Φυσιολογία εντόμων

Βασικές αρχές της Φυσιολογίας Η λειτουργία βασίζεται στη δομή Σχέση Φυσιολογίας και Γενετικής Διατήρηση σταθερότητας εσωτερικού περιβάλλοντος – ομοιόσταση Αρχή του August Krogh

1. Ομοιόσταση

Ομοιόσταση Όλα τα όργανα συνεισφέρουν στην ομοιόσταση. Όλα τα όργανα συνεισφέρουν στην ομοιόσταση. Τα περισσότερα συστήματα ρυθμίζονται μέσω αρνητικής ανάδρασης

Ενδοθερμία και εξωθερμία Οι ζωικοί οργανισμοί διατηρούν την εσωτερική θερμοκρασία τους εντός ανεκτών ορίων, χρησιμοποιώντας μηχανισμούς θερμορρύθμισης Οι ενδόθερμοι οργανισμοί θερμαίνονται κυρίως με τη θερμότητα που παράγει ο μεταβολισμός Πτηνά Θηλαστικά Λίγα ερπετά Ορισμένα ψάρια Πολλά είδη εντόμων Οι εξώθερμοι οργανισμοί προσλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που χρειάζονται από εξωτερικές πηγές Αμφίβια, σαύρες, φίδια, χελώνες Πολλά ψάρια Τα περισσότερα ασπόνδυλα Η ενδοθερμία προϋποθέτει μεγαλύτερη δαπάνη ενέργειας Η ενδοθερμία και η εξωθερμία δεν αποκλείουν η μία την άλλη

Μηχανισμοί θερμορρύθμισης Η ικανότητα ενός ζώου να ελέγχει τις ανταλλαγές θερμότητας με το περιβάλλον Μόνωση Προσαρμογές του κυκλοφορικού Εξάτμιση που προκαλεί δροσισμό Ρύθμιση της θερμότητας μέσω μεταβολισμού Συμπεριφορικές αντιδράσεις

Έλεγχος της θερμοκρασίας μέσω συμπεριφοράς-1

Έλεγχος της θερμοκρασίας μέσω συμπεριφοράς-2 Η ακρίδα της ερήμου, προκειμένου να κινηθεί, πρέπει να αποκτήσει προηγουμένως μια συγκεκριμένη σωματική θερμοκρασία. Έτσι, τις κρύες μέρες προσανατολίζει το σώμα της προς την κατεύθυνση που της επιτρέπει να μεγιστοποιεί την απορρόφηση του ηλιακού φωτός

Έλεγχος της θερμοκρασίας μέσω συμπεριφοράς-3 Οι μέλισσες χρησιμοποιούν μηχανισμούς που βασίζονται στην κοινωνική συμπεριφορά: στη διάρκεια των ψυχρών ημερών κάθε μέλισσα αυξάνει τη θερμότητα που παράγει, ενώ παράλληλα όλες οι μέλισσες συνωστίζονται σε μικρό χώρο, διατηρώντας έτσι σχετικά σταθερή τη θερμότητα της κυψέλης

Ρύθμιση θερμότητας μέσω μεταβολισμού Οι νυχτοπεταλούδες είναι οι πιο μικροί ενδόθερμοι οργανισμοί. Η ικανότητά τους να αυξάνουν τη θερμοκρασία τους οφείλεται στους ισχυρούς πτητικούς μυς που δραστηριοποιούμενοι παράγουν μεγάλα ποσά θερμότητας

2. Πρόσληψη τροφής

Τα κύρια στάδια επεξεργασίας της τροφής

Πεπτικά διαμερίσματα Στους περισσότερους ζωικούς οργανισμούς η πέψη της τροφής γίνεται εξωκυττάρια Η διάσπαση της τροφής (με ενζυμική υδρόλυση) γίνεται σε διαμερίσματα που αποτελούν συνέχεια του εξωτερικού περιβάλλοντος του ζώου (στο εσωτερικό μιας γαστραγγειακής κοιλότητας ή ενός πεπτικού σωλήνα) Έτσι, οι οργανισμοί είναι σε θέση να προσλαμβάνουν και να επεξεργάζονται πολύ μεγαλύτερα τμήματα τροφής

Η μορφολογία του πεπτικού συστήματος εξαρτάται από τις λειτουργίες που πρέπει να επιτελέσει

