Miten linnut ja hyönteiset hengittävät

TEET sitä noin 23000 kertaa joka päivä, ja silti tuskin aina tiedät mitä teet. Niin mitä? Sinä hengität. Hengityselimesi on suunniteltu toimimaan niin tehokkaasti, että tuskin huomaat vetäväsi henkeä tälläkin hetkellä.

Tietenkin jos olisit vuoren huipulla, jossa ilma on hyvin ohutta, siellä ei olisi yhtä helppoa hengittää, vai kuinka? Tai jos uisit veden alla hieman pitempään, tajuaisit hyvin pian tarvitsevasi happea. Kuitenkin linnut voivat lentää korkealla ilman hengitysvaikeuksia. Ja on sellaisia hyönteisiä, jotka vaikka ovatkin riippuvaisia ilmakehän hapesta, voivat hengittää veden alla. Miten se on niille mahdollista? Lähemmässä tarkastelussa lintujen ja hyönteisten hengitystapa ilmentää todella tavatonta älyä ja suunnittelutaitoa.

Lintujen hengitys

Jokainen, joka on joskus matkustanut lentokoneessa, tietää, että lentämisen kaksi tärkeää edellytystä ovat kevyt rakenne ja polttoaineen runsaus. Linnun hengityselimistö täyttää molemmat tarpeet.

Paljon energiaa vaativa toiminta kuluttaa happea hyvin nopeasti. Ihminen korvaa happivajauksensa hengittämällä syvempään ja nopeammin. Esimerkiksi korkealla vuorella ihmisen on pakko hidastaa vauhtiaan ja levätä useammin, jotta hänen elimistönsä hapentarve ehtisi tulla tyydytetyksi. Kuvittelehan, millaista olisi, jos lintu kärsisi samasta ilmiöstä lentäessään. Kuitenkin linnun hengityselimistö säästää sen tällaiselta hämmennykseltä, ja jos se lentäisi sinua vastaan 6000 metrin korkeudessa, sen lento ei näyttäisi lainkaan väkinäiseltä. Sen silmät eivät pullistu päästä, sen naama ei kalpene eikä se edes puuskuta. Miten tämä voidaan selittää?

Sen hengityselimistö on suunniteltu siten, että se pystyy imeyttämään happea erittäin tehokkaasti. Ihmisen keuhkot ovat pusseja eli palkeita, jotka täyttyvät ja tyhjentyvät. Linnun keuhkot ovat erilaiset. Ne ovat aivan omaa luokkaansa. Ilma kulkeutuu keuhkoihin henkitorven kautta, kuten normaalisti. Mutta keuhkoista ilma jatkaakin matkaansa erilaisiin ohutseinäisiin ilmapusseihin, jotka sijaitsevat rintakehässä ja vatsaontelossa. (Katso kuvaa.) Vuonna 1758 John Hunter -niminen mies keksi jotakin todella hämmästyttävää. Hän huomasi että lintu, jolta oli henkitorvi tukossa ja siipiluu poikki, pystyi yhä hengittämään.

Lintujen luut eivät sisällä luuydintä; ne ovat onttoja, täynnä ilmaa. Luiden ontelot ovat yhteydessä ilmapusseihin, jotka vuorostaan ovat yhteydessä keuhkoihin. Kun siis linnun henkitorvi oli mennyt tukkoon, ilma kulki keuhkoihin ja niistä pois katkenneen onton siipiluun kautta. Miten kätevästi linnun paino- ja polttoaineongelmat onkaan ratkaistu yhdellä kertaa – polttoainesäiliöt sijaitsevat eri puolilla itse runkorakenteessa! Miten sitten on polttoainevarastojen laita?

Varsinainen polttoaineen varastointi on erittäin vähäistä. Lintu saa uutta polttoainetta eli happea lennon aikana – ilmassa! Ilman kuIkiessa kaikkien noiden pussien ja käytävien läpi se joutuu kosketuksiin laajan kudospinnan kanssa, jolloin happi pääsee imeytymään hyvin ennen uloshengitystä. Kuitenkin korkealla lentäminen vaatii paljon energiaa. Polttoaine tulisi käyttää mahdollisimman tehokkaasti. Niinpä linnun hengityselimistö toimiikin niin sanotulla vastavirtaperiaatteella, jonka avulla lintu saa ilmasta happea nopeasti ja tehokkaasti.

Linnun keuhkossa ilma ja veri lähestyvät toisiaan vastakkaisista suunnista. Ilman virratessa keuhkon läpi se luovuttaa yhä enemmän happea vereen ja veri voi jatkuvasti saada yhä enemmän happea. Toisin sanoen ”janoinen” laskimoveri pääsee ensiksi yhteyteen valmiiksi happiköyhän ilman kanssa, jossa on niin sanoaksemme enää vain muutama ”pisara” happea jäljellä. ”Janoinen” veri imee sen itseensä ja jatkaa matkaansa kohti ”märempää” ilmaa, hapekkaampaa ilmaa. Koska veren ”jano” on jo heikentynyt, se imee entistä vähemmän happea. Lopputulos tästä erikoisesta tapahtumasarjasta on se, että ilman happi tulee erittäin tehokkaasti käytetyksi. Ja sitähän lintu juuri tarvitsee voidakseen lentää korkealla.

