اگر تا به حال دیده باشید که حشره‌ای از مجرای آب یا روشویی بیرون می‌آید یا نزدیک جوی آب یا زیر باران راه می‌رود، یا اگر روی مورچه‌ای به اشتباه آب ریخته باشید، ممکن است به این فکر کنید که آیا حشرات می‌توانند از این مصبیت‌های آبی جان سالم به‌در ببرند؟

خوشبختانه، یا متأسفانه برای برخی دیگر، بسیاری از حشرات حتی پس از مدت‌ها غوطه‌ور شدن کامل در آب به‌راحتی زنده می‌مانند. در حالی که حشرات با هم متفاوت هستند و برخی از آن‌ها بهتر از دیگران در برابر غوطه‌ور‌شدن مقاومت می‌کنند، مشاهده شده که گونه‌هایی مانند زنبور عسل، نفس خود را تا یک هفته حبس می‌کنند.

مطالعه‌ای در آوریل ۲۰۲۴ که پس از غرق‌شدن تقریباً تصادفی یک جمعیت ملکه زنبور گرده آغاز شد، نشان داد که ۸۱ درصد از نمونه‌‌ی زنبور‌های گرده‌ی شرقی (Bombus impatiens) پس از هفت روز زیر آب بودن، جان سالم به‌در بردند.

در حالی که مطالعه از نظر اخلاقی مورد انتقاد قرار گرفت، آنچه در آزمایش بررسی شد، به‌طور طبیعی برای این حشرات اتفاق می‌افتد، به همین دلیل است که زنبورها به خوبی در برابر آن مقاومت کرده‌اند. گونه‌های زنبور‌های گرده معمولاً در زمین در سوراخ‌های خاکی لانه می‌سازند که به‌شدت در معرض سیل هستند.

مقاله‌ای در سال ۲۰۰۶ با مشاهده‌ی رفتارهای مهاجرتی حشرات در دشت‌های سیلابی رودخانه‌های اروپا نشان داد که ۷۰ درصد گونه‌های زنجرک در دشت سیلابی، زمستان‌گذرانی می‌کنند و در برابر غوطه‌ور‌شدن از خود مقاومت نشان می‌دهند. بااین‌حال، اکثر عنکبوت‌ها و سوسک‌های زمینی در منطقه، مانند اشکال لارو بسیاری از گونه‌ها، مهاجرت و دورشدن از دشت‌های سیلابی را انتخاب کردند که نشان‌دهنده‌ی توانایی‌های غوطه‌وری کمتر آن‌ها است. البته باید در نظر داشت که عنکبوت حشره نیست؛ اما مانند حشرات از شاخه‌ی بندپایان است.

پس چه چیزی باعث می‌شود حشرات در مقاومت در برابر غوطه‌ور‌شدن و ماندن در حفره‌های کم‌اکسیژن مهارت داشته باشند؟ جواب آن به نحوه‌ی تنفس حشرات بستگی دارد.

پستانداران، پرندگان و خزندگان همگی از طریق یک سیستم تنفسی و گردش خون ترکیبی تنفس می‌کنند؛ بدین طریق که اکسیژن به داخل ریه‌ها کشیده می‌شود و به داخل خون می‌رود و سپس قلب و جریان خون، اکسیژن را به بافت‌ها و ماهیچه‌ها در سراسر بدن می‌رسانند.

از طرف دیگر حشرات هیچ ریه‌ای ندارند و در واقع، سیستم تنفسی و گردش خون آن‌ها کاملاً از هم جدا است. حشرات دستگاه تنفسی نایدیسی دارند و به جای استنشاق اکسیژن از طریق دهان یا سوراخ‌های بینی، از طریق منافذی به نام اسپیراکل که در اسکلت بیرونی در ناحیه‌ی سینه و شکم وجود دارد تنفس می‌کنند. سپس شبکه‌ای از نای در سراسر بدن حشره، اکسیژن و دی‌اکسید‌کربن را حمل و تبادل می‌کند.

در حشرات اکسیژن در نای مستقیما به بافت‌ می‌رسد. اسپیراکل در برخی عنکبوت‌ها نیز وجود دارد، اما بیشتر عنکبوت‌ها‌ شش‌های کتاب‌مانند دارند. برخی عنکبوت‌ها نیز با تکامل همگرا سیستم نای و اسپیراکل شبیه حشرات دارند و شش کتاب‌مانند خود را حفظ‌ کرده‌اند، پس از هر دو سیستم تنفسی برخوردار هستند.

حشراتی که فعال‌ترند، مثلا آن‌هایی که پرواز می‌کنند، مانند انسان نیاز به تنفس اکسیژن بیشتری نسبت به گونه‌هایی دارند که زندگیشان شامل تحرک کمتری است. این نوع حشرات همچنین مانند انسان‌ها دی‌اکسید‌کربن را به‌عنوان محصول زائد آزاد می‌کنند.

تفاوت‌های تنفسی حشرات و انسان باعث می‌شود حشرات در استفاده از اکسیژنی که دریافت می‌کنند، بسیار کارآمد باشد. حشرات به نسبت بدنشان می‌توانند اکسیژن بسیار بیشتری نسبت به انسان تنفس کنند و همچنین می‌توانند با باز کردن و بستن اسپیراکل‌های خود تبادل گازی ناپیوسته انجام دهند.

تبادل گاز ناپیوسته چرخه‌ای از باز کردن، بسته شدن و فازهای تپشی (مرتب باز و بسته شدن) اسپیراکل‌ها است. در طی مراحل بسته و تپشی، حشره به‌طور موثر اکسیژن موجود در بدن خود را «بازیافت» می‌کند. این بدان معنی است که حشرات می‌توانند برای مدت طولانی بدون نیاز به دریافت اکسیژن تازه دوام بیاورند.

تبادل گازی ناپیوسته، مکانیسم کلیدی پشت توانایی برخی حشرات برای زنده‌ماندن در محیط‌های کم‌اکسیژن و سالم بیرون‌آمدن پس از کامل غوطه‌ور‌شدن در آب است.

با اینکه تبادل گازی ناپیوسته مزایای خود را دارد، همچنین تصور می‌شود یکی از دلایلی باشد که چرا اندازه‌ی حشرات توسط مقدار اکسیژن موجود در محیط محدود می‌شود. هرچه حشره بزرگتر باشد، نای داخلی طولانی‌تر است، بنابراین حشرات بزرگ‌تر به محیط غنی‌تر از اکسیژن نیاز دارند تا بتوانند مقدار کافی از اکسیژن را جذب کنند تا آن را حتی تا انتهای کور نای برسانند.