Το πεπτικό σύστημα εμπλέκεται στις εξής λειτουργίες: Απόκτηση τροφής Μηχανικός τεμαχισμός της σε μικρότερα κομάτια που διευκολύνουν τα πεπτικά ένζυμα (προστόμαχος) Ενζυματική πέψη μεγαλύτερων μορίων τροφής σε μικρότερα που μπορούν να διαβούν το πεπτικό σύστημα και να εισέλθουν στην αιμολέμφο (μεσοστόμαχος) Παραγωγή μορίων ή μηνυμάτων (πχ ενδοκρινών) που συντονίζουν τη λήψη τροφής και άλλες δραστηριότητες του πεπτικού συστήματος

Ο προστόμαχος Ο προστόμαχος ξεκινάει στα στοματικά όργανα και τελειώνει μόλις μετά το προγαστρίδιο Ελάχιστη πέψη λαμβάνει χώρα στον προστόμαχο Κυρίως γίνεται μηχανικός τεμαχισμός και ‘μαλάκωμα’ της τροφής με τις εκκρίσεις των σιελογόνων αδένων ή ειδικά ‘δόντια’ (κατσαρίδες) Οι σιελογόνοι αδένες Ενυδατώνουν την τροφή Λιπαίνουν τα στοματικά όργανα Περιέχουν πεπτικά ένζυμα (πχ αμυλάση)

Ο μεσοστόμαχος Ο μεσοστόμαχος περιέχει διαφορετικούς κυτταρικούς τύπους: Πεπτικά κύτταρα Αναγεννητικά κύτταρα Ενδοκρινή κύτταρα Κυππελοειδή κύτταρα Ο μεσοστόμαχος έχει ένα ‘γάντι’, την περιτροφική μεμβράνη, που διαχωρίζει την προς πέψη τροφή από τους διάφορους τύπους κυττάρων Η κυρίως πέψη επιτελείται στο μεσοστόμαχο

Το οπίσθιο έντερο Είναι η κύρια περιοχή όπου απορρίπτονται τα απόβλητα από το μεσοστόμαχο και τους Μαλπιγγειανούς σωλήνες Σε έντομα που τρέφονται με αραιές τροφές (πχ χυμούς φυτών ή αίμα), το οπισθέντερο είναι το σημείο της συμπύκνωσης των τροφών μέσω της απόρριψης του νερού, αλλά και το σημείο όπου αναπτύσσονται τα περισσότερα συμβιωτικά βακτήρια που χρησιμοποιούν αυτά τα απόβλητα για την παραγωγή ουσιών που χρειάζεται το έντομο Πολλά έντομα έχουν προσαρμόσει το οπισθέντερο για την επαναπορρόφηση ορισμένων αλάτων και αμινοξέων Επίσης βοηθά στη διατήρηση της οσμωτικής πίεσης της αιμολέμφου

3. Κυκλοφορία και ανταλλαγή αερίων

Το κυκλοφορικό σύστημα συνδέει τις επιφάνειες ανταλλαγής ουσιών με τα κύτταρα ολόκληρου του σώματος

Στα μικρά ζώα με απλό μορφότυπο, η γαστραγγειακή κοιλότητα διαμεσολαβεί στην ανταλλαγή ουσιών ανάμεσα στο περιβάλλον και στα κύτταρα που είναι προσβάσιμα, μέσω διάχυσης σε μικρή απόσταση

Ανοικτά και κλειστά κυκλοφορικά συστήματα Επειδή η διάχυση γίνεται αργά στις μεγαλύτερες αποστάσεις, οι περισσότεροι σύνθετοι ζωικοί οργανισμοί διαθέτουν εσωτερικά συστήματα μεταφοράς, είτε ανοικτά είτε κλειστά Και τα δύο συστήματα έχουν τρία βασικά συστατικά: Το κυκλοφορικό υγρό: αίμα ή αιμολέμφος Ένα σύνολο από αγγεία Μια μυώδη αντλία: καρδιά

Σε ένα ανοικτό κυκλοφορικό σύστημα, όπως αυτό των αρθροπόδων και των περισσοτέρων μαλακίων, το κυκλοφορικό υγρό περιβρέχει άμεσα τα όργανα Σε ένα κλειστό κυκλοφορικό σύστημα, το υγρό κυκλοφορεί σε ένα κλειστό δίκτυο αποτελούμενο από αντλίες και αγγεία

