Екзоскелет: строеж, функции и значение при насекоми и ракообразни

Открийте строежа, функциите и еволюционното значение на екзоскелета при насекоми и ракообразни — защита, сетивност, подкрепа и адаптация през милиони години.

Екзоскелетът поддържа и защитава тялото на животното отвън, а не като вътрешния ендоскелет - например на човека - отвътре.

Много безгръбначни животни (като мекотелите с черупки) имат екзоскелет в смисъл на външни твърди части. Но ако се говори за екзоскелет, се има предвид най-вече този на членестоногите (т.е. насекоми, паяци, мириаподи и ракообразни).

Екзоскелетите съдържат твърди и устойчиви компоненти, които изпълняват набор от функционални роли, включително защита, отделяне, усещане, подкрепа, хранене и (за сухоземните организми) действие като бариера срещу изсушаване. Екзоскелетите се появяват за пръв път във фосилните записи преди около 550 милиона години и тяхната еволюция се смята за решаваща като движеща роля в камбрийския взрив на животни, който се случва след този период.

Строеж на екзоскелета

При членестоногите екзоскелетът е изградeн от многослойна кутикула, която се секретира от епидермиса. Основните слоеве са:

• Епикутикула – външният, тънък водоотблъскващ слой, често с восъчен компонент (при сухоземни форми) и без значително количество хитин.
• Прокутикула – по-дебелата вътрешна част, съдържаща хитин, протеини и при някои групи минерали (напр. калциев карбонат при ракообразните). Прокутикула се диференцира на екзокутикула (втвърдена, склеротизирана част) и ендокутикула (по-мека, слоеста част).

Хитинът е полимер на N‑ацетилглюкозамин и образува матрица, в която са вградени белтъци. Склеротизацията (втвърдяване чрез крослинкиране на белтъците) придава твърдост и тъмно оцветяване на определени участъци. При водни ракообразни в екзоскелета често се отлага и калций, което го прави по-твърд и устойчив.

Архитектура и движения

Екзоскелетът е сегментиран: тяло и крайници са съставени от скови (склерити), свързани чрез по-гъвкави мембрани. Мускулите са прикрепени отвътре към склеритите, което позволява ефективно пренасяне на силата при движение. На повърхността има специализирани структури:

• сензорни власинки (сета) и рецептори за допир, химически и механични сигнали;
• отвори за дишане (спиракули) при насекомите или хрилни структури при водните видове;
• рязци, челюсти и други модифицирани части, формирани чрез изменение на екзоскелета.

Растеж и линеене (мушене)

Тъй като екзоскелетът е твърд, растежът при членестоногите изисква периодично освобождаване от стария покрив — процес, наречен линеене (ecdysis). Основните етапи са:

• Аполиза — отделяне на стария епител от кутикулата и започване на синтез на нова подлежащa кутикула;
• раздуване на тялото (често с вода или въздух) и разкъсване/препукване на стария екзоскелет, след което животното се измъква;
• втвърдяване и склеротизация на новия екзоскелет — това може да отнеме часове до дни, по време на които организмът е уязвим.

Хормоните регулират този цикъл: ецдизон (ecdysone) предизвиква линеенето, а ювенилният хормон влияе върху вида развитие (напр. между линеене с/без метаморфоза при насекомите).

Функции

• Защита — механична бариера срещу хищници, абразия и микроорганизми.
• Подкрепа и опора — дава форма на тялото и служи за прикрепване на мускулите.
• Бариера срещу изсушаване — особено важна за сухоземните насекоми чрез восъчния слой на епикутикула.
• Сензорна роля — много рецептори са вградени в екзоскелета и предават информация за околната среда.
• Специализирани функции — защита на яйца, участие в храносмилане и размножаване (напр. пинсети, челюсти, клешни).

Вариации между групите

Екзоскелетът варира значително:

• При насекомите е лек и слабо минерализиран, с восъчен слой за предотвратяване на изпарението.
• При ракообразните е по-силно минерализиран (калциев карбонат), което им позволява по-големи размери във водна среда.
• При паякообразни и мириаподи екзоскелетът има специфични адаптации за хищничество, преплъзване или защита.
• При мекотелите „черупка“ е външна скелетоподобна структура, но е различна по химичен състав и развитие от кутикулата на членестоногите.

Еволюционно и екологично значение

Появата на екзоскелета (ок. 550 млн. г.) е свързана с големи еволюционни промени — нови възможности за защита, движение и специализация. Тези нови черти допринасят за бързата диверсификация на животните по време на камбрийския взрив. Екзоскелетът е и ключов фактор в „военната“ надпревара между хищници и плячка, стимулирайки еволюцията на оръжия и защитни приспособления.

Ограничения и човешки приложения

Екзоскелетът има и недостатъци: изисква енергия за линеене и прави животните уязвими по време на смяната; също така трудности при голямо телесно тегло на сушата — затова най-големите сухоземни членестоноги са ограничени по размери в сравнение с водните ракообразни.

Човечеството черпи вдъхновение от екзоскелетите при разработването на материали и технологии: биомиметика използва хитин и склеротизирани структури за леки, здрави композитни материали; в роботиката и медицината терминът „екзоскелет“ се използва и за външни структури и устройства, които подпомагат движението на хора.

Като заключение, екзоскелетът е многофункционална външна структура, която е определящ фактор за биологията, поведението и екологията на огромна част от животинското царство — особено на членестоногите.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява екзоскелетът?

В: Кои животни имат екзоскелет?

Въпрос: Какви функционални роли имат екзоскелетите?

Въпрос: Кога екзоскелетите се появяват за първи път във фосилните записи?

В: Каква роля е изиграла еволюцията на екзоскелетите?

В: Какво представлява екзоскелетният костюм?

В: По какво се различават екзоскелетите от ендоскелетите?

Търсене по буква