1
Entomologický ústav Akademie věd České republiky
a
Biologická fakulta, Jihočeská Univerzita v Českých Budějovicích
FYZIOLOGIE HMYZU
UČEBNÍ TEXTY
Dalibor Kodrík
České Budějovice prosinec 2004
2
Předmluva
Tyto učební texty mají sloužit jako pomůcka pro vysokoškolské studenty zaměřené na
studium fyziologie živočichů či studium obecné entomologie. Cílem textů je podat základní
informace z oboru hmyzí fyziologie a upozornit na některé zvláštnosti funkční anatomie, se
kterými se u hmyzu setkáváme.
Texty si nekladou za cíl co největší sumarizaci poznatků, ale mají sloužit jako výchozí
soubor údajů pro studium speciálních oblastí hmyzí fyziologie, ke kterým existuje příslušná
literatura. Studium textů předpokládá určitý stupeň znalosti základních principů obecné
fyziologie živočichů, na které texty přímo navazují.
Učebnice neprošla žádným recenzním řízením, a proto si je autor vědom, že může
obsahovat některé nedostatky. Bude tedy vděčný všem čtenářům za jakékoliv kritické
připomínky, které by napomohly k vylepšení učebního textu. Připomínky prosím zasílejte na
adresu: D.K., Entomologický ústav AVČR, Branišovská 31, 370 05 České Budějovice;
E-mail: kodrik@entu.cas.cz.
Tyto učební texty byly vydány v omezeném nákladu pro vnitřní potřeby Biologické
fakulty Jihočeské Univerzity v Českých Budějovicích.
Dalibor Kodrík
3
FYZIOLOGIE HMYZU - UČEBNÍ TEXTY
Dalibor K o d r í k
OBSAH strana
Úvod................................................................................................................................6
1. Růst a pohyb................................................................................................................... 7
1.1. Růst a ekdyse.......................................................................................................... 7
1.1.1. Stavba integumentu......................................................................................... 7
1.1.2. Zbarvení těla.................................................................................................... 15
1.1.3. Tvorba a odlučování kutikuly.......................................................................... 18
1.1.4. Exoskelet......................................................................................................... 24
1.2. Pohyb...................................................................................................................... 24
1.2.1. Činnost skeletálních svalů............................................................................... 26
1.2.1.1. Struktura a činnost skeletálních svalů..................................................... 26
1.2.1.2. Typy hmyzí lokomoce............................................................................. 33
1.2.1.2.1. Pohyb po zemi................................................................................. 34
1.2.1.2.2. Let.................................................................................................... 36
1.2.2. Činnost viscerálních svalů............................................................................... 46
2. Trávení živin.................................................................................................................. 47
2.1. Stavba trávící soustavy hmyzu................................................................................ 47
2.1.1. Funkční anatomie trávící soustavy.................................................................. 49
2.1.2. Filtrační komora.............................................................................................. 57
2.2. Trávení potravy....................................................................................................... 59
2.3. Trávení a mikroorganismy...................................................................................... 60
2.4. Tukové těleso.......................................................................................................... 61
3. Dýchání.......................................................................................................................... 65
3.1. Tracheální orgány a dýchání u suchozemských druhů hmyzu................................ 68
3.1.1. Mechanismus výměny plynů........................................................................... 72
3.2. Tracheální orgány a dýchání vodních druhů hmyzu............................................... 76
3.2.1. Dýchání u hmyzu přijímajícího kyslík z vody................................................. 77
3.2.2. Dýchání u vodního hmyzu přijímajícího atmosférický kyslík........................ 79
4. Osmoregulace a exkrece toxických produktů metabolismu........................................... 82
4.1. Exkrece odpadních látek......................................................................................... 82
4.2. Kryptonefrický systém............................................................................................ 87
4.3. Produkce moči a osmoregulace u suchozemských, sladkovodních a slanovodních
druhů hmyzu.................................................................................................................. 87
5. Oběh tělních tekutin....................................................................................................... 93
5.1. Hemolymfa hmyzu.................................................................................................. 93
5.1.1. Funkce hemolymfy.......................................................................................... 95
5.1.2. Složení hemolymfy.......................................................................................... 95
5.1.3. Cytologie hemolymfy...................................................................................... 98
5.2. Cirkulace hemolymfy.............................................................................................. 102
4
5.3. Obranná funkce hemolymfy a hmyzí imunitní systém........................................... 104
6. Bioluminiscence - svítivé orgány................................................................................... 108
7. Vnější faktory ovlivňující fyziologické děje.................................................................. 112
7.1. Teplota těla a termoregulace................................................................................... 112
7.2. Fotoperioda a diapauza........................................................................................... 120
7.3. Vlhkost.................................................................................................................... 121
7.4. Biotické faktory...................................................................................................... 122
8. Nervová činnost............................................................................................................. 123
8.1. Stavební jednotky hmyzí nervové soustavy............................................................ 123
8.2. Základní funkce hmyzí nervové soustavy............................................................... 126
8.2.1. Vedení vzruchu............................................................................................... 126
8.2.2. Synapse........................................................................................................... 129
8.2.3. Mediátory........................................................................................................ 129
8.3. Funkční anatomie hmyzí nervové soustavy............................................................ 132
8.3.1. CNS - ganglia a břišní nervová páska............................................................. 134
8.3.2. CNS - mozek................................................................................................... 135
8.3.3. Viscerální nervová soustava............................................................................ 138
8.3.4. Periferní nervová soustava.............................................................................. 138
8.4. Činnost mozku........................................................................................................ 138
8.4.1. Rytmické chování............................................................................................ 139
9. Fyziologie smyslové soustavy........................................................................................ 144
9.1. Mechanoreceptory................................................................................................... 144
9.2. Termoreceptory....................................................................................................... 151
9.3. Chemoreceptory - chuť a čich................................................................................. 151
9.4. Fotoreceptory - zraková ústrojí............................................................................... 153
10. Endokrinní soustava..................................................................................................... 162
10.1. Endokrinní soustava korýšů.................................................................................. 168
10.2. Endokrinní soustava hmyzu.................................................................................. 170
10.2.1. Ekdysteroidy................................................................................................. 172
10.2.2. Juvenilní hormony......................................................................................... 180
10.2.2.1. Juvenoidy............................................................................................... 185
10.2.3. Peptidické neurohormony............................................................................. 185
10.2.3.1. Hormony řídící metabolismus a homeostázu........................................ 190
10.2.3.2. Hormony řídící metamorfózu, vývoj a růst........................................... 193
10.2.3.2.1. Hormonální řízení ekdyse.............................................................. 196
10.2.3.3. Hormony řídící pohlavní funkce (gonádotropní peptidy)...................... 199
10.2.3.4. Hormony modifikující svalovou kontrakci (myotropní peptidy).......... 200
10.2.3.5. Hormony řídící barvoměnu (chromatotropiny)..................................... 200
10.2.4. Feromony...................................................................................................... 201
11. Činnost pohlavních orgánů a rozmnožování................................................................ 204
11.1. Samičí pohlavní systém......................................................................................... 204
11.2. Samčí pohlavní žlázy............................................................................................ 204
11.3. Kopulace a fertilizace............................................................................................ 207
11.4. Kladení vajíček...................................................................................................... 207
5
11.5. Fyziologická kontrola reprodukce......................................................................... 209
11.6. Vitellogeneze........................................................................................................ 212
11.6.1. Řízení procesu vitellogeneze........................................................................ 212
12. Hmyzí produkty využitelné člověkem......................................................................... 216
13. Literatura...................................................................................................................... 220
6
Úvod
Fyziologie hmyzu - historie
- starověk - Aristoteles - znal a popsal fenomén hmyzí metamorfózy
- 17. a 18. století - zakladatelé mikroskopických technik Robert Hook, Marcello Malpighi,
Anton van Leeuwenhoek, René de Réaumur, Pieter Lyonet - často používali hmyz jako
pokusný objekt - začíná se poznávat struktura a funkce jednotlivých hmyzích orgánů
- 18. a 19. století - Claude Bernard, John Lubbock, Henri Fabre - provádějí první funkční
analýzy hmyzu, i když hlavní zájem je soustředěn na morfologii a systematiku
- 20. století 1917-22 - Polák Stephan Kopeč - zakladatel hmyzí endokrinologie a objevitel
existence hmyzích hormonů, prováděl operace a extirpace mozků a studoval jejich vliv na
metamorfózu. Zavedl metodu ligatury, která se používá dodnes.
- 1934 - Angličan V.B. Wigglesworth - zakladatel hmyzí fyziologie jako samostatného oboru
vydává v tomto roce knihu hmyzí fyziologie "Insect Physiology" a v roce 1947 základní dílo
"Principles of Insect Physiology", které se od té doby dočkalo mnoha renovací a reedicí
- 40. a 50. léta 20. století (a dále) - obrovský rozvoj biochemie a jejích metod znamená vznik
a rozvoj biochemie hmyzu (Butenandt, Fraenkel, Fukuda, Piepho, Scharrer, Snodgrass,
Williams)
- 60. léta - Němec Peter Karlson a kolektiv - objevují steroidní hormony ekdysteroidy a
naznačují mechanismus jejich působení na úrovní genu
- Čech Karel Sláma - objevuje při své stáži v USA analogy juvenilního hormonu juvenoidy
(paper factor)
- 70. léta - začínají se provádět sekvenace hmyzích peptidů - jako první je sekvenován
adipokinetický hormon I ze saranče stěhovavé (Locusta migratoria) (Locmi-AKH-I).
- 80. a 90. léta - obrovský rozvoj molekulární biologie, biochemie a chemie organických látek
vede k poznání molekulární podstaty řady biologických procesů v hmyzím těle včetně
metamorfózy
7
1. Růst a pohyb
1.1. Růst a ekdyse
Růst chápeme jako ireversibilní zvětšování velikosti těla. U hmyzu má tento proces
některé zvláštnosti, protože je díky pevnému integumentu omezen a může probíhat pouze
více či méně periodicky. Hmyzí integument slouží díky své struktuře a pevnosti jako vnější
kostra neboli exoskelet. Je tvořen jednovrstevnou - epidermis (u obratlovců je jí odpovídající
škára vícevrstevná) a jí vylučovanou - kutikulou (je neživá, u obratlovců je pokožka živá).
