איך חרקים נושמים והאם יש להם ריאות?

חרקים, כמו אנשים, זקוקים לחמצן כדי לחיות ולייצר פחמן דו חמצני כמוצר פסולת. עם זאת, למעשה מסתיים הדמיון בין החרקים למערכת הנשימה האנושית. לחרקים אין ריאות, והם גם לא מעבירים חמצן דרך מערכת הדם באופן שבני האדם עושים. במקום זאת, ה- מערכת הנשימה חרקים מסתמך על חילופי גז פשוטים אשר שוטפים את גוף החרק בחמצן ומגורש את הפסולת הפחמן הדו-חמצני.

עבור חרקים, אוויר נכנס למערכות הנשימה דרך סדרה של פתחים חיצוניים הנקראים ספירקות. ספירקלות אלו, הפועלות כשסתומי שרירים אצל חרקים מסוימים, מובילות למערכת הנשימה הפנימית המורכבת ממערך צפוף של רשתות הנקראות קנה הנשימה.

כדי לפשט את מושג מערכת הנשימה של החרקים, חשוב עליו כמו ספוג. בספוג חורים קטנים המאפשרים למים בפנים להרטיב אותו. באופן דומה, פתחי הספירלה מאפשרים אוויר למערכת קנה הנשימה הפנימית המרחץ את רקמות החרק בחמצן. פחמן דו חמצני, פסולת מטבולית, יוצאת מהגוף דרך הרוחות.

חרקים יכולים לשלוט על הנשימה במידה מסוימת. הם מסוגלים לפתוח ולסגור את השטויות שלהם באמצעות התכווצויות שרירים. לדוגמה, חרק המתגורר בסביבה מדברית יכול לשמור על שסתומי הרוח שלו סגורים כדי למנוע אובדן לחות. זה מושג על ידי התכווצות שרירים המקיפים את הנשימה. על מנת לפתוח את הווסת, השרירים נרגעים.

חרקים יכולים גם לשאוב שרירים בכוח לאוויר במורד צינורות קנה הנשימה, ובכך להאיץ את העברת החמצן. במקרים של חום או לחץ, חרקים יכולים אפילו לפרוק אוויר על ידי פתיחה לסירוגין של עצמות שונות ושימוש בשרירים כדי להרחיב או לכווץ את גופם. עם זאת, לא ניתן לשלוט בקצב התפשטות הגזים - או להציף את החלל הפנימי באוויר. בשל מגבלה זו, כל עוד חרקים ממשיכים לנשום באמצעות מערכת רוחות וקנה הנשימה, מבחינת האבולוציה, הם לא צפויים להיות גדולים בהרבה מכפי שהם כעת.

בעוד שחמצן נמצא בשפע באוויר (200,000 חלקים למיליון), הוא פחות נגיש במים (15 חלקים למיליון במים קרירים וזורמים). למרות אתגר נשימתי זה, חרקים רבים חיים במים לפחות בשלבים מסוימים של מחזור חייהם.

איך חרקים מימיים מקבלים את החמצן שהם זקוקים להם בזמן שהם שקועים? כדי להגביר את ספיגת החמצן שלהם במים, כל החרקים המימיים הקטנים ביותר מעסיקים מבנים חדשניים - כמו למשל מערכות ומבנים של זימים הדומים לשנורקל אנושי וציוד צלילה - כדי למשוך חמצן ולכפות את הפחמן הדו-חמצני החוצה.

חרקים רבים שיש בהם מים הם בעלי זיכרון קנה הנשימה, שהם שלוחות שכבות של גופם המאפשרים לקחת כמויות גדולות יותר של חמצן מהמים. זימים אלה ממוקמים לרוב על הבטן, אך בחלק מהחרקים הם נמצאים במקומות מוזרים ובלתי צפויים. כמה גופותלמשל, יש זימים אנאליים שנראים כמו מקבץ חוטים המשתרעים מקצותיהם האחוריים. שפירית בנימפות יש זימים בתוך פי הטבעת שלהם.

המוגלובין יכול להקל על לכידת מולקולות חמצן מהמים. זחלי בוץ לא נושכים מהאזור Chironomidae למשפחה וכמה קבוצות חרקים אחרות יש המוגלובין, בדומה לחוליות. זחלי כירונומיד נקראים לרוב תולעי דם מכיוון שהמוגלובין מחדיר אותם בצבע אדום בוהק. תולעי דם יכולות לשגשג במים עם רמות חמצן נמוכות במיוחד. על ידי פתיחת גופם בבטן האדמה של אגמים ובריכות, תולעי הדם מסוגלות להרוות את ההמוגלובין בחמצן. כשהם מפסיקים לנוע, ההמוגלובין משחרר חמצן, ומאפשר להם לנשום אפילו יותר סביבות מימיות מזוהמות. אספקת חמצן גיבוי זו עשויה להימשך מספר דקות בלבד, אך בדרך כלל היא ארוכה מספיק עד שהחרק יעבור למים חמוצים יותר.

חרקים מימיים מסוימים, כמו רימוני זנב עכברוש, שומרים על קשר עם אוויר על פני השטח דרך מבנה דמוי שנורקל. לחרקים מעטים השתנו ספירקלות שיכולים לחדור את החלקים השקועים של צמחי מים, ולקחת חמצן מתעלות אוויר בשורשיהם או בגבעוליהם.

חיפושיות מים מסוימות ובאגים אמיתיים יכולים לצלול על ידי נשיאת בועת אוויר זמנית עימם, ממש כמו שצולל SCUBA נושא מיכל אוויר. אחרים, כמו חיפושיות בורות, שומרים על סרט קבוע של אוויר סביב גופם. חרקים מימיים אלה מוגנים על ידי רשת שערות דמויית רשת הדוחה מים ומספק להם אספקת אוויר מתמדת ממנה ניתן לשאוב חמצן. מבנה המרחב האווירי הזה, המכונה פלסטרון, מאפשר להם להישאר שקועים לצמיתות.

Gullan, P.J. ו- Cranston, P.S. "החרקים: מתווה של אנטומולוגיה, המהדורה השלישית." וויילי-בלקוול, 2004

מריט, ריצ'רד וו. וקמינס, קנת וו. "מבוא לחרקים מימיים של צפון אמריקה." הוצאת קנדל / האנט, 1978

מאייר, ג'ון ר. "נשימה בחרקים מימיים. "המחלקה לאנטומולוגיה, אוניברסיטת צפון קרוליינה (2015).