جذب اکسیژن را تسهیل می‌کند. هموگلوبین جز اصلی سلول‌های خونی انسان است اما به ندرت در حشرات نیز دیده می‌شود (در لارو «مگس‌ریزه» که به عنوان «کرم خون» شناخته می‌شوند.) این کرم‌های قرمز معمولا در اعماق گل‌آلود حوض‌ها یا جوی‌ها زندگی می‌کنند که میزان اکسیژن محلول احتمال دارد کم باشد. در شرایط نرمال، مولکول هموگلوبین در خون به اکسیژن متصل می‌شود و آن را نگه می‌دارد. زمانی که شرایط به صورت بی‌هوازی در آمد؛ اکسیژن به آرامی آزاد می‌شود و در اختیار سلول‌ها قرار می‌گیرد. این تامین اکسیژن ممکن است فقط چند دقیقه طول بکشد اما به طور معمول این زمان برای حشره کافی است تا خود را به اکسیژن برساند.

شش‌های کتاب‌مانند

عنکبوت‌ها به دلیل داشتن سیستم تنفسی دوگانه (سیستم نایدیسی و شش‌های کتابی) منحصر به فرد هستند. شش کتابی نوعی اندام تنفسی است که در تبادل گاز اتمسفری نقش دارد و در عنکبوتیان مانند «عقرب‌ها» و «عنکبوت‌ها» دیده می‌شود.

ساختار و عملکرد

شش‌های کتابی ارتباطی با شش‌های مهره‌داران خشکی‌زی امروزی ندارند. نام آن‌ها توصیفی از ساختار و هدف‌شان به عنوان یک نمونه از تکامل هم‌گرا است. انبوهی از بافت و کیسه‌های هوایی مختلف که با همولنف پر شده‌اند به آن‌ها ساختاری شبیه به یک کتاب تاشده می‌دهد.

تعداد این شش‌ها از یک جفت در اکثر عنکبوت‌ها تا چهار جفت در عقرب‌ها متفاوت است. صفحات باز شده‌ شش‌های کتابی با همولنف پر شده‌اند. هر چین سطح تبادل هوا را به بیشترین حالت می‌رساند بنابراین میزان گاز مبادله شده با محیط به بالاترین حد می‌ٰرسد. در بیشتر گونه‌ها نیازی به حرکت صفحات برای تسهیل تنفس نیست.

آیا شش‌های کتاب‌مانند در همه عنکبوتیان وجود دارند؟

اثری از شش‌های کتاب‌مانند را در بسیاری از عنکبوتیان مانند «مایت‌ها» و «عنکبوت‌های خرمن» نمی‌بینیم؛ این گونه‌ها فقط با استفاده از سیستم تنفسی نایدیسی یا سطح بدنشان نفس می‌کشند.

اگر تمایل به شناخت کامل‌تر عنکبوتیان دارید، ما پیش‌تر در مجله فرادرس به طور کامل به این دسته از بی‌مهرگان پرداخته‌ایم. سیستم‌های مختلف بدنشان را بررسی کرده‌ایم و حتی به سراغ تکاملشان، تفاوتشان با حشرات و فسیل‌های عنکبوت‌ها رفته‌ایم. بنابراین اگر می‌خواهید اطلاعات بهتر و بیشتری در مورد «عنکبوتیان» داشته باشید، پیشنهاد می‌کنیم، مطلب مربوط به این موضوع را مطالعه کنید.

اختلالات تنفسی ناشی از حشره‌کش‌ها

سیستم تنفسی حشرات حساسیت بالایی دارد و نسبت به هر محرک استرس‌زایی به سرعت واکنش نشان می‌دهد. تحقیقات نشان داده است که اندازه‌گیری تنفس می‌تواند برگشت‌پذیر بودن یا نبودن سمیّت یک ماده‌ی سمی را مشخص کند.

رایج‌ترین حشره‌کش‌ها (ترکیبات ارگانوفسفات، پیرتروئیدها و نئونیکوتینوئیدها) هستند که با هدف قرار دادن سیستم عصبی که اعمال غیرارادی بدن را کنترل می‌کند، به حشره آسیب می‌زند.

اطلاعات تکمیلی راجع به روزنه‌ها

بالاتر یاد گرفتیم که ساختار روزنه‌ها در تنفس نایدیسی چیست، در این بخش به سراغ جزئیات بیشتری راجع به آن‌ها می‌رویم. روزنه‌های حشرات با توجه به محل زندگی آن‌ها و دیگر متغیرهای مهم، سازگاری‌ها و ویژگی‌های خاصی پیدا کرده‌اند که در این بخش به آن‌ها می‌پردازیم.

در محیط‌های پر گرد و غبار روش محافظت از روزنه‌های دستگاه تنفس نایدیسی چیست؟

روزنه‌ها به طور معمول با موهای ظریفی که به عنوان فیلتر هوا عمل می‌کنند، پوشیده شده‌اند. این موها از مسدود شدن روزنه و کاهش سطح موجود برای تبادل گاز، جلوگیری می‌کنند. این سازگاری متناسب با محیط‌های خشک و پر گرد و غباری است که حشرات به طور معمول در آن زندگی می‌کنند. یکی دیگر از فواید حضور این موها به دام انداختن هوای مرطوب است که باعث کاهش شیب غلظت بخار آب می‌شود. جلوگیری از تبخیر آب کمک می‌کند که سطح تبادل گاز مرطوب بماند (این رطوبت برای تبادل گاز ضروری است.)