Epidermis se u hmyzu často označuje jako hypodermis, protože se nachází relativně hluboko
pod povrchem těla. Hmyzí kutikula se nevyskytuje jen na povrchu těla, ale vystýlá i všechny
vstupní otvory zažívacího, dýchacího, pohlavního i žlázového systému, takže povrch buněk
není nikde vystaven přímým účinkům atmosféry. Obecně kutikula kryje orgány
ektodermální-ho původu:
1. tracheální soustava
2. stomodeum, proctodeum
3. vývod pohlavních orgánů
1.1.1. Stavba integumentu:
1. Hypodermis - (obr. 1) je stavěna celkem jednoduše, je jednovrstevná a na spodní straně
je ohraničena - bazální membránou, která se vytváří ze spodních výběžků epidermálních
buněk. Na bazální membránu zespodu přisedají krevní buňky - hemocyty. Buňky hypodermis
mají šestiboký tvar a jejich výška se mění s růstem těla. U mladých stádií jsou buňky
pravidelné, sloupečkovité nebo kónické, u dospělců jsou ploché a více či méně degenerované.
Rozdíly jsou patrné i během larválního vývoje: před svlékáním jsou epidermální buňky
vysoké cylindrické a ostře ohraničené, v mezisvlékacím období jsou nezřetelné a mění na
dlaždicový epitel. Jsou v nich uloženy různé pigmenty a epidermis vytváří také celou
kutikulární vrstvu.
2. Kutikula - (obr. 2 a 3) její tloušťka se zpravidla pohybuje od několika m do asi 200 m
- to závisí především na jejím umístění, ale i na velikosti těla a daném druhu hmyzu - např. v
trachejích je velmi tenká, protože v ní chybí její tuhé vnitřní vrstvy, velmi silná je naopak
kutikula na povrchu těla; v místech ohybu těla - jako jsou klouby - je kutikula ztenčena.
Velmi silná je kutikula např. u brouků.
Histologicky se kutikula dělí na 3 vrstvy - epi-, exo- a endokutikulu:
2a. Epikutikula (obr. 2 a 3) - tvoří nejsvrchnější tenoučkou vrstvičku, která je bezbarvá,
jen někdy obsahuje pigmenty; je odolná proti kyselinám. Její síla je asi 1 - 4 m a její stavbu
a složení lze pozorovat pomocí elektronového mikroskopu. Neobsahuje chitin a chemickým
složením je to směs vosků, parafinů, proteinů a fenolických látek. Na příčném řezu lze na ní
8
9
10
11
zpravidla rozlišit 4 vrstvičky - cementovou, voskovou, kutikulínovou (polyfenolovou) a
sklerotinovou.
- cementová vrstvička - je velmi jemná, houbovitá. Tvoří ji proteiny prostoupené
rozmanitými látkami zvanými - cement. Cement je tvořen sekretem dermálních žlázek, u
některých druhů obsahuje šelak, který je rozpustný v alkoholu (dříve se používal jako lak). Je
směsí lipidů a lakózy. Cementová vrstvička může obsahovat i sklerotizované bílkoviny.
- vosková vrstvička - je tvořena různými druhy voskových esterů, vyššími alkoholy a
tukovými látkami (obr. 4). Je biologicky velmi významná, protože zabraňuje odpařování
vody z těla a naopak zase jejímu pronikání dovnitř (u vodních druhů, při dlouhotrvajícím
dešti atd.) Bylo zjištěno, že vosková vrstvička se obnovuje prostřednictvím komponentů
pocházejících z polyfenolové vrstvičky za spoluúčasti enzymů.
- kutikulínová (polyfenolová) vrstvička - je složena z - kutikulínu (obr. 2 a 3) - silně
světlolomného proteinu obsahujícího lipoidy silně prostoupené chinony. Je hlavní složkou
epikutikuly. Kutikulínová vrstvička je velmi pevná, elastická a tím odolná proti
mechanickým vlivům.
- sklerotinová vrstvička - je složena z vrstevnatě uložených proteinů a lipoidů.
Neporušenost epikutikuly hraje důležitou roli při styku hmyzu s insekticidy. Mladí,
neotření jedinci zpravidla lépe vzdorují insekticidům než staří, protože jejich epikutikula je
dosud neporušena a pronikaní kontaktně působících látek je ztíženo. Proto se také insekticidy
míchají s práškovitými přísadami, jejichž částice mechanicky porušují epikutikulu, a tím
usnadňují pronikání vlastní účinné látky. Některé pesticidy např. chlorované uhlovodíky se
zase rozpouští v lipoidních substancích epikutikuly, zejména v její voskové vrstvičce a
pórovými kanálky pronikají k epidermálním buňkám.
2b. Exokutikula - nazývá se také jako pigmentová vrstva, nachází se pod epikutikulou a na
spodní ploše má často "otištěn" 6-boký vzorek jako zbytek po epidermálních buňkách, které
ji vytvářely. Je tvrdá jako sklovina a má vrstevnatou skladbu. Obsahuje bílkoviny, menší
množství chitinu a pigmenty. Je odpovědná za pigmentové i fyzikální zbarvení kutikuly. V
některých případech exokutikula téměř chybí nebo je vytvořena jen ostrůvkovitě.
Hlavní bílkovinou exokutikuly je - sklerotin - lze ho srovnat s rohovinou neboli keratinem
obratlovců. Keratin je však "vulkanizovaná" bílkovina, kde jsou jednotlivé řetězce spojeny SS
můstky. Sklerotin je "tvrzená" bílkovina (tanned protein), vzniká z prekursoru arthropodinu
- za účasti chinonů, které se v kutikule tvoří z aminokyseliny tyrozinu přes
dvojsytné fenoly, které se následně oxidují pomocí fenoloxidáz na chinony. Chinony pak
reagují s volnými aminoskupinami bílkovinných řetězců a pevně je vážou. Chinony jsou však
prekursorem několika alternativních reakcí, z nichž některé vedou k syntéze melaninu,
běžného pigmentu kutikuly. Také sklerotin se může podílet na zbarvení kutikuly - jantarové a
tmavé zbarvení kutikuly je podmíněno právě buď barevnou formou sklerotinu nebo
přítomností pigmentů (viz kap. 1.1.2.).
12
13
Další bílkovina přítomná v exokutikule je - resilin, který není tvrdý, ale pružný a svou
elasticitou předčí gumu. Tvoří 3-rozměrnou síťovinu, do které se ukládají chitinové lamely.
Resilin bývá přítomen na exponovaných a velmi pohyblivých místech těla, nachází se také v
kutikule kloubů křídel a končetin, ve spojovacích místech zadečkových tergitů a sternitů, kde
umožňuje opětné roztažení článků po kontrakci svalů při dýchacích pohybech (obr. 5) nebo
tvoří elastické úpony pro létací svalovinu.
Podstatnou složkou exokutikuly je - chitin - který má strukturu podobnou celulóze.
Základní jednotkou tohoto dusíkatého polysacharidu je N-acetylglukosamin. Tvoří dlouhé
řetězcové molekuly zvané - micely. Ty jsou uloženy ve vrstvách, které jsou rovnoběžné s
povrchem kutikuly a prostoupené navázanými bílkovinami (sklerotinem). Tuto kompaktní,
jantarově zbarvenou hmotu můžeme přirovnat ke stavební hmotě rostlin - celulóze a ligninu.
Celulóze odpovídají chitinové lamely, lignimu zase sklerotin. Chitin je nerozpustný ve vodě,
éteru, lihu, slabých kyselinách, slabých i koncentrovaných zásadách. Rozpouští se v
koncentrovaných minerálních kyselinách a ledová kyselina octová způsobuje jeho změkčení.
V kutikule je chitin rozmístěn velmi nestejnoměrně (v epikutikule chybí úplně). Také u
jednotlivých druhů hmyzu není množství chitinu stejné. Všeobecně lze říci, že jeho množství
kolísá od 25 do 40%, vyjímečně dosahuje hodnot i nad 50%. Tak např. v kutikule larvy
mouchy bzučivky rudohlavé (Calliphora vomitoria) bylo zjištěno 55% chitinu - nejvíce ze
všech zkoumaných případů. Krovky chrousta obecného (Melolontha melolontha) obsahují
naproti tomu chitinu jen 34%.
2c. Endokutikula - má obdobné chemické složení i stavbu jako exokutikula, ale na rozdíl
od ní je značně pružná. Je bezbarvá, zřetelně vrstevnatá, skládá se z lamel nebo trámečků.
Tvoří nejsilnější a nejpodstatnější část celé kutikuly, zajišťuje ohebnost těla. Její hlavní
složkou je chitin.
Celá kutikula je prostoupena velkým množstvím tenkých - kanálků - které začínají v
endokutikule a zasahují až do vnitřní epikutikuly. Jejich spodní část má podobu dlouhé, úzké
nálevky, do které pronikají plasmatické výběžky epidermálních buněk. V horní části bývají
kanálky spirálně vinuté (obr. 2 a 3). Kanálky mají velký význam při svlékání a při tvorbě
nové kutikuly. V této době jimi vystupují látky produkované epidermálními buňkami a
vytváří novou kutikulu. Množství kanálků je druhově specifické. Např. u ploštic je jich na
1mm
2
kutikuly průměrně 2,75 milionu, u švába 1,2 milionu a u blech se nevyskytují vůbec.
Kutikulární povrch těla hmyzu není téměř nikdy hladký, ale bývá pokryt rozmanitými
výrůstky - vlásky, chloupky, štětinkami, brvami, zrnéčky, jamkami atd. - často spojenými se
smyslovými orgány (viz kap. 9.1.)
Nejdůležitější vlastností celé kutikuly je tvrdost, pevnost a pružnost, dále pak nepropustnost
pro vodu. To vše zajišťuje ideální ochranu proti faktorům vnějšího prostředí.
