Муравьи могут часами двигаться, переносить пищу и строить сложные подземные ходы, хотя у них нет лёгких. Кислород они получают через систему тончайших трубочек, пронизывающих тело. Этот способ дыхания устроен совсем иначе, чем у человека.
На боковых поверхностях груди и брюшка насекомых расположены небольшие отверстия — дыхальца, или стигмы. Они соединяются с разветвлённой сетью трахей. Через неё воздух поступает к внутренним органам и мышцам.
Трахеи постепенно делятся на всё более тонкие ответвления — трахеолы. Их окончания подходят очень близко к клеткам, поэтому кислороду не нужно сначала попадать в кровь, а затем путешествовать с ней по организму. Газообмен происходит непосредственно между воздухом в трубочках и тканями.
У человека кислород из лёгких переносится кровью с помощью гемоглобина. У муравья основную доставку кислорода обеспечивает именно трахейная сеть. Жидкость, циркулирующая в его теле, называется гемолимфой и выполняет другие важные задачи.
Дыхальца не обязательно остаются постоянно открытыми. У многих насекомых специальные механизмы позволяют регулировать их состояние. Это помогает ограничивать потерю влаги, особенно в сухом воздухе.
Воздух движется по трахеям благодаря диффузии: молекулы газа переходят из областей с большей концентрацией в области с меньшей. У некоторых насекомых газообмен дополнительно усиливается движениями тела и изменением объёма воздушных полостей. Конкретный механизм зависит от вида, размера и активности животного.
Когда муравей активно бежит или несёт тяжёлую добычу, его мышцам требуется больше энергии. Для её получения клеткам нужен кислород. Трахейная система обеспечивает обмен газов, а интенсивность дыхания может меняться вместе с нагрузкой.
Трубочки занимают место внутри тела, поэтому такой способ снабжения тканей кислородом имеет ограничения. У очень крупных животных доставлять газ напрямую к удалённым клеткам значительно труднее. Это одна из причин, по которым строение дыхательной системы связано с размерами насекомого.
Сеть трахей одновременно объясняет, почему нельзя представлять муравья как уменьшенную копию млекопитающего. У него нет грудной клетки с парой лёгких, а движение гемолимфы не заменяет работу эритроцитов. Дыхательная и кровеносная системы у насекомых устроены по собственному плану.
Под землёй муравьи сталкиваются с другим вызовом: воздух в тесных ходах может обновляться медленнее, чем на поверхности. Однако потребность в кислороде определяется не только средой, но и температурой, активностью и особенностями вида. Поэтому разные колонии и отдельные особи могут переносить недостаток кислорода неодинаково.
Попав в воду, наземный муравей не приобретает способность дышать жабрами. Если доступ воздуха прекращается, газообмен нарушается. Некоторые виды способны временно переживать затопление благодаря поведению и особенностям физиологии, но это не делает их водными животными.
У отдельных муравьёв во время наводнений наблюдали образование живых плотов из сцепившихся особей. Такой плот помогает части колонии оставаться у поверхности воды. Однако это особый способ выживания, а не универсальное свойство всех муравьёв.
Похожие трахейные системы встречаются и у других насекомых: жуков, бабочек, тараканов и кузнечиков. При этом число и расположение работающих дыхалец могут различаться. Особенно разнообразны приспособления у личинок, живущих в воде или почве.
Учёные изучают дыхание насекомых с помощью микроскопии, измерений газообмена и методов визуализации внутренних трубочек. Такие исследования позволяют понять, как маленькие животные регулируют поступление кислорода и сохраняют воду. Они также показывают, почему единая схема дыхания имеет множество вариантов.
Таким образом, муравью не нужны лёгкие для получения кислорода. Воздух входит через дыхальца и распространяется по трахеям непосредственно к тканям. Эффективность этой системы обеспечивается малым размером тела и приспособлениями, которые регулируют газообмен.