Sistem pernafasan serangga dan Sistem peredaran darah serangga

SISTEM PERNAFASAN SERANGGA

Semua serangga adalah organisme aerobik - mereka harus mendapatkan oksigen (O2) dari lingkungan mereka untuk bertahan hidup. Sistem pernapasan bertanggung jawab untuk memberikan oksigen yang cukup ke semua sel tubuh dan untuk menghilangkan karbon dioksida (CO2) yang dihasilkan sebagai produk limbah respirasi sel. Sistem pernapasan serangga (dan banyak arthropoda lainnya) terpisah dari sistem sirkulasi yang mana berupa jaringan tabung yang kompleks (disebut sistem trakea) yang memberikan udara yang mengandung oksigen ke setiap sel tubuh.

Udara masuk ke tubuh serangga melalui bukaan seperti katup di exoskeleton. Lubang-lubang ini (disebut spirakel) terletak lateral sepanjang toraks dan perut sebagian besar serangga - biasanya sepasang spirakel per segmen tubuh. Aliran udara diatur oleh otot-otot kecil yang mengoperasikan satu atau dua katup. Setelah melewati sebuah spirakel, udara memasuki batang trakea longitudinal, yang akhirnya menyebar ke seluruh jaringan tabung trakea kompleks dan bercabang yang membagi menjadi diameter yang lebih kecil dan lebih kecil dan mencapai setiap bagian tubuh. Pada akhir setiap cabang trakea, sel khusus (tracheole) menyediakan ruang yang tipis dan lembab untuk pertukaran gas antara udara atmosfer dan sel hidup. Oksigen dalam tabung trakea pertama larut dalam cairan tracheole dan kemudian berdifusi ke sitoplasma sel yang berdekatan. Pada saat yang sama, karbon dioksida, diproduksi sebagai produk limbah respirasi seluler, berdifusi keluar dari sel dan, akhirnya, keluar dari tubuh melalui sistem trakea.

Trakhea memiliki beberapa modifikasi terkait dengan kesesuaian dengan lingkungannya. Misalnya agar trakea tetap kokoh saat tekanan udara berubah – ubah normal, treakea dihubungkan oleh struktur seperti kabel tipis yang disebut taenidi dan struktur inilah yang membuat trakea bersifat fleksibel dan dapat meregang saat proses pernafasan. Beberapa serangga yang tidak memiliki taenidia, memiliki kantung udara yang berbentuk seperti balon dan berfungsi menyimpan cadangan udara seperti pada serangga yang hidup dalam air. Dalam lingkungan terestrial kering, pasokan udara sementara ini memungkinkan serangga untuk menghemat air dengan menutup spirakelnya selama periode tekanan menguap tinggi.

Serangga kecil  hampir sepenuhnya bergantung pada difusi pasif dan aktivitas fisik untuk pergerakan gas dalam sistem trakea. Namun, serangga yang lebih besar memerlukan ventilasi aktif dari sistem trakea (terutama ketika aktif atau di bawah tekanan panas). Caranya adalah dengan membuka beberapa spirakle dan menutup yang lain saat menggunakan otot perut untuk berekspansi secara bergantian dan mengontraksi volume tubuh. Tingkat difusi gas dianggap sebagai salah satu faktor pembatas utama (bersama dengan berat dari exoskeleton) yang mencegah serangga nyata tumbuh membesar.

Pada serangga air terdapat beberapa adaptasi alat pernafasan untuk mendapatkan oksigen dan mempertahankan gaya hidup didalam air.

1.      Respirasi Kutikular

Banyak spesies akuatik memiliki integumen yang relatif tipis yang dapat menyerap oksigen (dan karbon dioksida). Difusi gas melalui dinding tubuh ini (pernafasan Kutikular) memungkinkan untuk memenuhi kebutuhan metabolik serangga kecil yang tidak aktif - terutama mereka yang hidup di sungai yang dingin, bergerak cepat di mana ada banyak oksigen terlarut.

