昆虫の呼吸器系

昆虫の呼吸器系は、呼吸ガスを昆虫体内に取り入れてガス交換を行うシステムです。

昆虫の呼吸器系には、気門と呼ばれる一連の外部開口部から空気が入ります。昆虫によっては筋肉弁として機能するこれらの外部開口部は、気管と呼ばれる密集した管の配列である内部呼吸器系につながっています。この横方向と縦方向の気管のネットワークにより、システム全体の圧力が均等化されます。

呼吸器系は、体内のすべての細胞に十分な酸素(O _{2 ) を供給し、}細胞呼吸の老廃物として生成される二酸化炭素(CO ₂ ) を除去する役割を担っています。昆虫 (および他の多くの節足動物) の呼吸器系は、循環器系とは別のものです。

昆虫は外骨格に気門を持ち、そこから空気が気管に入ることができる。^{[1] [要ページ]}昆虫では、気管は主に酸素を昆虫の組織に直接送る。気門は水分の損失を減らすために効率的に開閉することができる。これは気門周囲の接近筋を収縮させることによって行われる。開くためには、筋肉を弛緩させる。接近筋は中枢神経系によって制御されているが、局所的な化学刺激に反応することもできる。いくつかの水生昆虫は、水が気管に入るのを防ぐために、同様または別の閉鎖方法を持っている。気門は、開口部の周りの大量の空気の動きを最小限に抑え、水分の損失を最小限に抑えるために毛で囲まれることもある。

気門は、ほとんどの昆虫の胸部と腹部に沿って横方向にあり、通常は体節ごとに 1 対の気門があります。空気の流れは、各気門内の 1 つまたは 2 つのフラップ状の弁を操作する小さな筋肉によって調整されます。収縮すると気門が閉じ、弛緩すると開きます。

気門を通過した空気は、縦方向の気管幹に入り、最終的には気管の複雑な分岐ネットワーク全体に拡散します。このネットワークは、次第に直径が小さくなり、体のあらゆる部分に到達します。各気管枝の末端には、大気と生体細胞の間でガス交換を行うための薄く湿った界面を提供する特殊な細胞があります。気管内の酸素は、まず気管支の液体に溶解し、次に細胞膜を越えて隣接する細胞の細胞質に拡散します。同時に、細胞呼吸の老廃物として生成された二酸化炭素は細胞から拡散し、最終的には気管系を通じて体外に排出されます。

各気管は、胚発生中に外胚葉の陥入部として発達します。圧力によって気管が潰れるのを防ぐために、薄い補強用の「ワイヤー」である表皮 (テニディア) が膜壁を螺旋状に貫通しています。この設計 (自動車のヒーター ホースや衣類乾燥機の排気ダクトと構造が似ています) により、気管は空気の流れを妨げるようなねじれを生じることなく、曲げたり伸ばしたりすることができます。

気管系の特定の部分には条虫がないため、折りたためる気嚢、つまり空気を蓄えておくことができる風船のような構造物が形成される。乾燥した陸上環境では、この一時的な空気供給により、昆虫は蒸発ストレスが高い期間に気門を閉じて水分を節約できる。水生昆虫は水中で蓄えられた空気を消費するか、浮力の調節に利用する。脱皮中、昆虫が古い外骨格から解放されて新しい外骨格を拡張するため、気嚢は膨らんで大きくなる。脱皮と脱皮の間には、気嚢は新たな成長の余地を提供するが、内臓の拡張によって圧縮されて容積が小さくなる。

小型昆虫は、気管系内のガスの移動をほぼ受動拡散と身体活動のみに依存している。しかし、大型昆虫は気管系の能動換気を必要とする場合がある（特に活動時や熱ストレス下にある場合）。昆虫は、腹筋を使って体の容積を交互に拡張および縮小しながら、いくつかの気門を開き、他の気門を閉じることによってこれを実現する。これらの脈動運動により、縦方向の気管幹を通じて体の一端から他端へ空気が排出されるが、拡散は、より小さな気管チューブのネットワークを通じて個々の細胞に酸素を分配するために依然として重要である。実際、ガス拡散率は（外骨格の重量とともに）昆虫のサイズを制限する主な要因の1つと見なされている。^{[2]しかし、}石炭紀 などの地球の古代史の時期には、酸素レベルがはるかに高く（最大35％）、メガニューラなどの大型昆虫やクモ形類が進化することができた。

昆虫はかつて、気管系へのガスの単純な拡散によって環境と継続的にガス交換していると考えられていました。最近では、昆虫の換気パターンに大きなばらつきがあることが記録されており、昆虫の呼吸は非常に多様であることが示唆されています。一部の小型昆虫は連続呼吸を示し、気門の筋肉制御を欠いている可能性があります。しかし、他の昆虫は腹部の筋肉収縮と協調した気門収縮および弛緩を利用して周期的なガス交換パターンを生み出し、大気中への水分損失を減らしています。これらのパターンの最も極端な形態は、不連続ガス交換サイクル (DGC) と呼ばれています。^[3] 最近のモデル化では、循環ガス交換における空気輸送のメカニズムが計算的および分析的に説明されています。^[4]