Hyönteisten hengitys

Oletko koskaan miettinyt sitä mahdollisuutta, että muurahainen olisi norsun kokoinen? Kuvittele, miten vahva se olisi! Muurahainen voi kantaa kaksi kertaa oman painonsa. Ja niin pieniä kuin hyönteiset ovatkin (suurimman hyönteisen, atlaskehrääjän, siipien kärkiväli on vain 25–30 senttimetriä), niillä on mahtava ruokahalu. Hävittiväthän heinäsirkat Pohjois-Dakotassa Yhdysvalloissa yhtenä vuonna 7,7 miljoonaa markkaa vastaavan summan arvosta viljelyksiä ja laidunmaita! Millaista tuhoa heinäsirkat olisivatkaan aiheuttaneet, jos ne olisivat olleet hevosen kokoisia?

Mutta ei syytä huoleen. Hyönteisten hengityselimistö pitää ne omalla paikallaan – sopivan kokoisina. Scientific American -lehden mukaan hyönteisen hengityselimistö, jota lehti nimitti ”lähes uskomattoman taidokkaaksi insinööritaidon näytteeksi”, on sellainen että se luonnostaan rajoittaa hyönteisen kokoa. Sitä paitsi samoin kuin linnun hengityselimistö on sopiva lentämiseen samoin hyönteisen hengityselimistö on sopiva sen elämäntapaan.

Hyönteiset ovat energiatehtaita. Ne pystyvät kokoonsa nähden uskomattomiin suorituksiin. Siksi niiden hapentarve on erittäin suuri. Kuitenkaan hyönteisillä ei ole keuhkoja. Tuskinpa silti tulet koskaan näkemään hyönteistä, joka olisi hengästynyt. Se johtuu siitä, että niiden hengityselimistö on suunniteltu tyydyttämään rajoittamatonta hapen tarvetta.

Alkiovaiheessa hyönteisen ruumiinpeite työntyy monissa kohdin sisäänpäin niin että syntyy onttoja putkia, joista ilma pääsee sisään. Tunkeutuessaan syvemmälle hyönteisen elimistöön nämä putket haarautuvat yhä hienommaksi ilmaputkiverkostoksi. Lopulta yksi tai useampi tällainen putki on yhteydessä jokaiseen soluun. Jokaisella solulla on siis suora yhteys ulkoilmaan eli tällöin solu saa heti tarvitsemansa hapen sen tarvitsematta kulkea verenkiertojärjestelmän kautta. Ja juuri tätähän hyönteinen tarvitsee suoriutuakseen paljon energiaa vaativasta toimistaan.

Mutta ilmaputkihengityksen ongelmana on kaasujenvaihto – sen lisäksi että happea menee sisään hiilidioksidin pitäisi päästä ulos. Hyönteisen putket voivat tuoda happea sisään, mutta mitä tapahtuu hiilidioksidille? Toisin kuin happi hiilidioksidi leviää helposti diffuusion avulla kudoksen läpi. Se ei siis yritäkään putkien kautta ulos vaan poistuu hyönteisestä sen ruumiinpeitteen läpi.

Vaikka hyönteistoukat ovatkin hapensaannissaan riippuvaisia ulkoilmasta, jotkin niistä elävät veden alla. Miten ne hengittävät siellä? Jotkin niistä nostavat pintaan ”snorkkelin” – putken, jonka päässä joillakin lajeilla on vielä läppä, joka pinnan kareitten yltyessä aallokoksi estää veden pääsyn putkeen. Toiset hyönteistoukat elävät ”sukelluskellossa” eli ilmakuplassa. Kun ne kuluttavat kuplassa olevaa happea, sen vajaus täytyy tietenkin saada jotenkin korjatuksi. Tutkijat olivat pitkään ymmällään sen johdosta, että hyönteinen saattoi pysytellä veden alla kauan senkin jälkeen, kun kuplan happivaraston olisi pitänyt kulua loppuun. Miten se oli mahdollista?

Vastauksen tarjoaa diffuusioilmiö. Hapen paineen laskiessa kuplassa alle ympäröivän veden sisältämän hapen paineen vedestä siirtyy happea kuplaan. (Muista, että vesi muodostuu kahdesta vety- ja yhdestä happiatomista.) ’Mutta miksei kupla hajoa?’ voit ihmetellä. Kuplan ilma sisältää typpeä, joka ei sekoitu veteen vaan pysyy mieluummin kuplassa. Vaikka hyönteistoukka ei siis tarvitsekaan ehkä typpeä aineenvaihduntansa vuoksi, sen ”elämää ylläpitävä järjestelmä” varmasti tarvitsee sitä!

Tutustuttuasi näin lintujen ja hyönteisten hengitystapaan olet varmasti yhtä mieltä siitä, että näiden luomusten hengityselimistöt ovat todella ainutlaatuisen älyn ja suunnittelun tuotetta. Mutta onko sinusta helppoa uskoa siihen, että sokea sattuma tai linnut ja hyönteiset itse olisivat kehittäneet nämä hengitysjärjestelmät, jotka ovat täysin riippuvaisia luonnonlaeista? Vai tuletko samaan johtopäätökseen kuin kuuluisa keksijä Thomas Edison, joka sanoi: ”Tarkattuani vuosikausia luonnon tapahtumia en voi epäillä Korkeimman Älyn olemassaoloa”’?

[Kuva s. 18]

Linnun hengityselimistö

Henkitorvi

2 keuhkoa

Pussit

[Kuva s. 19]

Hyönteisen hengityselimistön rakenne

Keuhkoja ei ole

Putki

Solut