2.      Insang biologis

Insang biologis adalah organ yang memungkinkan oksigen terlarut dari air masuk (melalui difusi) ke dalam tubuh organisme. Pada serangga, insang biasanya berasal dari sistem trakea. Mereka ditutupi oleh lapisan tipis kutikula yang dapat menembus oksigen dan karbon dioksida. Pada lalat capung dan damselflies, insang berbentuk seperti daun dan terletak di sisi atau belakang perut.

3.      Tabung pernafasan

Banyak serangga air hidup mendapatkan udara langsung dari permukaan melalui tabung pernapasan berongga (kadang-kadang disebut sifon) yang bekerja dengan prinsip yang sama dengan penyelam. Dalam jentik nyamuk, misalnya, tabung siphon merupakan perpanjangan dari spiralis posterior. Pembukaan di ujung siphon dijaga oleh cincin rambut yang berjarak dekat dengan lapisan kedap air. Pada antarmuka udara-air, rambut ini mematahkan tegangan permukaan air dan menjaga saluran udara terbuka. Ketika serangga menyelam, tekanan air mendorong rambut saling berdekatan sehingga mereka menutup pembukaan dan menjaga air keluar.

4.      Gelembung udara

Beberapa serangga air (kumbang menyelam, misalnya) membawa gelembung udara saat menyelam di bawah permukaan air. Gelembung ini dapat ditahan di bawah elytra (penutup sayap) atau mungkin terperangkap di tubuh oleh rambut khusus. Gelembung biasanya mencakup satu atau lebih spirakle sehingga serangga dapat "menghirup" udara dari gelembung saat terendam.

5.      Plastron

Plastron adalah susunan khusus bulu-bulu hidrofobik yang kaku dan dekat (setae) yang menciptakan "ruang udara" di samping tubuh. Udara yang terperangkap di dalam plastron beroperasi sebagai insang fisik (seperti udara dalam gelembung) tetapi ruang udara ini tidak dapat menyusut dalam volume karena benteng setae mencegah perambahan air di sekitarnya. Serangga yang tetap terendam secara permanen (misalnya kumbang riffle, famili Elmidae) atau kurangnya kemampuan untuk mencapai permukaan (contohnya telur nyamuk banjir) cenderung memiliki plastron. Struktur ini sering terlihat di bawah air sebagai film tipis dan keperakan udara yang menutupi sebagian permukaan tubuh.

6.      Hemoglobin

Hemoglobin adalah pigmen pernapasan yang memfasilitasi pengambilan molekul oksigen. Hemoglobin adalah komponen penting dari semua sel darah merah manusia, tetapi jarang terjadi pada serangga, hanya pada larva pengusir hama tertentu (famili Chironomidae) yang dikenal sebagai bloodworms. "Cacing merah" yang khas ini biasanya hidup di kedalaman kolam atau aliran yang berlumpur di mana oksigen terlarut mungkin kekurangan pasokan. Dalam kondisi normal (aerobik), molekul hemoglobin dalam ikatan darah dan menahan pasokan oksigen cadangan. Setiap kali kondisi menjadi anaerobik, oksigen secara perlahan dilepaskan oleh hemoglobin untuk digunakan oleh sel dan jaringan tubuh (Meyer, 2016.)

Mekanisme pernapasan pada serangga adalah penting untuk pemahaman tentang fisiologi, perilaku, dan evolusi serangga. Sebagian besar serangga bernafas melalui sistem tabung yang disebut tracheae yang terhubung ke udara spirakle yang dapat secara aktif dibuka atau ditutup.Tabung trakea membentuk jaringan kompleks berisi gas yang membelah di seluruh segmen tubuh, kaki, dan sayap. Yang terkecil tabung, yang disebut tracheoles, mungkin berdiameter 1 m, dan berfungsi untuk bertukar gas dengan jaringan tubuh. Mekanisme untuk respirasi serangga termasuk difusi gas pasif, perubahan tekanan internal karena hemolymph dipompa oleh jantung atau oleh kontraksi otot di perut, dan autoventilasi, selama gerakan tubuh mana yang mengubah volume  tabung trakea atau kantung udara yang terkait dengan tracheae. Meskipun ada wawasan baru-baru ini mekanisme aktif untuk mengubah volume sistem trakea mekanisme internal Respirasi serangga sebagian besar tidak diketahui (Westneat et., al, 2003)