14
15
Funkce hmyzího integumentu:
Vytvoření dokonalého integumentu krytého kutikulou sehrálo v evoluci hmyzu
významnou úlohu a je jedním z mnoha důvodů evoluční úspěšnosti hmyzu. Integument má u
hmyzu následující funkce:
1. Ochrana těla proti vnějším vlivům (mechanickým, fyzikálním, chemickým, biologic-
kým)
2. Vylučovací funkce a povrchové zbarvení - ukládání odpadních produktů metabolismu,
ukládání pigmentů
3. Nositel drobných orgánů - žlázy jedové, hlenové, zápašné, smyslové orgány, pomocná
zařízení pohybu a obrany
4. Oporná a pohybová funkce - kombinace oporné a pohybové soustavy zajišťuje efektivní
pohyb s minimem svaloviny
5. Ochrana těla před nadměrnými ztrátami vody - což hraje roli u suchozemského hmyzu
(hlavně u druhů žijících v extrémně suchém prostředí), ale i u vodního hmyzu - sladko- i
slanovodního - který bojuje se ztrátami solí (sladkovodní) i se ztrátami vody (slanovodní).
1.1.2. Zbarvení těla
Zbarvení těla je způsobeno interakcí světla s kutikulou nebo hypodermis případně s tělními
tekutinami. Ve zbarvení těla se uplatňují 2 mechanismy - fyzikální a chemické zbarvení (oba
typy se často kombinují):
1. Fyzikální (strukturální) zbarvení - barvy vznikají fyzikálními principy jako je interference
světelného záření nebo rozklad světla
- interferenční zbarvení - je produkováno refrakcí (lomem) světla na různě uspořádaných,
blízko položených reflexních vrstvách s obsahem mikrofibril - vyskytuje se převážně v
exokutikule (u některých brouků však i v epikutikule). Může být produkováno i difrakcí
(ohybem) světla - na pravidelně texturovaném povrchu.
- rozkladné zbarvení - rozklad světla vzniká na nepravidelném povrchu a závisí na
velikosti povrchových nepravidelností ve vztahu k vlnové délce světla.
2. Chemické zbarvení - chemické zbarvení je zajištěno přítomností - pigmentů - které
absorbují viditelné světlo (obr. 6). Hmyzí pigmenty jsou trojího původu - a) syntetizují se v
těle jako produkty metabolismu, b) přesunují se z rostlinného materiálu potravou, c) (vzácně)
vznikají činností mikrobiálních endosymbiontů.
a. Syntetické pigmenty:
- melaniny - tmavé polymerní pigmenty vyskytující se u velké většiny hmyzu.
- pteriny - jsou to dusíkaté sloučeniny odvozené od purinu. Mají funkci nejen jako
pigmenty, ale i jako kofaktory enzymů uplatňujících se při růstu a hlavně diferenciaci. Jsou
16
17
bílé, žluté (xantoprotein) a červené (erytropterin). Vyskytují se hlavně na křídlech a v očích,
kde zřejmě mají i jiné funkce, které zatím nejsou zcela jasné.
- omochromy - jsou odvozeny od tryptofanu přes kynurenin. U drosofily se syntetizují v
tukovém tělese a v Malpighických trubicích, odkud jsou pak hemolymfou transportovány
pomocí speciálních nosičů. Produkce omochromů slouží jako cesta detoxikace tryptofanu,
který je ve velkých koncentracích toxický. Velké množství omochromů se nachází v mekoniu,
odpadní tekutině nahromaděné ve střevě kukel, kterou vylučuje čerstvě vylíhlé
imago. Omochromy jsou žluté, červené a hnědé pigmenty představující granule vázané na
proteiny. Nachází se v očích (někdy přímo v retinule), ale i v epidermis.
- tetrapyroly - do této skupiny patří porfyriny a biliny (obr. 6). Porfyriny mají klasickou
tetrapyrolovou strukturu s centrálním atomem železa, biliny pak lineární tetrapyrolovou
strukturu vázanou na protein. Porfyriny jsou červené až hnědé pigmenty nacházející se ve
svalech a u některých druhů v hemolymfě (Chironomus). Biliny jsou zpravidla vázány na jiné
pigmenty a mohou se podílet na modrém zbarvení.
- papiliochromy - žluto-červeno-hnědé pigmenty nacházející se u některých motýlů. Jsou
odvozené od dusíkatých sloučenin.
- chinonové pigmenty - nachází se vzácně u Homopter, hlavně u mšic, a způsobují červené
nebo žluté zbarvení.
b. Přesun z rostlinného materiálu:
- karotenoidy - jsou to pigmenty rozpustné v tucích, neobsahují dusík. Dělí sa na dvě
základní skupiny - karoteny a xantofyly. Jejich význam u hmyzu není zcela jasný. Často se
nachází v kombinaci s pigmenty, které se u hmyzu syntetizují a vytváří s nimi celou škálu
barev.
- flavonoidy - jsou odvozeny od heterocyklických sloučenin a nachází se hlavně u
lepidopter.
Pigmenty se u hmyzu vyskytují v kutikule, epidermis, hemolymfě nebo tukovém tělese. U
hmyzu je velmi běžné tmavé zbarvení kutikuly spojené se sklerotizací (tedy ne s pigmentací),
za které je zodpovědná tmavá forma bílkoviny sklerotinu. Ukládání výše popsaných
pigmentů způsobuje následující zbarvení těla:
- černé, hnědé, žluté nebo červené zbarvení - je způsobeno pigmentem melaninem.
- žluté až červené zbarvení - je spojeno s karotenoidy, omochromy, papiliochromy, pteridiny.
- žluté zbarvení - flavonoidy
- červenavé, zelenavé a modravé zbarvení - tetrapyroly
Je zřejmé, že výsledné zbarvení je často výsledkem kombinace celé řady pigmentů.
18
Funkce pigmentů - přestože jsou pigmenty často odpadní látky, mají celou řadu
biologických funkcí - ochranné zbarvení, výstražné zbarvení, barvoměna, sexuální význam pohlavní
dimorfismus a s tím spojené vyhledávání partnera. Melanin má také funkci v
ochraně proti záření, v přeměně světelného záření v tepelné a ve vychytávání volných
radikálů.
1.1.3. Tvorba a odlučování kutikuly
Tvorba nové a odlučování staré kutikuly (obr. 7) je složitý, hormonálně řízený proces, kdy
se stará těsná kutikula odvrhuje resp. svlékající se jedinec z ní vyleze. Mezitím se tvoří
kutikula nová, která je v ranných fázích svého vzniku měkká.
1. Tvorba kutikuly
Svlékací proces je zahájen změnami v samotných buňkách hypodermis. Jejich počet se
zpravidla zvětšuje intenzivním mitotickým dělením v době před apolýzou a je provázen také
změnou tvaru buněk. V období svlékání se ploché dlaždicovité buňky protahují a vytváří
vysoké cylindrické šestiboké hranoly (obr. 8). Při zahájení vlastního svlékání nejprve dochází
k oddělení hypodermis a staré kutikuly, čímž vzniká - exuviální štěrbina. Do ní se vylučuje ekdysiální
tekutina - která obsahuje enzymy (proteázy, chitinázy) a rozpuštěné bílkoviny.
Jejím úkolem je odbourat složky staré endokutikuly, resorbovat je a spolu s rezervami z
tukového tělesa využít na tvorbu nové kutikuly. Odbourávání - apolýza - neprobíhá v celém
těle současně, nejdříve v thoraxu, pak i na ostatních částech těla. V ekdysiální štěrbině se pak
formuje - ekdysiální membrána - která začne oddělovat starou a nově se tvořící kutikulu.
Pod ekdysiální membránou se začne formovat nová kutikula. Proces je zahájen tvorbou
kutikulínové vrstvy epikutikuly a zpravidla se vytváří také vnitřní epikutikula - tj. vrstevnatě
uspořádaná sklerotinová část epikutikuly tvořená proteiny a lipoidními látkami. Pak se tvoří preekdysiální
prokutikula - budoucí endo- a exokutikula, která se mění na postekdysiální exoa
endokutikulu až po odvržení exuvie. Po vytvoření preekdysiální endo- a exokutikuly se
dotváří epikutikula. Kanálky v epikutikule proudí polyfenoly, které se podílí na tvorbě
voskové vrstvičky. Cementová vrstva se tvoří před nebo po svlékání, kdy žláznaté
epidermální buňky vylejí svůj obsah prostřednictvím kanálků na povrch voskové vrstvy. Celý
proces je provázen intenzivním transportem zásob glykogenu a proteinů z tukového tělesa k
epidermis. Nová kutikula je měkká, většinou bělavá, bezbarvá nebo nažloutlá, není
melanizovaná ani sklerotizovaná a svojí plasticitou umožňuje tvarování a zvětšení objemu
těla. Ztmavne a ztvrdne během několika hodin.
Mechanismus tmavnutí a tvrdnutí kutikuly má shodné úvodní kroky tvorby určitých
meziproduktů (obr. 9 a 10), jinak ale tyto procesy nejsou korelovány tj. jeden nemusí
podmiňovat druhý. Celá kaskáda syntetických reakcí je zahájena přeměnou tyrozinu za
katalytického působení tyrozinázy (což je fenoloxidáza) na DOPA (dihydroxifenylalanin) a
19
20
21
22
23
dále na dopamin a N-acetyldopamin. Ten je výchozím bodem několika alternativních reakcí v
zásadě se však dále oxiduje na chinony (dopachinony). Potom dochází buď k tvorbě
pigmentu - melaninu - přes dopachrom, který je nestálý a rozpadá se na indolchinon, který
polymerizuje na tmavý až černý melanin; poslední reakční kroky probíhají bez přítomnosti
enzymů. Nebo alternativně může docházet k tvorbě pevné bílkoviny - sklerotinu (viz kap.
1.1.1.), tedy složky odpovědné za tvrdost kutikuly. Mechanismus jeho syntézy spočívá v
reakci chinonů s prekursorovými bílkovinami.
