Система органов насекомых

Насекомые, подобно другим членистоногим, имеют внешний скелет (экзо-скелет) из хитина. На покровах их тела часто можно увидеть различные выросты, такие как волоски, роговые образования, чешуйки и так далее.

Как появляется насекомое

Строение

Тело насекомого состоит из трех отделов:

1. Голова, представляющая собой комплекс из акрона и четырех сегментов, объединенных в единую структуру. На голове расположены антенны, мандибулы, максиллы, непарная нижняя губа, простые глазки и фасеточные глаза. Три пары челюстей образуют ротовой аппарат, который также включает в себя верхнюю губу, или лабрум. У некоторых видов в состав ротового аппарата входит гипофаринкс – непарный вырост глотки. Ротовой аппарат насекомых может различаться: некоторые насекомые обладают грызущим ротовым аппаратом (как у тараканов и прямокрылых), другие имеют сосущий ротовой аппарат (бабочки), либо грызуще-лижущий (пчелы, шмели), колюще-сосущий (комары) или просто лижущий (мухи). Кроме того, существует редуцированный ротовой аппарат у взрослых особей некоторых видов. Существуют два типа антенн – коленчатые и кольчатые.
2. Туловище состоит из переднегрудного, среднегрудного и заднегрудного сегментов. Мускулатура и сухожилия полностью заполняют его объем, поскольку оно является центром движения. На каждом сегменте туловища присутствует пара торакальных ног. Средние и задние грудные сегменты также могут иметь крылья. Грудные ноги включают в себя вертлужку, тазик, бедро, голень и лапку. Среди всех конечностей, присутствующих у членистоногих, ноги являются наиболее развитым органом движения. Существуют начальные типы ног – бегательные и ходильные ноги, которые могут претерпевать специализацию до получения таких видоизменений, как плавательные, хватательные или копательные ноги, и другие. Большинство насекомых обладает двумя парами крыльев. Крыло формируется за счет двух слоев кожи, покрытых кутикулой, которые служат опорной конструкцией для жилок крыльев. У примитивных видов крылья отсутствуют (например, в чешуйницах). У передней пары крыльев характерны видоизменение в надкрылья.
3. Брюшко обычно состоит из 10 сегментов и имеет тельсон, где расположена большая часть внутренних органов. Некоторые сегменты брюшка могут объединяться, а также нести придатки, такие как грифельки, гоноподии, церки и яйцеклады.

Схема внешнего и внутреннего строения насекомого

Хитиновая кутикула, гиподерма и базальный матрикс являются наружными покровами насекомых. Кутикула имеет трехслойную структуру. Различные слои кутикулы принимают участие в формировании крючков, бугорков, шипов, щетинок, волосков и чешуй.

Внутренние системы

Внутренние системы насекомых характеризуются разнообразием размеров, относящихся к этим существам, – они могут быть как относительно маленькими, имеющими размеры 1 – 2 мм, так и достаточно крупными, такими, как палочник, длиной 330 мм. По объему самым большим насекомым является жук-усач, длина его тела составляет 160 мм, а ширина – 60 мм.

Интересный факт! Большинство представителей сверчков характеризуется удлиненным телом, голова сжата с боков, а их глаза имеют форму двух овалов. Их мощные челюсти позволяют им эффективно справляться с добычей и отрывать кусочки пищи. Длина этих насекомых варьируется в зависимости от вида и может колебаться от 1,5 до 15 см.

Органы дыхательной системы

Видно на таксономическом уровне, что дыхательная система насекомых является сложной биологической системой, которая обеспечивает газообмен с окружающей средой. В большинстве случаев насекомые имеют множество крупно разветвленных трахей, которые пронизывают всё их тело. Однако, у водных насекомых и внутренних паразитов есть некоторые особенности в их дыхательной системе.

Научное сообщество классифицирует настоящих насекомых, принадлежащих к подтипу трахейнодышащие, согласно применению таксономии. Такое название указывает на специфичный метод дыхательной деятельности этих видов. С эволюцией насекомых возникла потребность в приспособлении для снабжения организма кислородом, и именно трахеи стали такими органами. Эти маленькие внутренние трубочки доставляют атмосферный воздух к клеткам организма.

Трахейная система имеет сложную структуру, где трахеи разветвляются на мельчайшие трубочки, достигающие небольших групп клеток. Эта система насекомых во многом аналогична системе кровеносных сосудов позвоночных животных.

Трахейная система органов у насекомых

Воздух в трахеи поступает через особые отверстия, известные как дыхальцы или стигмы, которые парно расположены по бокам тела насекомых. Регуляция потока воздуха осуществляется при помощи специальных клапанов.