               Pertukaran gas dalam sistem trakea dipengaruhi terutama oleh difusi. Hal ini dimodifikasi dengan membuka dan menutup spirakel ("kontrol difusi") dan dengan ventilasi mekanis cabang-cabang trakea yang lebih besar ("kontrol ventilasi"). Gerakan pernafasan dikendalikan oleh pusat syaraf, yang beragam terletak pada serangga yang berbeda dan pusat-pusat ini dapat dirangsang oleh kebutuhan oksigen atau kelebihan karbon dioksida (Wigglesworth, 1931.)

               Pada larva lalat Ketegangan O₂ di dalam larva telah diukur dan sekitar 15% di dalam larva normal dan 2,4% di dalam larva bervalensi ganda. Oleh karena itu jumlah oksigen yang jauh lebih besar berdifusi melalui kulit dalam ligatur ganda daripada pada larva normal, dan telah ditemukan dengan perhitungan untuk larva normal menjadi sepersepuluh dari nilai basal.

 Ketika serangga terendam dalam air, spirakel mereka tidak dapat berfungsi dan semua respirasi terjadi melalui difusi melalui kulit (Fraenkel and Herford, 1938)

Referensi :

Fraenkel, G., G. V. B. Herford. 1938. The Respiration of Insects Through the Skin. Journal of Experimental Biology 15: 266-280

Meyer, J.R. 2016. https://projects.ncsu.edu/cals/course/ent425/library/tutorials/internal_anatomy/aquatic_insects.html (diakses 5 November 2018)

Westneat, M. W., O. Betz, R. W. Blob, K. Fezzaa,W. J. Cooper, W. Lee. 2003. Tracheal Respiration in Insects Visualized with Synchrotron X-ray Imaging. Science 299, 558

Wigglesworth, V. B., 1931. The respiration of insect. Biological Review 6(2) https://onlinelibrary.wiley.com/journal/1469185x

PEREDARAN DARAH PADA SERANGGA

Jantung serangga memiliki struktur tubular berdinding tipis, terdiri atas otot lurik, memanjang dari thorax sepanjang garis pertengahan perut dan berakhir dalam ekspansi seperti bohlam di bagian anterior perut kesembilan segmen. Jantung tanpa bilik, katup, atau secara histologis terdiferensiasi menjadi jaringan tisu. Delapan pasang ostia terbuka sepanjang struktur tubular berfungsi sebagai saluran di mana darah mengalir masuk dan keluar dari hati. Secara umum darah tidak memainkan peran utama dalam respirasi. Jantung berdenyut-denyut untuk  mendistribusikan darah  melalui sistem sirkulasi terbuka.   

 Sebagian besar serangga memiliki pompa utama, pembuluh dorsal, dan beberapa pompa aksesori, dengan bagian sirkulasi ECF dikenal sebagai darah atau hemolympha. Sistem peredaran serangga terbuka, artinya hemolympha mengalir bebas di sekitar organ-organ serangga, berbeda dengan sistem sirkulasi tertutup vertebrata di mana darah disimpan di dalam pembuluh. Hemolympha memiliki empat fungsi utama diantaranya sebagai kendaraan untuk transportasi hormon dan nutrisi antara jaringan, dan tempat penyimpanan beberapa nutrisi dan air juga merupakan komponen yang sangat penting dari serangga sistem kekebalan.

