El aparato respiratorio de un insecto es el sistema con el que introduce gases respiratorios a su interior y realiza el intercambio gaseoso .
El aire ingresa al sistema respiratorio de los insectos a través de una serie de aberturas externas llamadas espiráculos . Estas aberturas externas, que actúan como válvulas musculares en algunos insectos, conducen al sistema respiratorio interno, un conjunto de tubos densamente interconectados llamados tráqueas . Esta red de tráqueas transversales y longitudinales iguala la presión en todo el sistema.
Es responsable de suministrar suficiente oxígeno (O 2 ) a todas las células del cuerpo y de eliminar el dióxido de carbono (CO 2 ) que se produce como producto de desecho de la respiración celular . El sistema respiratorio de los insectos (y de muchos otros artrópodos) está separado del sistema circulatorio .
Los insectos tienen espiráculos en sus exoesqueletos para permitir que el aire entre a la tráquea . [1] [ página necesaria ] En los insectos, los tubos traqueales suministran principalmente oxígeno directamente a los tejidos de los insectos . Los espiráculos se pueden abrir y cerrar de manera eficiente para reducir la pérdida de agua. Esto se hace contrayendo los músculos más cercanos que rodean el espiráculo. Para abrirse, el músculo se relaja. El músculo más cercano está controlado por el sistema nervioso central pero también puede reaccionar a estímulos químicos localizados. Varios insectos acuáticos tienen métodos de cierre similares o alternativos para evitar que el agua entre en la tráquea. A veces, los espiráculos también pueden estar rodeados de pelos para minimizar el movimiento de aire en masa alrededor de la abertura y así minimizar la pérdida de agua.
Los espiráculos están ubicados lateralmente a lo largo del tórax y el abdomen de la mayoría de los insectos; generalmente un par de espiráculos por segmento del cuerpo. El flujo de aire está regulado por pequeños músculos que accionan una o dos válvulas en forma de aleta dentro de cada espiráculo: se contraen para cerrar el espiráculo o se relajan para abrirlo.
Después de pasar a través de un espiráculo, el aire ingresa a un tronco traqueal longitudinal y eventualmente se difunde a través de una red compleja y ramificada de tubos traqueales que se subdivide en diámetros cada vez más pequeños y llega a todas las partes del cuerpo. Al final de cada rama traqueal, una célula especial proporciona una interfaz delgada y húmeda para el intercambio de gases entre el aire atmosférico y una célula viva. El oxígeno en el tubo traqueal primero se disuelve en el líquido de la traqueola y luego se difunde a través de la membrana celular hacia el citoplasma de una célula adyacente. Al mismo tiempo, el dióxido de carbono, producido como producto de desecho de la respiración celular, se difunde fuera de la célula y, finalmente, fuera del cuerpo a través del sistema traqueal.
Cada tubo traqueal se desarrolla como una invaginación del ectodermo durante el desarrollo embrionario. Para evitar su colapso bajo presión, un delgado "alambre" de refuerzo de cutícula ( los tenidios ) se enrolla en espiral a través de la pared membranosa. Este diseño (similar en estructura a la manguera de un calentador en un automóvil o al conducto de escape de una secadora de ropa) brinda a los tubos traqueales la capacidad de flexionarse y estirarse sin desarrollar torceduras que puedan restringir el flujo de aire.
La ausencia de tenidios en determinadas partes del sistema traqueal permite la formación de sacos de aire plegables, estructuras parecidas a globos que pueden almacenar una reserva de aire. En ambientes terrestres secos, este suministro temporal de aire permite que un insecto conserve agua cerrando sus espiráculos durante períodos de alto estrés por evaporación. Los insectos acuáticos consumen el aire almacenado mientras están bajo el agua o lo utilizan para regular la flotabilidad. Durante una muda, los sacos de aire se llenan y agrandan a medida que el insecto se libera del antiguo exoesqueleto y expande uno nuevo. Entre mudas, los sacos de aire proporcionan espacio para un nuevo crecimiento, reduciendo su volumen a medida que se comprimen por la expansión de los órganos internos.
Los insectos pequeños dependen casi exclusivamente de la difusión pasiva y la actividad física para el movimiento de gases dentro del sistema traqueal. Sin embargo, los insectos más grandes pueden requerir ventilación activa del sistema traqueal (especialmente cuando están activos o bajo estrés por calor). Lo logran abriendo algunos espiráculos y cerrando otros mientras usan los músculos abdominales para expandir y contraer alternativamente el volumen corporal. Aunque estos movimientos pulsantes expulsan aire de un extremo del cuerpo al otro a través de los troncos traqueales longitudinales, la difusión sigue siendo importante para distribuir oxígeno a las células individuales a través de la red de tubos traqueales más pequeños. De hecho, la velocidad de difusión del gas se considera uno de los principales factores limitantes (junto con el peso del exoesqueleto) que limita el tamaño de los insectos. [2] Sin embargo, los períodos de la historia antigua de la Tierra, como el Carbonífero , presentaron niveles de oxígeno mucho más altos (hasta un 35%) que permitieron que insectos más grandes, como la meganeura , junto con los arácnidos , evolucionaran.
Alguna vez se creyó que los insectos intercambiaban gases con el medio ambiente continuamente mediante la simple difusión de gases en el sistema traqueal. Más recientemente, se ha documentado una gran variación en los patrones ventilatorios de los insectos, lo que sugiere que la respiración de los insectos es muy variable. Algunos insectos pequeños demuestran una respiración continua y pueden carecer de control muscular de los espiráculos. Otros, sin embargo, utilizan la contracción muscular del abdomen junto con la contracción y relajación coordinadas del espiráculo para generar patrones cíclicos de intercambio de gases y reducir la pérdida de agua a la atmósfera. La forma más extrema de estos patrones se denomina ciclos discontinuos de intercambio de gases (DGC). [3] Modelos recientes han descrito el mecanismo del transporte aéreo en el intercambio cíclico de gases de forma computacional y analítica. [4]