2. Odvržení kutikuly - ekdyse
Předchozími procesy je nová kutikula již připravena plnit své funkce, a tak se stará
kutikula může odloučit, vzniká tak - exuvie (svlečka) - což je stará exo- a epikutikula. K
odvržení exuvie je třeba uvnitř těla zvýšit tlak - děje se tak polykáním vzduchu nebo vody a
specifickými kontrakcemi svaloviny. V určitých oblastech těla, nejčastěji na hlavě a hrudi, se
vytvoří - švy - místa se ztenčenou exokutikulou, která drží pohromadě jen díky epikutikule.
Švy praskají zpravidla ve tvaru písmene - T. Hmyz pak vyleze a nová kutikula, která je
měkká a bílá nebo nažloutlá postupně tmavne a tvrdne. Nová kutikula bývá zřasena v záhyby,
což vytváří reservy růstu (obr. 10), polykaným vzduchem se pak může napnout a tím je
umožněn částečný růst i během instaru. V období po svlečení je hmyz snadno zranitelný a
také zaznamenává velké ztráty vody.
Celý svlékací proces je řízen hormonálně (viz kap. 10.2.3.2.). Klíčovou roli hraje ekdyson
- hormon prothorakálních žláz, který přímo působí na epidermální buňky, kde
aktivuje na chromozomech příslušné geny odpovědné za spuštění a řízení ekdyse. Tvorba a
vylučování ekdysonu je řízena z mozku pomocí - PTTH (prothoracikotropní hormon) (viz
kap. 10.2.3.2.) - jehož výdej je řízen vnitřními a vnějšími stimuly. Na ekdysi se podílí také
další neurohormony - burzikon, eklozní hormon a ETH (ecdysis triggering hormone) - a
nepřímo i juvenilní hormon. Hormonální řízení celého procesu je podrobně popsáno v kap.
10.2.3.2.
Vlastní růst - jak již bylo několikrát uvedeno, růst je u hmyzu zpravidla omezen jen na
dobu, kdy je kutikula měkká a pružná tj. na krátké období těsně po ekdysi. Jinak k růstu
dochází jen vyjímečně tam, kde byly v kutikule vytvořeny prostorové rezervy, v měkkých
částech těla nebo v určitých vývojových stadiích některých druhů (larvy Lepidopter, Dipter).
Naopak v tvrdých částech těla jako je hruď u brouků nebo hlavová schránka je růst těla přísně
diskontinuální. S určitým omezením zde platí následující růstová pravidla:
- Dyarův koeficient - lineární rozměry tvrdých částí těla se mezi instary zvětšují v určitém
poměru. Např. šířka hlavy určitého instaru dělena šířkou hlavy následujícího instaru je
konstantní číslo. Platnost Dyarova koeficientu není obecná, typický je pro Lepidoptera.
24
- Przybramovo pravidlo - hmotnost těla se mezi jednotlivými instary asi zdvojnásobuje a
lineární rozměry (délka tykadel, končetin) vzrůstají asi 1.26 krát (třetí odmocnina ze dvou).
Toto pravidlo má však jen omezenou platnost na některé druhy Orthopter.
1.1.4. Exoskelet
Integument slouží u hmyzu i jako oporná soustava - exoskelet. Každý tělní článek je kryt
hřbetním útvarem - tergum, břišním - sternum a postranními - pleury (obr. 11). Mezi články
jsou intersegmentální membrány. Integument končetin je tvořen sklerotizovanými
"trubicemi," které tvoří oporu a ochranu v nich umístěných svalech. Na hlavě je vyvinut
mimořádně masívní exoskelet - hlavová schránka - který slouží jednak jako opora ústnímu
ústrojí a smyslovým orgánům a jednak jako struktura chránící mozek. Obdobný masívní
exoskelet je na hrudi, kde se upíná létací svalovina. Na hlavě a hrudi však díky přítomnosti
zmíněné svaloviny samotná povrchová kostra nestačí. Proto dochází na těchto místech k
vchlipování integumentu dovnitř těla a vytváření - endoskeletálních kutikulárních útvarů
(obr. 11). Existují 3 hlavní endoskeletální útvary - tentorium, které slouží jako vnitřní kostra
hlavy, a furca a fragma v hrudi. Endoskeletální funkci zmíněných struktur doplňují také apodemy
(obr. 11) - jakési vnitřní přepážky nebo vlákna, která hrají roli speciálních útvarů
pro úpon skeletální svaloviny.
Některé druhy hmyzu mají měkkou jemnou kutikulu a měkké tělo, které je vyztuženo hydrostatickým
skeletem. Jde vlastně o měkké tkáně zpevněné přetlakem vnitřní tekutiny.
1.2. Pohyb
Úspěšnost hmyzu ve fylogenetickém vývoji má úzký vztah ke schopnosti pohybovat se - a
především létat. Schopnost létat se utvářela asi před 300 miliony let a představovala obrovský
evoluční pokrok. Přes tuto schopnost se u hmyzu velmi dobře vyvinuly i různé způsoby
pohybu po zemi (terestrická lokomoce) i ve vodě (akvatická lokomoce).
Funkce pohybové soustavy souvisí s aktivním způsobem života a vytvořením hlavového
konce (cephalizace). Pohybová soustava - zajišťuje přeměnu chemické energie na
mechanickou. Výsledkem je pak zkracování a prodlužování svalů, čímž je zajištěna
lokomoce, udržování postavení, pohyby vnitřních orgánů a peristaltické pohyby.
U hmyzu se jako u všech členovců vyvíjí dokonalá svalová soustava.
Hmyzí svaly se dělí na:
- skeletální - zajišťují pohyb skeletu, udržování postavení a všechny druhy lokomoce - je
pro ně charakteristické napojení na integument oběma svými konci
- viscerální - umožňují pohyb vnitřních orgánů - zažívací trubice, ovarií, Malpighických
trubic. Viscerální svaly se napojují na tělní stěnu jen jedním úponem, často však vůbec ne pak
se na sebe mohou navzájem napojovat nebo tvořit kruhové svaly kolem vnitřních orgánů.
25
26
Oba typy svalů jsou příčně pruhované.
1.2.1. Činnost skeletálních svalů
U obratlovců se svaly upínají na vnitřní kostru a tahem proti kostem se realizuje pohyb. U
hmyzu se svalová kontrakce realizuje na základě stejných principů jako je tomu u obratlovců
s tím, že se svaly upínají na exoskelet. U druhů s měkkým tělem hraje roli ve svalové
kontrakci - hydrostatický skelet. Zde se svalová kontrakce realizuje oproti turgoru tělní stěny,
který je zajištěn tekutinou hemocelu. Tím vzniká opora pro kontrahující se svaly. Jestliže
dojde k perforaci hemocelu a tím k úniku hemocelní tekutiny, ztrácí takový jedinec oporu pro
své svaly a stává se nepohyblivým.
Na vnitřní povrch exoskeletu (integumentu) se svaly napojují pomocí - myokutikulárních
úponů (obr. 12 a 13). Typickým myokutikulárním úponem je - tonofibrila - jde o
mikrotubulární útvar produkovaný speciálními (epidermálními) buňkami, který zajišťuje
spojení mezi svalovými myofibrilami a kutikulou. Vývojový význam tonofibrily spočívá v
tom, že svalovina je mezodermálního původu a exoskelet původu ektodermálního tonofibrila
představuje místo jejich spojení. Během svlékání jsou tonofibrily zpravidla
odvrhovány spolu s exuvií a musí se proto obnovovat. Některé epidermálně-kutikulární spoje
jsou však rezistentní ke svlékací tekutině a zachovávají si funkčnost i během apolýzy a
ekdyse.
Připojení svalu na exoskelet se realizuje buď přímo na tělní stěnu (hypodermis i kutikulu)
nebo na apodemu (obr. 12). Zvláštním případem apodemy je - apophýza, kdy se v místě
připojení svalu tvoří zvláštní prodloužený úpon. Kromě tonofibril fungují jako svalové úpony
- desmozomy (obecně spojení mezi buňkami zajištěné plazmatickými filamenty a
asociujícími proteiny) a hemidesmozomy (napojení buněk na extracelulární matrix zajištěné
plazmatickými filamenty a asociujícími proteiny), kdy fibrilární úpony probíhají přes póry
kanálků do epikutikuly (obr. 13). Jindy se svalová vlákna připojují přímo na nespecializované
buňky hypodermis.
Svaly dělíme na (obr. 14) - interní, kdy úpony i vlastní svalové vlákno probíhají v rámci
jednoho článku a - externí, kdy úpony i svalové vlákno probíhají přes několik článků.
1.2.1.1. Struktura a činnost skeletálních svalů
Jak už bylo řečeno, všechny hmyzí svaly jsou příčně pruhované, pruhy jsou však
různorodé, odlišně uspořádané, někdy těžko rozlišitelné. Základní stavební a funkční
jednotkou svalu je svalové vlákno, které představuje svalovou buňku. Svalové vlákno
obsahuje velký počet jader, protože vzniká fúzí velkého počtu buněk. U hmyzu rozeznáváme
několik typů svalových vláken lišících se v počtu a umístění jader ve vláknu.
27
28
29
30
Hmyzí svaly jsou bezbarvé, bílé až našedlé - někdy žluté až oranžové pro vysoký obsah
cytochromů (létací svaly). Zdá se že hmyz má relativně málo svalů, ale ve skutečnosti je to
naopak, u hmyzu se nachází 2-3x (u housenek až řádově) více svalů než u člověka.
Svalové vlákno
Svalové vlákno se skládá ze - sarkolemy (buněčná membrána) a sarkoplazmy
(cytoplazma), která obsahuje vysoký počet mitochondrií zvaných - sarkozómy. Uvnitř
sarkoplazmy jsou - myofibrily - drobná kontraktilní vlákénka o 1 m a četnosti 4 - 20
myofibril/vlákno. Sarkoplazma dále obsahuje endoplazmatické (sarkoplazmatické) retikulum
a velké množství buněčných jader. Ultrastruktura hmyzí a obratlovčí myofibrily je podobná:
myofibrila je složená z kontraktilních bílkovin aktinu a myozinu (obr. 14), přičemž aktinová
filamenta jsou v myofibrile četnější než myozinová. U hmyzích létacích svalů je poměr
aktinu a myozinu 6 : 1, u končetin 9-12 : 1. Myofibrila obsahuje dále bílkoviny troponin a
tropomyozin, které se také, i když nepřímo, podílí na svalové kontrakci:
- aktin - aktinová filamenta se skládají ze dvou polymerů aktinových molekul, které se
vzájemně helikálně obtáčí a tvoří tak jedno vlákno
- myozin - myozinové filamenty tvoří na jednom svém konci podlouhlé silnější vlákno,
zatímco na druhém konci se vytváří globulární hlavová (přesněji dvouhlavá) oblast, která je
schopna reagovat s aktinem za vzniku tzv. můstků
- troponin a tropomyozin - bílkoviny, které v klidovém svalu blokují vazbu aktin-myozin,
a které v přítomnosti Ca++
iontů mění konformaci a přestávají reakci aktinu s myozinem
blokovat.
