Owady oddychają jak ludzie?

Zaskakujący mechanizm oddychania, oparty na wentylacji, a zatem podobny do tego, jaki zachodzi w płucach ludzi, udało się zaobserwować u niektórych gatunków owadów – świerszczy, mrówek i żuków – donosi najnowszy numer "Science".

Odkrycie jest zaskakujące, dlatego, że owady w rzeczywistości nie posiadają płuc a jedynie skomplikowany układ rureczek oddechowych, nazywanych tchawkami, przez które – jak uważano dotąd – wymiana gazowa zachodzi powoli, w bierny sposób, na drodze dyfuzji cząsteczek gazów. Naukowcy amerykańscy z Field Museum i Argonne National Laboratory w Chicago oraz z Clemson University po raz pierwszy wykorzystali promienie Rentgena do obserwacji oddychania u owadów. Do generowania promieni zespół zastosował tzw. synchrotron, który cyklicznie przyspiesza naładowane cząstki atomów - elektrony lub protony poruszające się w polu magnetycznym. Przyspieszenie uzyskuje się dzięki polu elektrycznemu.

Synchrotron z laboratoriów Argonne jest jednym z najsilniejszych i największych na świecie. Jego obwód wynosi około 1 kilometra, a cząstki przyspieszane są z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Promieniowanie, które generuje, jest prawie miliard razy silniejsze niż konwencjonalne promieniowanie Rentgena. Okazało się, że tchawki niektórych gatunków owadów, w tym świerszczy, żuków i mrówek, a nawet motyli, ważek czy karaczanów, są wentylowane w podobny sposób jak płuca u ludzi, tj. dzięki zmianom objętości. Są one obkurczane aktywnie za sprawą mięśni, dzięki czemu powietrze aktywnie przemieszcza się wzdłuż systemu kanalików i przyspiesza dyfuzję tlenu do komórek.

Cykl oddechowy ulega zakończeniu, gdy mięśnie się rozluźniają, a tchawki ulegają rozkurczeniu. Zmiany te badacze zaobserwowali w tchawkach zlokalizowanych w głowie i szyi owadów. Cykle oddechowe związane ze zmianami objętości tchawek były czasami tak częste (tj. jeden cykl na sekundę), że wymiana gazowa zachodziła na poziomie podobnym do tej u ludzi wykonujących ćwiczenia o umiarkowanej aktywności.

Autorzy podkreślają, że ich odkrycie może nie tylko zrewolucjonizować poglądy na procesy fizjologiczne owadów, ale też pomoże w wyjaśnieniu ich niezwykły sukces ewolucyjny – jest to najliczniejsza i najbardziej zróżnicowana grupa zwierząt. Zdolność do szybkiej wymiany gazowej i dostarczania tlenu do tkanek organizmu pozwala bowiem owadom wykonywać tak energochłonne procesy, jak lot, czy bieganie oraz odżywiać doskonale funkcjonujące narządy zmysłów.

Po raz pierwszy udało nam się zastosować promienie Rentgena do zarejestrowania przebiegu procesu oddychania u żywych zwierząt – podkreśla biorący udział w badaniach Wah-Keat Lee. Według badacza, ta pionierska metoda pomoże badać wiele innych funkcji życiowych żywych zwierząt. Autorzy wierzą ponadto, że obserwacje poczynione z jej udziałem pomogą w przyszłości zmodyfikować lub opracować nowe sposoby terapii wielu chorób.