Hoe ademen insecten en hebben ze longen?

Insecten hebben net als mensen zuurstof nodig om te leven en koolstofdioxide te produceren als afvalproduct. Dat is echter waar de overeenkomst tussen het insect en de menselijke ademhalingssystemen in wezen eindigt. Insecten hebben geen longen en transporteren ook geen zuurstof door de bloedsomloop zoals mensen dat doen. In plaats daarvan, de ademhalingssysteem van insecten vertrouwt op een eenvoudige gasuitwisseling die het lichaam van het insect in zuurstof baadt en het kooldioxide-afval verdrijft.

Voor insecten komt lucht de ademhalingssystemen binnen via een reeks externe openingen die spiracles worden genoemd. Deze spiracles, die bij sommige insecten als spierkleppen werken, leiden naar het interne ademhalingssysteem dat bestaat uit een dicht netwerk van buizen, de luchtpijp genaamd.

Om het concept van het ademhalingssysteem van insecten te vereenvoudigen, moet je het als een spons beschouwen. De spons heeft kleine gaatjes waardoor water erin kan bevochtigen. Evenzo laten de spirakelopeningen lucht in het interne tracheale systeem waardoor de weefsels van het insect met zuurstof worden gewassen.

Insecten kunnen de ademhaling tot op zekere hoogte beheersen. Ze kunnen hun spiracles openen en sluiten via spiercontracties. Een insect dat in een woestijnomgeving leeft, kan bijvoorbeeld zijn spiraalkleppen gesloten houden om vochtverlies te voorkomen. Dit wordt bereikt door de spieren rond de spiraal samen te trekken. Om de spiraal te openen, ontspannen de spieren.

Insecten kunnen ook spieren pompen om lucht door de tracheale buizen te persen, waardoor de zuurstoftoevoer wordt versneld. In het geval van hitte of stress kunnen insecten zelfs lucht ventileren door afwisselend verschillende spiracles te openen en spieren te gebruiken om hun lichaam uit te zetten of samen te trekken. De mate van gasdiffusie - of het overspoelen van de binnenholte met lucht - kan echter niet worden gecontroleerd. Als gevolg van deze beperking, zolang insecten blijven ademen met behulp van een spiraal- en trachestelsel, zullen ze qua evolutie waarschijnlijk niet veel groter worden dan nu.

Hoewel er zuurstof in de lucht is (200.000 delen per miljoen), is het aanzienlijk minder toegankelijk in water (15 delen per miljoen in koel, stromend water). Ondanks deze ademhalingsuitdaging leven veel insecten in ten minste enkele stadia van hun levenscyclus in water.

Hoe krijgen waterdieren de ondergedompelde zuurstof binnen? Om hun zuurstofopname in het water te vergroten, gebruiken alle behalve de kleinste waterinsecten innovatieve structuren - zoals kieuwsystemen en -structuren vergelijkbaar met menselijke snorkels en duikuitrusting - om zuurstof naar binnen te trekken en koolstofdioxide naar buiten te drijven.

Veel in het water levende insecten hebben tracheale kieuwen, gelaagde verlengstukken van hun lichaam waardoor ze grotere hoeveelheden zuurstof uit water kunnen opnemen. Deze kieuwen bevinden zich meestal op de buik, maar bij sommige insecten worden ze op vreemde en onverwachte plaatsen gevonden. Sommige steenvliegenhebben bijvoorbeeld anale kieuwen die eruitzien als een cluster van filamenten die zich uitstrekken vanaf hun achteruiteinden. Libel nimfen hebben kieuwen in hun rectum.

Hemoglobine kan de opname van zuurstofmoleculen uit het water vergemakkelijken. Niet bijtende muggenlarven uit de Chironomidae familie en een paar andere insectengroepen bezitten hemoglobine, net als gewervelde dieren. Chironomid-larven worden vaak bloedwormen genoemd omdat de hemoglobine ze een felrode kleur geeft. Bloedwormen kunnen gedijen in water met een uitzonderlijk laag zuurstofgehalte. Door hun lichaam te golven in de modderige bodems van meren en vijvers, kunnen bloedwormen de hemoglobine verzadigen met zuurstof. Wanneer ze stoppen met bewegen, geeft de hemoglobine zuurstof af, waardoor ze zelfs het meest kunnen ademen vervuilde aquatische omgevingen. Deze back-up zuurstoftoevoer duurt misschien maar een paar minuten, maar het is meestal lang genoeg om het insect naar meer zuurstofrijk water te laten gaan.

Sommige waterinsecten, zoals rattenstaartmaden, onderhouden een verbinding met lucht aan de oppervlakte door middel van een snorkelachtige structuur. Een paar insecten hebben gemodificeerde spiracles die de ondergedompelde delen van waterplanten kunnen doorboren en zuurstof uit de luchtkanalen in hun wortels of stengels kunnen halen.

Bepaalde aquatische kevers en echte insecten kunnen duiken door een tijdelijke luchtbel met zich mee te dragen, net zoals een SCUBA-duiker een luchttank draagt. Anderen, zoals geweerkevers, houden een permanente luchtfilm rond hun lichaam vast. Deze waterinsecten worden beschermd door een gaasachtig netwerk van haren dat water afstoot, waardoor ze een constante luchttoevoer hebben waaruit ze zuurstof kunnen halen. Door deze luchtruimstructuur, een plastron genaamd, kunnen ze permanent onder water blijven.

Gullan, P.J. en Cranston, P.S. "The Insects: An Outline of Entomology, 3rd Edition." Wiley-Blackwell, 2004

Merritt, Richard W. en Cummins, Kenneth W. "Een inleiding tot de waterinsecten van Noord-Amerika." Kendall / Hunt Publishing, 1978

Meyer, John R. "Ademhaling bij in het water levende insecten. "Afdeling Entomologie, North Carolina State University (2015).