Na myofibrile můžeme rozeznat následující struktury (obr. 14):
- A-pruhy - anizotropní, dvojlomné pruhy tvořené myozinem
- I-pruhy - izotropní, jednolomné pruhy tvořené aktinem
- H-meromyozin- příčné myozinové můstky tvořené nejtěžší složkou myozinu, nachází se
uprostřed myozinového A-pruhu. Jejich konce tvoří hlavice obsahující ATP-ázu zajišťující
štěpení ATP a tím energetické krytí svalového stahu
- Z-linie - oblast ve středu aktinového pruhu, kde se aktinová vlákna ukotvují na -aktinin
- sarkomera - základní morfologicko-funkční jednotka myofibrily v rámci které se realizuje
stah myofibrily. Je složená z do sebe se zasouvajících úseků aktinu a myozinu, u hmyzu měří
2,5-9,0 m. Jinak řečeno je to oblast mezi dvěma Z-liniemi, přičemž aktinová filamenta
nedosahují středu sarkomery a myozinová filamenta uložená ve střední části sarkomery
nedosahují k Z-liniím
31
Svalová vlákna se organizují do svalových jednotek - ty obsahují 10-20 svalových vláken
a jsou obaleny tracheolizovanou membránou a inervovány jedním větveným axonem (viz
kap. 8.1.) (obr. 14). Velké svaly - jsou sestaveny z několika svalových jednotek, malé svaly
jsou tvořeny jednou jednotkou.
Strukturu svalu můžeme schematicky shrnout takto:
- hmyzí sval svalová jednotka (1 nebo více) svalové vlákno myofibrila aktin +
myozin (obr. 14).
- sval obratlovce svaly tvořeny velkým množstvím svalových jednotek.
Svaly reprezentují motor pohybu, pro který je nutné palivo a kyslík. V evoluci byly svaly
pod dvěma protichůdnými tlaky. Prvním byla tendence zvětšovat relativní tloušťku - tedy
mohutnost svalů a zajistit tak jejich větší efektivnost. Druhým pak snadná dostupnost svalů
pro kyslík a efektivnost depolarizačního efektu. Zvětšující se velikost svalu však znamená
jeho ztížené zásobování kyslíkem a malou efektivnost depolarizace membrány. Tento rozpor
vedl k vytvoření 2 systémů řešících tento problém - T-systému a tracheolárního systému.
- T - systém - transverze tubular system - představuje hlubokou invaginaci sarkolemy do
svalů a zajišťuje tak snadnou depolarizaci resp. přenos podráždění hluboko do svalu.
- tracheolární systém - představuje hlubokou invaginaci tracheol do svalů a zajišťuje tak
dobrou výměnu plynů, a tím možnost vysokého metabolismu.
Svalová kontrakce - spřažení excitace a kontrakce
Svalová kontrakce probíhá na základě stejného principu jako u obratlovců, kde dochází ke
zkracování sarkomer vzájemným zasouváním aktinových a myozinových vláken do sebe,
přičemž délka samotných vláken se stahem nemění. Kontrakce je spuštěna nervovým
impulsem (z motoneuronu), který vede k uvolnění neurotransmitoru (u hmyzu
pravděpodobně L-glutamátu) v místě nervosvalové ploténky. Tím dojde k porušení klidového
potenciálu (který má hodnotu -40 - -60 mV) a vzniká postsynaptický potenciál. Ten se rychle
šíří po membráně a díky T-systému i hluboko do svalu. Podráždění vyvolá uvolňování Ca++
iontů ze sarkoplasmatického retikula, což je impulsem k vyvolání kaskády reakcí vedoucích
ke stažení svalu: Ca++
ionty se váží na troponin a tropomyozin a ty přestávají blokovat reakci
aktin-myozin. Myozinová hlavice se připojí k aktinu, dojde v ní ke štěpení ATP a uvolnění
energie, což vede ke změně její konformace a změně úhlu pod kterým je hlavice k aktinu
připojena. Tak dojde k posunutí aktinového vlákna (směrem do centra sarkomery). Vzápětí se
spojení aktinu a myozinu přeruší, hlavice se narovná a připojí v dalším bodě - tak dochází k
dalšímu posunu aktinového vlákna. Tato interakce se mnohokrát opakuje, což vede ke
svalové kontrakci. Relaxace svalu je zajištěna odstraněním Ca++
iontů zpět do
sarkoplasmatického retikula, čímž se obnoví inhibiční roli troponinu a tropomyozinu, a také
blokováním ATPázy.
32
Energie pro svalovou práci
Svalová práce je zajištěna energií dodávanou ve formě ATP. Biochemické procesy
vedoucí k produkci ATP probíhají v mitochondriích a cytozolu svalových buněk. Fosfát je u
hmyzu dodáván těmto reakcím ve formě - arginin fosfátu, u obratlovců je to kreatin fosfát.
Energie je dodávána spalováním především cukrů, často tuků (sarančata), někdy proteinů
(tse-tse mouchy) a aminokyselin (někteří brouci).
Inervace a kontrakce
U hmyzu se setkáváme z tzv. polyneuronální inervací. Takové uspořádání znamená, že
axon se větví a nasedá na svalové vlákno na řadě míst (na rozdíl od obratlovců, kde je místo
jen jedno) a navíc jeden axon inervuje více svalových vláken (=svalová jednotka) (obr. 14).
Ve většině případů existují 2 typy axonů - pomalé a rychlé:
- pomalý axon - běžný typ axonu, kde jeden impuls vyvolá jeden stah. Stah je však slabí,
ale odpověď na jednotlivé impulsy se sčítá, takže rychlý sled impulsů vyvolá graduovanou
odpověď. Tím lze regulovat a kontrolovat velikost a přesnost svalového stahu. Obratlovci
ovlivňují přesnost pohybu změnou počtu stimulovaných svalových jednotek v rámci svalu.
Pomalý axon zajišťuje pomalé přesně kontrolované pohyby a udržování svalového tonu, a
tím i udržování postavení těla.
- rychlý (obří) axon (viz kap. 8.2.1.) - jeden impuls vyvolá konstantní a rychlý stah svalu.
Rychlý sled impulsů vyvolává tetanus, který brzy odezní. Slouží k aktivitám jako jsou skoky,
únikové reakce, atd., tam kde je nutnost rychlé kontrakce.
Dále existuje ještě třetí typ axonu - inhibiční. Jako neurotransmitor zde funguje - kyselina
aminomáselná a inhibice svalu je zajištěna hyperpolarizací membrány.
Svalová síla
Svalová síla se mění logicky v závislosti na průměru svalu - tenčí sval je slabší a naopak.
Se zmenšující se velikostí těla jedince však roste relativní síla svalů - je to proto, že svalová
síla roste úměrně se zvyšující se plochou svalového průřezu (tedy s druhou mocninou), ale
objem těla roste se třetí mocninou, a tak u většího těla jsou svaly relativně slabší. Proto je
hmyzí sval relativně silnější než sval obratlovčí, takže některé druhy hmyzu dovedou
zvednout podstatně těžší těleso, než je jejich vlastní hmotnost (viz Ferda Mravenec - díl II. V
cizích službách). Absolutní svalová síla - maximální síla na cm2
svalu - je u hmyzu a
obratlovců srovnatelná.
Fyziologické typy hmyzích skeletálních svalů:
1. Synchronní (nerezonující) - běžný typ svalu, kde nervová stimulace vyvolá svalový stah.
2. Asynchronní (rezonující) - typ svalu, kde jeden impuls vyvolá více antagonistických
svalových kontrakcí neboli kde frekvence svalových stahů je vyšší než frekvence nervových
33
impulsů. Asynchronní svaly se nachází v létací svalovině Thysanoptera, Psocoptera,
Homoptera, Heteroptera, Hymenoptera, Coleoptera a Diptera, a u zvuky produkujících
mechanismů u Cicadidae. Asynchronní svaly jsou charakterizovány většími fibrilami - co do
délky i průměru. Srovnáme-li tedy počet fibril u obou typů svalů na jednotku plochy
(průřezu), je tento počet díky větší velikosti fibril u asynchronních svalů nižší.
V jednotlivých částech těla zajišťují skupiny skeletálních svalů tyto pohyby:
a/ Hlava - pohyb hlavy, ústního ústrojí a tykadel
b/ Hruď - létací svalovina - let, svalovina končetin - pohyb po zemi nebo ve vodě
c/ Zadeček - pohyby zadečku prostřednictvím podélné (longitudiální) nebo příčné
(dorzoventrální neboli tergosternální) svaloviny.
1.2.1.2. Typy hmyzí lokomoce
1.2.1.2.1. Pohyb po zemi
a. Udržování polohy
Základní klidový stav je udržován pomocí - protrahovaného svalového tonu čili
protrahované kontraktury. Např. u švába stojícího na podložce jsou z tarsálních článků
pomalými nervovými vlákny přiváděny vzruchy k depresorům, což zajišťuje dlouhodobou
tonickou kontrakci. Tomuto základnímu stavu jsou nadřazeny vzruchy, které vyvolávají
svalové kontrakce vedoucí k lokomočním pohybům.
b. Plazení
Larvy s měkkým povrchem těla a hydrostatickým skeletem se pohybují plazením (obr.