Sistol, fase kontraksi detak jantung merupakan hasil dari kontraksi otot-otot intrinsik dari dinding jantung. Di sebagian besar serangga, aktivitas ini dimulai posterior dan menyebar ke depan sebagai gelombang. Namun dalam Periplaneta dan Orthoptera, keseluruhannya panjang kontrak jantung, biasanya serentak meskipun kontraksi peristaltik kadang-kadang terjadi. Diastole, fase ekspansi saat hemolympha memasuki hati merupakan hasil dari relaksasi dari otot-otot jantung yang dibantu oleh filamen elastis yang mendukung hati. Secara umum, otot-otot alar tidak bertanggung jawab atas diastole dan sering kontrak pada frekuensi yang lebih rendah daripada jantung. Setelah diastole ada fase ketiga dalam siklus jantung dikenal sebagai diastasis, di mana jantung tetap dalam keadaan diperluas. Secara umum, frekuensi detak jantung menurun seiring dengan bertambahnya usia dan ukuran serangga larva, dan juga bervariasi dengan usia di dalam stadium larva.

Detak jantung meningkat dengan suhu di dalam batas termal untuk serangga. BeberApa serangga  tingkat detak jantung juga lebih tinggi dalam cahaya daripada di kegelapan. Merupakan umum bagi jantung serangga untuk berhenti berdetak, kadang-kadang selama beberapa detik, tetapi kadang-kadang untuk 30 beberapa detik atau lebih. Ini juga umum untuk detak jantung untuk menjalani pembalikan periodik, dengan gelombang kontraksi mulai di ujung anterior. Ketika ini terjadi, hemolympha dipaksa keluar dari ostia.

Hemolympha adalah cairan dalam sistem sirkulasi beberapa arthropoda. Hemolympha mengisi semua bagian dalam (hemocoel) tubuh hewan dan mengelilingi semua sel. Ini mengandung hemosianin, protein berbasis tembaga yang berubah warna biru ketika oksigen, bukan hemoglobin berbasis besi dalam sel-sel darah merah yang ditemukan pada vertebrata, sehingga hemolympha memberikan warna biru-hijau daripada warna merah darah vertebrata. Hemolimfa telah terbukti mengandung jumlah Na + yang dapat diabaikan, dan jumlah K +, Mg ++ dan Ca ++ cukup besar sehingga dapat dipertimbangkan beracun dan bahkan mematikan jaringan vertebrata.

               Hemolympha masuk melalui tiga pasang katup khusus, yang disebut ostia, yang terbuka selama diastole dan dipaksa menutup selama sistol. Ketika jantung berkontraksi, hemolymph melewati anterior melalui daerah pembuluh dorsal yang disebut aorta, dan menyebar ke rongga tubuh di dekat otak. Hemolympha kemudian merembes kembali ke seluruh tubuh, untuk masuk kembali ke pembuluh dorsal melalui ostia.

Hemolympha Pupa memiliki volume relatif lebih besar dari dewasa, dan hemocoel mereka tidak terpotong. Jadi, interiornya pupa itu sangat cair. Beberapa karakteristik detak jantung serangga dewasa telah berkembang di tahap kepompong dan terus berlanjut ke tahap dewasa. Kebanyakan pupa serangga tidak bergerak dan berotot sistem mengalami modifikasi ekstensif. Di pada saat yang sama, perut pupa mempertahankan kemampuannya untuk bergerak.  Sebagian besar neuron dalam saraf berkembang selama periode larva. Dalam spesies yang mana larva memiliki kemiripan dengan serangga dewasa (misalnya Coleoptera), rekonstruksi relatif kecil terjadi. Sejalan dengan itu, pupa sudah memiliki semua dasar struktur yang bertanggung jawab untuk sirkulasi, pertukaran gas dan gerakan perut.

REFERENSI

Ankita P. Shah, Upendra Nongthomba, Kathleen K. Kelly Tanaka, Michele L.B. Denton, Stryder M. Meadows, Naomi Bancroft, Marco R. Molina, Richard M. Cripps, 2011. Cardiac remodeling in Drosophila arises from changes in actin gene expression and from a contribution of lymph gland-like cells to the heart musculature, Mechanisms of Development, Volume 128, Issues 3–4

Chapman, R. F. 2013. The Insects  Structure and Function Fifth Edision. Cambridge University Press, New York

Fredrick, W S., S Ravichandran. 2012. Hemolymph proteins in marine crustaceans.  Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine. 2(6): 496-502