تنوع در تعداد و چیدمان روزنه‌های تنفسی

بیشترین تعداد روزنه‌های پیدا شده در حشرات (بجز بعضی از «دودُنبی‌‌ها» (Diplura)) ۱۰ جفت است. ۲ جفت سینه‌ای و ۸ جفت شکمی. دستگاه تنفسی را می‌توان بر اساس تعداد و توزیع روزنه‌های دارای عملکرد، طبقه‌بندی کرد:

1. پلی‌پنوستیک: حداقل ۸ روزنه عملکردی در هر سمت.
   • هولوپنوستیک (Holopneustic): ۱۰ روزنه؛ ۱ روزنه میان سینه‌ای (Mesothoracic)، ۱ روزنه پس سینه‌ای (Metathoracic) که قسمت سوم از سه بند سینه‌ای حشرات است. ۸ روزنه شکمی.
   • پری‌پنوستیک (Peripneustic): ۹ روزنه؛ ۱ روزنه میان سینه‌ای، ۸ روزنه شکمی.
   • همی‌پنوستیک (Hemipneustic): ۸ روزنه؛ ۱ روزنه میان سینه‌ای، ۷ روزنه شکمی.
2. اولیگوپنوستیک: ۱ یا ۲ روزنه عملکردی در هر سمت.
   • آمفی‌پنوستیک (Amphipneustic): ۲ روزنه؛ ۱ روزنه میان سینه‌ای، ۱ روزنه پشت شکمی (Post-Abdominal)
   • متاپنوستیک (Metapneustic): ۱ روزنه؛ ۱ روزنه پشت شکمی.
   • پروپنوستیک (Propneustic): ۱ روزنه؛ ۱ روزنه میان سینه‌ای.
3. آپنوستیک: فاقد روزنه عملکردی است. آپنوستیک به این معنا نیست که حشره سیستم نای ندارد، بلکه به این معناست که سیستم تراشه از بیرون باز نمی شود.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس گفتیم که دستگاه تنفس نایدیسی چیست. اجزا آن را معرفی کردیم و با آن‌ها آشنا شدیم. بخش‌های مختلف این دستگاه از بیرون به سمت داخل به این ترتیب هستند.

• روزنه‌ها
• نای
• نایچه
• کیسه‌های هوایی

در حشرات دستگاه تنفسی از دستگاه گردش خون مجزا است. بنابراین به خون و همولنف برای اکسیژن‌ رسانی نیازی نیست. یکی از مزایای این عدم وابستگی، تبادل گازی بسیار موثرتر به بافت‌ها است. اما دستگاه تنفس نایدیسی محدودیت‌هایی نیز برای حشرات به وجود آورده است. از آن‌جایی که طول مسیر‌ پیش‌روی اکسیژن مهم است، اگر طول نای‌ها زیاد باشد، اکسیژن رسانی به بدن دشوار می‌شود. پس این دستگاه یکی از دلایل کوچک بودن بدن حشرات است.

در بعضی حشرات مثل «سرقیفی» (Protura) و اکثر «دم فنری‌ها» (Collembola) سیستم نای وجود ندارد؛ بنابراین این موجودات به تنفس پوستی و انتقال گازها از سطح بدن به بافت‌ها از طریق همولنف وابسته هستند. تنفس پوستی در تخم‌ها، حشرات آب‌زی و حشراتی که انگل داخل هستند، نیز مهم است.

حشرات الگوهای تنفسی متفاوتی دارند. هنگام فعالیت‌هایی که به انرژی زیادی نیاز است، مثل پرواز، روزنه‌ها باز هستند و حشره پیوسته نفس می‌کشد. اما در زمان استراحت نیازی به تنفس مداوم نیست، پس الگو تنفسی ناپیوسته را پیش می‌گیرند.

حشرات آب‌زی برای زندگی زیر سطح آب سازگاری‌ها متفاوتی پیدا کردند، مثل آبشش، لوله‌های تنفسی، تنفس کوتیکولی، حباب‌های هوا، پلاسترون‌ها و استفاده از مولکول هموگلوبین.

با وجود آن‌که مولکول هموگلوبین را در بعضی حشرات جهت ذخیره‌ اکسیژن می‌بینیم، اما رنگدانه‌ تنفسی اصلی اکثر حشرات «هموسیانین» است که در این متالوپروتئین، عنصر «مس» به اکسیژن متصل می‌شود.

در نهایت به سراغ شش‌های کتابی رفتیم. اما فرق شش‌های کتابی با تنفس نایدیسی چیست؟ این شش‌ها که در برخی از عنکبوتیان دیده می‌شوند با شش‌های مهره‌داران تفاوت دارند و مسیر تکاملی دیگری را طی کرده‌اند. آن دسته از عنکبوتیان که از شش‌های کتابی استفاده نمی‌کنند، به طور کامل به تنفس نایدیسی وابسته هستند.