15). Zajišťuje je svalová kontrakce v určité části těla, na kterou navazuje uvolnění v jiné části
těla. U apodních larev (Diptera) probíhají peristaltické vlny svalové kontrakce od hlavy k
zadní části těla, ty jsou doplněny laterálními pohyby využívajícími tření o podklad. Tření
napomáhají různé výstupky, háčky, adhezivní polštářky atd.
Larvy s thorakálními panožkami a abdominálními nožkami (housenky) vytváří vlny
svalové kontrakce turgorových svalů (udržují tvar těla) - lze pozorovat až 3 běžící vlny
současně. Činnost těchto svalů je koordinována s činností vlastních svalů končetin.
c. Chůze
Zástupci s tvrdým exoskeletem se pohybují na základě svalové kontrakce a relaxace párů
agonistických a antagonistických svalů spojených s kutikulou. Na rozdíl od korýšů nebo
myriapod má hmyz menší počet nohou, což mu umožňuje lepší kontrolu chůze a její vyšší
efektivnost. Tělo se při chůzi opírá o podložku ve třech bodech prostřednictvím trojice
nohou. Tyto nohy se střídají s druhou trojicí noh, čímž vzniká klátivá chůze (obr. 16). Těžiště
je při chůzi uprostřed těla, čímž je zajištěna vyšší stabilita. Chůze je zajištěna činností
34
35
36
hrudních svalů, které se upínají na bazální části končetin. Pohybu dopředu je dosaženo
svalovým tahem nohou opřených o podložku dozadu - retrakce - a současným přesunem
volných nohou dopředu - protrakce. Chůze je obecně usnadněna tarsálními chloupky nebo
adhesivními polštářky, které využívají molekulárních sil za přítomnosti malého množství
tekutiny nebo podtlaku. Adhezivní polštářky umožňují pohyb na hladké ploše (sklo) nebo i
hlavou dolů. Např. moucha Calliphora má asi 42 000 adhezivních polštářků o průměru asi
1m a výšce 9-15m.
Mnoho druhů hmyzu skáče - používá k tomu uzpůsobený zadní pár nohou. Svalové napětí
zde roste postupně a uvolnění je impulsivní, což vede k vystřelení hmyzu do vzduchu.
Ve svalech specializovaných na určitou pohybovou činnost např. chůze, skok, ale i let (viz
kap. 1.2.1.2.2.) atd. se vyskytují rozdíly v poměru zastoupení jednotlivých organel svalových
buněk - myofibril, mitochondrií a sarkoplazmatického retikula (obr. 17).
d. Plavání
U plovoucího hmyzu je končetina v kontaktu s vodou i v době protrakce. Aby došlo k
efektivnímu pohybu dopředu, musí se měnit profil končetiny tak, aby se překonával odpor
vody při protrakci. Je toho dosaženo změnou profilu končetiny (což je vlastně princip
plavání) - děje se tak nakláněním končetiny, pomocí chlupů, trnů atd. Některé druhy plavou
pomocí svalových kontrakcí proti hydrostatickému skeletu. Jiné druhy ve vodě kráčí.
Některé druhy se pohybují po vodní hladině na povrchové blance - využívají povrchového
napětí vody (obr. 15). Je to zajištěno pomocí hydrofobních chlupů, kutikuly atd.
1.2.1.2.2. Let
Znamenal pro hmyz obrovskou výhodu a umožnil mu obrovskou diverzitu spojenou s
novými potravními zdroji, obsazováním nových nik, přístupem ke kvetoucím rostlinám.
Zajistil hmyzu nebývalou evoluční úspěšnost. Zcela vyvinutá křídla se vyskytují pouze u
imag (přestože mnohé nymfy mají zřetelné základy křídel). Obvykle se vytváří jeden pár
předních křídel na druhém hrudním článku a jeden pár na třetím hrudním článku.
1. Primitivní řády - (Odonata, Neuroptera, Orthoptera) mají většinou přímé létací svaly
(obr. 18 a 19), které jsou synchronního typu a křídla přední a zadní pracují více méně
nezávisle na sobě. Přímé létací svaly pohybují křídlem směrem nahoru a dolů přímo přes
křídelní sklerity - napojují se tedy na bázi křídel.
2. Pokročilejší druhy - (Lepidoptera, Hymenoptera, Diptera) mají nepřímé létací svaly
(obr. 18 a 19), které jsou asynchronního typu a dochází zde ke koordinace práce křídel.
Nepřímé létací svaly - nepohybují křídlem přímo, ale upevňují se na stěnu thoraxu, který
deformují a vyvolávají tím pohyb křídel.
Nepřímé létací svaly se dělí na:
37
38
39
40
a) Vertikální (tergo-sternální, dorsoventrální) - nepřímý zdvihač křídla (obr. 20) - při jeho
kontrakci dojde ke zvednutí křídla.
b) Longitudiální (podélné, horizontální, hřbetní) - při kontrakci dojde ke stlačení křídel
směrem dolů (obr. 20).
Na letu se podílí ještě svaly - pleurální (obr. 18), které se upínají se přes pleurální výběžek
přímo na křídlo - umožňují ovládat rotační pohyby křídel v podélné ose (dozadu a dopředu),
rozevření a složení křídel.
Frekvence úderů křídel - křídla hmyzu kmitají rychlostí od několika jednotlivých kmitů až
po několik set kmitů za sekundu (obr. 21): např. motýl - 5, čmelák - 100-200, včela - 250,
komár - 300, moucha - 150-200. Některé druhy jsou schopny až neuvěřitelných 1000
mávnutí/sekundu.
Každý úder křídla nemůže být u nepřímých létacích svalů vyvolán akčním potenciálem,
protože by nezbýval čas na relaxaci svalu. Ve skutečnosti frekvenci 120 úderů/sec odpovídají
pouze asi 3 vzruchy. Vypreparovaný létací sval se chová jako každý jiný sval - tj. reaguje na
podnět kontrakcí a při zvyšování frekvence podnětů nad určitou hranici dojde ke svalovému
tetanu - např. u čmeláka je to již při frekvenci 40-60 podnětů/sec. Za fyziologických
podmínek je však funkce křídla pracujícího s vysokou frekvencí zajištěna speciálním
mechanismem zvaným - klikový mechanismus - který byl poprvé popsán u Dipter.
Práce klikového mechanismu - klikový mechanismus umožňuje svalovou kontrakci
nepřímé létací svaloviny s frekvencí vyšší než je frekvence nervových impulsů přicházejících
do těchto svalů. Je to umožněno speciálním uspořádáním svaloviny a konstrukcí hrudního
skeletu, především pak postavením hrudních skleritů s jejich pružností. Takové uspořádání
umožňuje, že kontrakce agonistů (svalů působících v jednom směru) je impulsem pro
následnou kontrakci antagonistů (svalů působících v opačném směru).
Nervový impuls vyvolá ve svalu stah. Narůstající svalové síle je na počátku stahu kladen
odpor pružnými sklerity (dorsálními a laterálními). Jakmile je dosaženo kritické hodnoty,
sklerity povolí a křídlo vkloubené mezi ně se pohne. To umožní napnutí antagonistických
svalů, takže jakmile dojde k relaxaci agonistů, antagonistické svaly se kontrahují, sklerity se
vrátí do původní polohy a křídlo se pohybuje opačným směrem. To vyvolá opět zvýšení tonu
agonistů a celý cyklus se opakuje. Popsanému mechanismu ve velké míře napomáhá pružnost
stěn thoraxu, čímž se velká část energie nutná pro pohyb křídla dolů uchová pro pohyb křídla
nahoru. Vzájemná stimulace agonistických a antagonistických svalů ovšem nastává s určitým
zpožděním, takže je zapotřebí přivádět v určitých intervalech vzruchy, které činnost svalů
udržují v chodu.
Stavba a uložení hmyzích křídel umožňuje jejich velký rozkmit - u vosy je to až 150o.
Létací svalovina je u dobrých letců mohutná a zabírá až čtvrtinu hmotnosti těla.
41
42
43
Aerodynamické síly hmyzího letu
Křídlo během letu vykonává složitý pohyb - kmitá nahoru a dolů, dopředu a dozadu a díky
své pružnosti se vlní od náletové hrany směrem dozadu. Všechny tři složky pohybu jsou
hladce sladěny dohromady a výsledkem je plynulý klouzavý pohyb. Každé křídlo tedy
funguje jako vrtule - žene vzduch dolů a dozadu. Tím se vytváří zóna nižšího tlaku vzduchu
před a nad tělem, což je jedna z podmínek úspěšného letu.
Výsledkem všech aerodynamických sil, které se na letu podílí, musí být zajištěn - zdvih,
který je zodpovědný za udržení letícího jedince ve vzduchu. Při mávání křídel se velikost
zdvihu mění (obr. 21). V době, kdy jde křídlo nahoru může být zdvih i negativní. Celkový
průměrný zdvih je ovšem pozitivní a umožňuje vlastní let - tedy tah dopředu a nahoru.
Důležitý je ukazatelem zdvihu je vztlakový úhel, jehož velikost je významná vzhledem k
tomu, aby relativní proud vzduchu udržoval letící hmyz ve vzduchu. U letadel dosahuje
vztlakový úhel hodnot asi 200
, u hmyzu to bývá 30 -500
.
Řada druhů hmyzu umí využívat aerodynamických sil ke vznášení a plachtění.
Vznášení
Při vznášení jde o let na místě spojený s příjmem potravy (motýli Macroglossum),
pářením, letem v hejnech (mouchy) nebo přistáním, kdy je pečlivě vybíráno místo přistání.
Při vznášení stojí často podélná osa těla téměř kolmo (nebo pod velkým úhlem) k zemi (obr.
21), zatímco rovina kmitu křídel je téměř horizontální. Tím vznikají rotační proudy vzduchu,
které umožňují vznášení. Některé druhy např. mouchy však udržují při vznášení podobnou
polohu těla jako při letu a využívají tak jiných aerodynamických sil.