Каждое дыхальце ветвится на три ветви трахеи, имеющие симметричную структуру:

• Дорзальная ветвь обеспечивает поступление кислорода в спинной сосуд и спинную мускулатуру;
• Висцеральная ветвь насыщает кислородом половые органы и пищеварительную систему;
• Вентральная ветвь обслуживает нервную цепочку и брюшную мускулатуру.

Трахеи успешно разветвляются на мельчайшие капиллярные трубочки, называемые трахеолами, которые образуют сеть внутри клеток. Они обеспечивают поступление кислорода в клетки и удаление углекислого газа, образующегося в результате клеточного дыхания.

Способы, которыми насекомые дышат под водой, зависят от строения их трахейной системы. Для дыхания в водной среде насекомым доступны два основных способа:

1. С закрытой трахейной системой. У этих насекомых отсутствуют наружные отверстия, такие как стигмы, и дыхание осуществляется при помощи жабр. Жабры представляют собой выросты на теле насекомых, содержащие разветвлённые трахеи. Сеть трахеолов примыкает к жабрам настолько тесно, что происходит газообмен через них;
2. С открытой трахейной системой. Насекомые поднимаются к поверхности воды, через дыхальца впускают атмосферный воздух, а затем снова погружаются. Когда запас кислорода исчерпывается, они снова выныривают. У этих насекомых присутствуют воздушные мешки, способные хранить большой объем воздуха, и развитый механизм закрытия дыхальцев, который предотвращает попадание воды в трахейную систему.

Органы пищеварительной системы

Насколько пищеварительная система касается, она у насекомых начинается с ротового отверстия в голове и заканчивается анальным отверстием на последнем сегменте брюшка. Кишечник состоит из трех частей: передней, средней и задней кишки, которые отделяются друг от друга клапанами. Кардиальный клапан разделяет переднюю и среднюю кишку, а пилорический — среднюю и заднюю. Хитиновая интима выстилает переднюю и заднюю кишку, продолжаясь из кутикулы тела. Средняя кишка не имеет кутикулярного слоя. Передняя кишка состоит из глотки, пищевода, зоба и мышечного желудка. Глотка и пищевод служат для передачи пищи. Зоб служит для скапливания и переваривания пищи ферментами слюны. У некоторых насекомых, особенно питающихся сосущим способом, зоб может иметь вид пузырчатого отростка, который связывается с пищеводом узкой трубкой. Мышечный желудок имеет толстые мускульные стенки и внутренний слой из сильных хитиновых зубцов. В мышечном желудке пища размалывается, а затем через кардиальный клапан переходит в среднюю кишку. Мышечный желудок хорошо развит у насекомых, питающихся грызущим способом, но минимально развит у пчел и большинства двукрылых насекомых. Кардиальный клапан предотвращает обратное движение пищи. У некоторых насекомых кардиальный клапан участвует в образовании перитрофической мембраны, которая окружает пищевые массы и защищает нежный эпителий средней кишки от повреждений.

Пищеварительная система мухи

Перитрофическая мембрана проницаема для воды и минеральных солей, действуя как односторонний фильтр для крупных молекул. То есть, пищеварительные ферменты могут проникать в перевариваемую пищу, но не могут вернуться обратно. Из эпителия средней кишки подсасываются только полностью преобразованные продукты пищеварения. Многие микроорганизмы не могут проникнуть сквозь перитрофическую мембрану. У насекомых, переваривающих беспокидающим образом пищу, а также питающихся легкодоступными веществами, перитрофическая мембрана отсутствует. Средняя кишка не подразделяется на отделы и выстлана изнутри железистым эпителием.

Передняя и задняя кишки обладают различными функциями и адаптациями для обеспечения оптимального пищеварения и всасывания питательных веществ. В передней части кишки имеются слепые выросты, которые увеличивают активную поверхность всасывания. Эпителиальные клетки средней кишки выполняют функции секреции ферментов и всасывания продуктов распада белков, углеводов и жиров. Они содержат регенеративные гнезда, где клетки активно делятся, способствуя возобновлению эпителия при линьке и метаморфозе. Регулирование выделения ферментов и всасывания продуктов пищеварения зависит от физиологического состояния организма. Задняя кишка получает непереваренные остатки пищи через пилорический клапан. Она подразделяется на тонкую, толстую и прямую части. В задней кишке расположены 6 – 8 ректальных желез, которые осуществляют всасывание воды из экскрементов. У сапрофитов и насекомоядных насекомых тонкая кишка превращается в ферментативную камеру, где обитают различные симбионты, такие как бактерии, грибы и простейшие, которые разлагают целлюлозу до глюкозы. Прямая кишка играет важную роль в всасывании воды и формировании обезвоженных экскрементов.