Ανταλλαγή αερίων Η ανταλλαγή αερίων παρέχει οξυγόνο για την κυτταρική αναπνοή και απορρίπτει διοξείδιο του άνθρακα Η ανταλλαγή αερίων πραγματοποιείται μεταξύ εξειδικευμένων αναπνευστικών επιφανειών, σαν αποτέλεσμα διαφοράς της σχετικής πίεσης Σε όλες τις θέσεις ανταλλαγής αερίων, τα αέρια διαχέονται από την περιοχή υψηλότερης μερικής πίεσης προς την περιοχή χαμηλότερης μερικής πίεσης

Το τραχειακό σύστημα των εντόμων Ο αέρας εισέρχεται στο σώμα από τα στίγματα. Συνήθως είναι δύο ζεύγη στον θώρακα και επτά ή οχτώ ζεύγη στην κοιλιά. Από τα στίγματα ο αέρας διανέμεται στο σώμα μέσα από τις τραχείες. Οι τραχείες είναι αεραγωγοί που διακλαδίζονται σε όλο το σώμα Οι πιο λεπτές διακλαδώσεις εκτείνονται κοντά στην επιφάνεια σχεδόν κάθε κυττάρου όπου γίνεται ανταλλαγή αερίων με διάχυση δια μέσου του υγρού επιθηλίου που επενδύει τα άκρα των τραχειακών διακλαδώσεων

spiracles Zoom Zoom The spiracles open into a system of tubes called tracheae

Παθητική διάχυση αερίων Το οξυγόνο του αέρα στα τραχειόλια διαλύεται στο υγρό επιθήλιο που επενδύει τα άκρα των τραχειακών διακλαδώσεων και διαχέεται στα κύτταρα Το O2 διαχέεται στην αιμολέμφο από μια ψηλή συγκέντρωση O2 σε μια χαμηλότερη συγκέντρωση O2 Το CO2 που παράγεται από την κυτταρική αναπνοή διαχέεται από τα κύτταρα στην αιμολέμφο στα τραχειόλια από μια υψηλή συγκέντρωση CO2 σε μια χαμηλότερη συγκέντρωση CO2 O2 CO2 CO2 O2 O2 CO2 O2 O2 τραχειόλιο O2 Κύτταρα καλυμμένα με αιμολέμφο

Γιατί τα έντομα δεν μπορούν να αποκτήσουν τεράστιο μέγεθος; Τα έντομα βασίζονται στην παθητική διάχυση αερίων στο τραχειακό σύστημα Η διάχυση αυτή είναι γρήγορη σε αποστάσεις < 1 cm Οι μεγαλύτεροι οργανισμοί χρησιμοποιούν την κυκλοφορία του αίματος για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα αυτό

Στα μικρά έντομα η διάχυση μέσω των τραχειών φέρνει αρκετό Ο2 και απομακρύνει αρκετό CO2 για τη στήριξη της κυτταρικής αναπνοής Τα μεγαλύτερα έντομα ικανοποιούν τις αυξημένες ενεργειακές τους ανάγκες προκαλώντας οξυγόνωση του τραχειακού τους συστήματος με ρυθμικές κινήσεις του σώματος, οι οποίες συμπιέζουν και διευρύνουν τους αεραγωγούς, σαν φυσητήρες

Ένα έντομο που πετά έχει πολύ υψηλό μεταβολικό ρυθμό, καταναλώνοντας 10-200 φορές περισσότερο Ο2 απ’ ό,τι όταν βρίσκεται σε ηρεμία Σε πολλά ιπτάμενα έντομα, η εναλλαγή μεταξύ σύσπασης και χαλάρωσης των μυών της πτήσης αντλεί γρήγορα αέρα δια μέσου του τραχειακού συστήματος Τα κύτταρα αυτών των μυών είναι γεμάτα μιτοχόνδρια, τα οποία υποστηρίζουν τον υψηλό μεταβολικό ρυθμό, και οι τραχειακοί σωλήνες παρέχουν σε καθένα από αυτά τα οργανίδια παραγωγής ΑΤΡ αρκετό Ο2