Plachtění
Hmyz příležitostně plachtí s roztaženými křídly bez pohybu (Odonata, Lepidoptera,
Orthoptera). Za plachtění považujeme situaci, kdy mezi jednotlivými mávnutími křídel
uplyne doba od jedné do několika sekund. Při plachtění je opět důležitý vztlakový úhel, na
jehož udržení závisí schopnost hmyzu plachtit. Např. u Lepidopter je tento úhel při plachtění
asi 5 - 15o
. Plachtění je pro hmyz energeticky velmi výhodné, proto se např. neschopnost
vážek skládat křídla vysvětluje jako sekundární adaptace k plachtění. U sarančat je známa
schopnost "uzamknout" křídla v určité poloze, což jim plachtění velmi usnadňuje.
Kontrola mávání křídel a stabilita za letu
Při kontaktu tarsálních článků s podkladem je pohyb hmyzích křídel inhibován drážděním
příslušných tarsálních senzil. Když však hmyz vyskočí do vzduchu, dochází ke ztrátě
dráždění těchto senzil, což je pro většinu druhů hmyzu impulsem k mávání křídel. Aktivace
mávání křídel je složitý proces hlavně u druhů s asynchronními létacími svaly, které musí
přejít na vysokofrekvenční oscilaci. U včel je aktivace těchto svalů zajištěna speciálním
44
synchronním svalem, jehož podráždění a aktivace vede ke spuštění klikového mechanismu. U
sarančat, ale pravděpodobně i u jiných druhů hmyzu, je důležitým stimulačním prvkem
působení - octopaminu - jehož titr v hemolymfě rychle narůstá ze začátku letu. Octopamin
má přímý stimulační účinek na aktivitu interneuronů řídících mávání křídel a na dráždění
příslušných receptorů křídel. To má za následek spuštění celého řídícího mechanismu letu
včetně jeho energetického zajištění uvolněním adipokinetického hormonu (viz kap. 10.2.3.1.)
z corpora cardiaca a mobilizací zdrojů energie z tukového tělesa.
Poté, co se hmyz vznese, je činnost křídel udržována impulsy vznikajícími drážděním
tykadelních článků pohybem vzduchu podél hlavy (obr. 22). V celém procesu hraje důležitou
roli Johnstonův orgán, který slouží jako gyroskopický smysl(viz kap. 9.1.). Nohy jsou během
latu zpravidla těsně připojeny k tělu, aby neporušovaly aerodynamičnost pohybu, takže jejich
receptory již nejsou stimulovány.
U hmyzu se synchronními létacími svaly (např. sarančata) je mávání křídel regulováno
přímo motorickými neurony: základní vzorec svalové kontrakce může běžet i bez vstupu
signálů z receptorů a je závislý pouze na impulsech z komplexu interneuronů, které kontrolují
příslušné motorické neurony. Tento centrálně generovaný rytmus je ovšem pomalejší než
vyžaduje normální let, proto do hry vstupují signály z receptorů (externích smyslových
orgánů i proprioreceptorů). Zásadní roli hrají proprioreceptory na bázi křídel, jejichž
informace jsou zpracovávány v thorakálních gangliích (obr. 22).
Při přistání pak dochází na základě zpravidla vizuálních stimulů k narovnání (odklopení)
nohou a přistání.
Stabilita za letu je zásadní pro úspěšné řízení a koordinované pohyby. Jejich cílem je
vyhnou se všem vlivům rotace (ve všech rovinách) a zajistit tak stabilní let.
Energetické krytí letu
Let je pro hmyz energeticky velmi náročný v neposlední řadě také proto, že efektivita
svalové práce je relativně malá: asi 80% energie produkované létací svalovinou je
spotřebováno na tepelné ztráty a ze zbytku je asi jen jedna polovina aerodynamicky
využitelná. Tedy jen 5 - 10% energie produkované létacím svalem je využito na let. Proto se
intenzita metabolismu u letícího a v klidu se nacházejícího jedince liší 50 až 100krát.
Energetické krytí letu je zajištěno příslušnými živinami, které se u různých druhů hmyzu
liší (obr. 22). Většina druhů spaluje přednostně glycidy, některé druhy však využívají hlavně
tuky (sarančata, mšice, migrační motýli), i když glycidy spalují také, zpravidla však pouze
během krátkých letů nebo v počáteční fázi letu, dříve než se jejich metabolismus přepne na
spalování tuků. Někteří zástupci Diptera a Coleoptera využívají energii aminokyselin,
obzvláště prolinu, který spalují na alanin.
Nejvhodnějším zdrojem energie je tuk, který obsahuje 2krát více energie než glycidy (39
kJ/g resp. 17 kJ/g). Navíc glykogen, nejběžnější formy glycidové rezervy, je silně
45
46
hydratován, takže je 8krát těžší než izokalorické množství tuku. Proto je např. u sarančat 85%
energetických zásob uloženo ve formě tuků.
Mobilizace energetických zásob a jejich spalování v létacím svalu je složitá činnost řízená
nervově, hormonálně i zpětnovazebně. Nervovým impulsem způsobujícím kontrakci
svalového vlákna se aktivují enzymy vedoucí k zahájení procesu spalování živin přímo v
samotném svalu. Po vyčerpání vlastních zásob svalových buněk vzniká potřeba mobilizace
energetických zdrojů z tukového tělesa. Tento proces je dobře popsán u sarančat, motýlů a
much. U sarančat je proces aktivace glykogenu řízen adipokinetickým hormonem (AKH),
který je zodpovědný za aktivaci glykogen fosforylázy. U Manduca (Lepidoptera) je však
aktivace glykogen fosforyláza regulována hladinou trehalózy v hemolymfě - pokles hladiny
trehalózy jako výsledek její utilizace létací svalovinou stimuluje aktivaci enzymu.
Zpětná vazba se projevuje i u sarančat a dalších druhů hmyzu. Přestože uvolnění AKH z
corpora cardiaca je řízeno z mozku, je celý proces inhibován, jestliže je v hemolymfě vysoká
koncentrace glycidů.
AKH je však zodpovědný především za mobilizaci tuků z tukového tělesa aktivací lipázy,
což vede ke štěpení tuků na diacylglycerol v tukovém tělese a jejich transport hemolymfou do
svalu. Celý proces je klasickým příkladem hormonálně řízeného metabolického procesu a je
podrobně popsán v kapitole 10.2.3.1. U sarančat dochází k uvolnění diacylglycerolu do
hemolymfy asi po 5 minutách letu. Jak již bylo zmíněno, v celém procesu hraje aktivační roli
také octopamin.
1.2.2. Činnost viscerálních svalů
Viscerální svaly jsou spojeny s vnitřními orgány, dělí se na dva typy - externí a interní.
Externí - napojují se na integument a příslušný orgán.
Interní - obklopují daný orgán.
Některé viscerální svaly nejsou histologicky odlišitelné od skeletálních, jiné se liší. U těch
pak není kontraktilní materiál seskupen do myofibril, ale vyplňuje svalové vlákno (přesto
obsahuje myozin i aktin a patří mezi příčně pruhované svaly). Tyto svaly vykazují poměr
aktinových a myozinových filamentů obdobný jako u látací svaloviny - 10, 11 až 12 : 1. Tsystém
je pravidelný nebo nepravidelný. Některé neurony inervující viscerální svaly jsou
neurosekretorické a jejich sekrety jsou uvolňovány přímo do svalů, tedy ne do hemolymfy.
U viscerálních svalů byly popsány tři skupiny neurotransmitorů:
1. Aminokyseliny - jsou pravděpodobně nejrozšířenější - L-glutamát, kyselina aminomáselná
(GABA)
2. Monoaminy - serotonin, 5-hydroxytryptamin = 5-HT
3. Peptidy a hormony - proctolin, crustacean cardioaccelerating hormone (CCAP), myotropní
hormony (viz kap. 8.2.3. a kap. 10.2.3.4.)
47
2. Trávení živin
Hlavní funkcí trávicí soustavy je zachytit potravu, chemicky a mechanicky ji zpracovat a
živiny předat cévní soustavě. Nestravitelné zbytky potravy jsou vyvrhovány zpět do vnějšího
prostředí. Hlavní tkáně trávicí soustavy jsou - resorpční a žlázové epitely; vedlejší tkáně pak
svalovina, pojiva a nervová tkáň. Rozmělněná potrava je chemicky zpracována buď v dutině
trávicího ústrojí - extracelulární trávení - nebo jsou její částečky fagocytovány a teprve v
cytoplazmě zpracovávány - intracelulární trávení.
Hlavní rozdíly mezi trávením bezobratlých a obratlovců:
1. U bezobratlých se setkáváme také s intracelulárním trávením, u obratlovců tento typ
trávení chybí.
2. Secernující oddíly bezobratlých nejsou zpravidla odlišeny od resorpčních. U obratlovců
se vytváří zvláštní secernující orgány slinivka či játra, které nemají schopnost resorpce.
3. U bezobratlých se celý proces trávení odehrává zpravidla v jedné trávicí šťávě obsahující
všechny potřebné enzymy. U obratlovců jsou oddíly funkčně odděleny.
4. U bezobratlých neprobíhá trávení bílkovin v kyselém prostředí a nevyskytuje se u nich
proteolytický enzym obdobný pepsinu obratlovců.
2.1. Stavba trávící soustavy hmyzu
Potrava a tedy i trávicí soustava hmyzu je velmi rozmanitá (polyfágové, oligofágové,
monofágové). Někdy hmyz konzumuje i neobvyklou potravu jako je obsah rostlinného
xylému (některé ploštice, cikády), obratlovčí krev (ploštice, samice komárů), suché dřevo
(termiti), bakterie a řasy (larvy chrostíků) a tkáně jiných druhů hmyzu (larvy endoparazitických
vos).
Tomu se přizpůsobuje jednak ústní ústrojí a jednak struktura, charakter a funkce trávící
soustavy. Hmyz má poměrně složité ústní ústrojí v podobě článkovitých přívěsků. Základní
typ - kousací ústrojí (šváb) je často modifikován - běžně se setkáváme s ústním ústrojím
bodavě sacím (komár, mšice, ploštice), lízacím (moucha) nebo lízavě sacím (motýli).
Z hlediska původu a charakteru můžeme rozdělit potravu hmyzu do 4 kategorií:
Zdroj potravy - rostlinný Charakter potravy - pevný
- živočišný - tekutý
Jednotlivé druhy hmyzu se specializují na jednu skupinu nebo se dvě a více skupin
kombinuje (obr. 23), případně se může skupina během vývoje změnit (housenka - pevná
potrava x motýl - tekutá potrava).