Пища, поступающая в организм насекомого, содержит сложные высокомолекулярные вещества, которые являются источником энергии для роста и восстановления организма. Однако они не могут быть усвоены в своем первоначальном виде, поэтому требуется переработка пищи. Механическая переработка включает измельчение пищи грызущими органами рта и перетирание мышечным желудком. Химическая переработка осуществляется с помощью ферментов, которые разлагают белки, жиры и углеводы на более простые компоненты. Содержащиеся в пище клетки слюнных желез выделяют амилазы, которые расщепляют крахмал на глюкозу. Таким образом, пищеварительный процесс в организме начинается в передней кишке. Однако, основные этапы пищеварения происходят в средней кишке, где белки расщепляются на аминокислоты, жиры – на глицерин и жирные кислоты. Аминокислоты служат строительным материалом для тканей организма, а также для процессов синтеза ферментов и гормонов.

Жиры, в свою очередь, являются структурными компонентами биологических мембран, резервным источником энергии, а также метаболической воды. Углеводы играют важную роль, являясь основным источником энергии. В дополнение к белкам, жирам и углеводам, пища насекомых может содержать такие компоненты, как древесина, воск, роговое вещество и другие вещества. Переваривание данных компонентов может осуществляться с использованием своих собственных ферментов или ферментов, имеющихся в симбионтов кишечника. В средней кишке происходит всасывание продуктов гидролиза благодаря высокой концентрации аминокислот, сахаров, глицерина и омыленных жирных кислот, что вызывает различие в осмотическом давлении и способствует их абсорбции клетками кишечника. Внекишечное пищеварение является особым процессом, при котором пищеварительные ферменты выделяются для обработки источника пищи за пределами кишечника. Этот тип пищеварения присущ хищным насекомым, но также встречается у растительноядных.

Нервная система и органы чувств

Отдельно следует отметить нервную систему и органы чувств. Центральная нервная система насекомых представлена надглоточным нервным ганглием, или головным мозгом, состоящим из трех слившихся нервных узлов. От головного мозга отходит окологлоточное нервное кольцо, которое связано внизу с парой подглоточных ганглиев. От них в нижней части полости тела простирается брюшная нервная цепочка. В некоторых насекомых парные узлы сливаются в грудном отделе. Кроме центральной нервной системы, существует периферическая нервная система – совокупность нервов, выходящих от узлов к мышцам, а также симпатическая система, идущая от подглоточных узлов к внутренним органам.

Интересный факт! Медведка, известная также как капустянка или земляной рак, является одним из крупнейших насекомых. Она относится к подотряду длинноусых и семейству сверчковых, а также подсемейству медведки.

Нервная система у насекомых

Кровеносная система

В кровеносной системе насекомых особенности ощущаются по сравнению с позвоночными животными в своей структуре и других характеристиках. Развитие кровеносной системы особо сформировано под влиянием особенностей дыхательной системы. Кровеносная система насекомых представлена единственным сосудом, который связан с сердцем. Такая система имеет открытый тип строения, при котором кровь не циркулирует по сосудам, а заполняет полость тела. Орган работает по обычному принципу для насекомых – при расслаблении сердца, гемолимфа наполняется, а во время сокращения она выталкивается в артерии, после чего омывает органы и ткани, проникая в полость тела. После того, как гемолимфа насытила внутренние органы, она возвращается в сердце.

Пчела медоносная

Особенности системы органов насекомых

Еще одной особенностью организации насекомых является система их органов. Многие насекомые обладают усиками, которые являются органами осязания и обоняния. Усики могут иметь различные структуры, такие как нитевидная, пильчатая, гребенчатая и перистая. Передвижение насекомых обеспечивается ногами и крыльями, которые располагаются на груди. Строение ног насекомых зависит от их образа жизни и среды обитания. Выделяют несколько типов конечностей, таких как бегательные (у муравьев), плавательные (у плавунца), прыгательные (у кузнечиков) и копательные (у жука-навозника и медведки).

Интересный факт! Ротовой аппарат большинства жуков состоит из парных мандибул (верхних челюстей) и максилл (нижних челюстей), предназначенных для измельчения пищи. Жесткокрылые насекомые обладают небольшими щупиками на нижней губе и челюстях, которые являются своего рода органами осязания и вкуса. Стоит отметить, что самые массивные мандибулы наблюдаются у рогачей, таких как жук-олень и жук-геркулес.