Způsob trávení i morfologická stavba střeva závisí na povaze potravy. Hmyz přijímající
tuhou potravu má široké, přímé a krátké střevo se silnou svalovinou, a to je dobře chráněno
proti mechanickému poškození (housenky). Druhy přijímající tekutou potravu (krev,
48
49
rostlinné šťávy, nektar) mají střevo dlouhé, úzké a klikaté, tak aby byl zajištěn maximální
kontakt střevní stěny s tekutou potravou. Ochrana stěny proti poškození není nutná. Často se
setkáváme s nutností odstranit přebytečnou vodu, aby se získané živiny zkoncentrovaly před
vlastním trávením. Typickým příkladem je - filtrační komora - Homopter (viz kap. 2.1.2.).
Z výživného hlediska dochází u hmyzu k zajímavému uspořádání střeva. Přestože je
rostlinná potrava zpravidla chudá na živiny, bývá jí obvykle k dispozici dostatečné množství
a střevo je tedy krátké, bez míst, kde by se potrava ukládala. U masožravců je potrava velmi
bohatá na živiny a z výživného hlediska dobře vyvážená, ale je k dispozici jen občas (jen
když se podaří ulovit kořist). Střevo má proto obvykle velkou kapacitu.
2.1.1. Funkční anatomie trávící soustvy
Hmyz má stejně jako všichni členovci trávicí trubici (obr. 24 a 25) rozdělenou na tři části:
1. Stomodeum - přední střevo
2. Mesenteron - střední střevo
3. Proctodeum - zadní střevo
Stomodeum a proctodeum jsou ektodermálního původu a mají proto kutikulu zvanou intima;
mesenteron je entodermálního původu.
1. Stomodeum (přední střevo) - jeho úkolem je přijmout potravu, případně ji mechanicky
zpracovat a připravit na chemické trávení. Stomodeum se skládá se z následujících částí dutina
ústní, pharynx (hltan), oesophagus (jícen), ingluvies (vole) a proventriculus (žvýkací
žaludek) (obr. 24, 25 a 26), který se vytváří především u druhů přijímajících tuhou potravu v
typické podobě je u např. švábů, termitů a cvrčků.
Buňky stomodea jsou ploché, nediferencované a nemají sekreční ani vstřebávací funkci.
Kryje je intima, blána homologická kutikule, která bývá zpravidla nesklerotizovaná, skládá se
pouze z epi- a endokutikuly.
Dutina ústní - je často rozdělena na horní část - cibarium a spodní část - salivarium.
Nachází se zde - slinné žlázy. Často jsou modifikovány a mohou produkovat např.
antikoagulační látky nebo se mění ve snovací žlázy, které produkují hedvábí; slinné žlázy u
ploštic sajících rostlinné šťávy produkují látky tvořící filtr, který brání ucpání sosáku. Slinné
žlázy nebo jejich modifikované ekvivalenty dělíme podle jejich umístění na několik typů:
a. Mandinulární, hypofaryngeální a maxilární žlázy - nachází se u mnoha řádů.
Mandibulární žlázy u Lepidopter slouží jako slinné žlázy u housenek, ale chybí u dospělců.
Důležité jsou u sociálních Hymenopter, protože produkují feromony sloužící ke komunikaci
jedinců. Sekrety hypofaryngeálních a mandibulárních žláz včelích dělnic jsou využívány pro
krmení larev a regulaci jejich vývoje směrem do královny nebo do dělnic. O směru vývoje
rozhoduje poměr sekretů obou žláz spolu s kvalitou potravy: obecně řečeno jsou larvy, ze
kterých vyroste královna krmeny lépe, a tedy rostou více než je tomu u larev dělnic. Zdá se,
50
51
52
53
že potrava je primárním impulsem, který startuje další alternativní vývoj, který je řízen
především hormony. Všechny tři uvedené typy žláz jsou zpravidla tubulární.
b. Labiální žlázy - nacházíme je u většiny hmyzích řádů s vyjímkou Coleopter. Fungují
převážně jako slinné žlázy - zvlhčují potravu a umožňují její hladké polykání. Často již
obsahují enzymy zahajující trávení potravy. Nejčastěji obsahují amylázy trávící škrob na cukr
a invertázu trávící sacharózu na glukózu a fruktózu.
Ingluvies (vole) - slouží k ukládání potravy před jejím zpracováním. Jeho stěny jsou
složeny v záhyby, které se při naplnění roztahují a zvětšují tak kapacitu volete. U švába
Periplaneta americana je prázdné vole naplněno vzduchem.
Proventriculus (žvýkací žaludek) - je velmi variabilních tvarů, často obsahuje kutikulární
výběžky (zuby), které slouží k drcení potravy (obr. 24).
2. Mesenteron (střední střevo) - z funkčního hlediska představuje nejdůležitější část trávící
soustavy, protože zde dochází k chemickému trávení přijaté potravy a vstřebávání živin.
Mesenteron se skládá z trubicovitého - ventricula a často obsahuje slepé výběžky (caeca)
(obr. 24 a 25). Epiteliální výstelka bývá zřasena v záhyby (obr. 26). Smyslem jak slepých
výběžků, tak záhybů ventrikula je zvětšit plochu epitelu a posílit tak trávící a vstřebávací
funkci. Epiteliální buňky střevní sliznice zvané - hlavní buňky jsou protáhlé, sloupečkovité a
membrána na jejich povrchu je tvořena - mikrovilli (obr. 27), které se také efektivně podílí na
zvětšení plochy střeva. Mikrovilli bývají kryty vrstvou - glykoproteinů a mukopolysacharidů.
Hlavní buňky produkují enzymy a jsou charakteristické vysokým obsahem endoplasmatického
retikula a Golgiho aparátu. Syntéza enzymů je v nich zpravidla zahájena krátce po příjmu
potravy a enzymy jsou pak průběžně sekretovány do lumenu střeva. Vlastní sekrece probíhá
několika způsoby:
- exocytózou - membránově vázané vesikuly obsahující enzymy se posouvají periferálně,
fúzují s membránou a uvolňují svůj obsah do lumenu
- apokrinní sekrecí - distální část buňky se oddělí do lumenu a tam vypouští svůj obsah
- uvolněním ("vypučením") vesikulů přímo z mikrovillů, kdy se vytlačí jejich obsah přes
membránu do lumenu
Hlavní buňky mají omezenou životnost a jsou nahrazovány z - regenerativních buněk, které
se nachází v bazální části epitelu (obr. 27). Často zde tvoří skupiny zvané - nidi, které se
nachází ve vnořených útvarech - kryptech (např. u brouků).
U housenek Lepidopter (ale i u Ephemeroptera, Plecoptera) se vyskytují - pohárkové
buňky (goblet cells), které produkují sekret o vysoké koncentraci K+
iontů. Tvorba takového
sekretu je energeticky velmi náročná (velká spotřeba ATP) a její mechanismus spočívá v tom,
že protonová pumpa pumpuje H+
kationty do lumenu střeva, ty se zase vrací zpět a
antiportem exportují K+
ionty do lumenu. Draselný sekret je využit na vytvoření vhodného
elektroche-mického gradientu využívaného pro vstřebávání dalších iontů.
54
55
Některé buňky středního střeva mají endokrinní funkce. Předpokládá se, že produkované
hormony slouží k regulaci sekrece a činnosti trávících enzymů.
Na rozhraní předního a zadního střeva se tvoří - peritrofická membrána (obr. 27 a 28),
která obaluje zpracovávanou potravu a zamezuje tak jejímu přímému kontaktu se sliznicí
středního střeva. Peritrofická membrána hraje významnou roli při trávícím procesu, protože
chrání buňky epitelu před působením enzymů, ale i mechanicky. Je to jemná blána, která má
podobné složení jako kutikula - obsahuje chitin, bílkoviny a glykoproteiny. Peritrofická
membrána je perforována drobnými póry, kterými prochází malé molekuly, zatímco velké
molekuly, bakterie a částečky potravy zůstávají ve střevě. Většina trávícího procesu probíhá
uvnitř prostoru vymezeného membránou čili v - endoperitrofickém prostoru. U některých
druhů je zde však trávení pouze zahájeno a jeho větší část probíhá vně (mezi peritrofickou
membránou a sliznicí) - čili v ektoperitrofickém prostoru. Finální fáze trávení probíhá
zpravidla na povrchu střevních mikrovillů, kde se enzymy nachází buď v
mukopolysacharido-vé vrstvě nebo v buněčné membráně. Peritrofická membrána vytváří
permeabilní bariéru a odděluje jednotlivé fáze trávení.
Trávenina obsahující molekuly natrávené potravy a trávící enzymy cirkuluje ve středním
střevě tj. proudí posteriorním směrem v endoperitrofickém prostoru a anteriorním zase v
ektoperitrofickém oddíle (obr. 28). Tato cirkulace usnadňuje trávení přesunem molekul do
míst konečného rozkladu a absorpce. Šetří také enzymy jejich přesunem z potravní masy před
tím, než se tato dostává do zadního střeva.
Ve středním střevě se často nachází - mycetomy a fermentační komory - které obsahují
symbiotické mikroorganismy podílející se na trávení hůře rozložitelných živin.
Na rozhraní středního a zadního střeva ústí do trávící soustavy - Malpighické trubice (viz
kap. 4.1.)
3. Proctodeum (zadní střevo) - se zpravidla dělí na ileum, colon a rectum (obr. 28). Buňky
proctodea jsou kryty kutikulou a mají zřasené apikální konce, ve kterých se nachází vetší
množství mitochondrií. U některých druhů hmyzu se zde nachází - fermentační komory, které
dokončují trávení těžce stravitelné potravy. Proctodeum je různě utvářené a slouží resorpci
vody nebo solí (anální papily - viz kap. 4.1.). Ústí řitním otvorem ven z těla.
Jednotlivé části trávící trubice jsou odděleny - valvami, které zabraňují zpětnému pohybu
potravy. Jsou to vlastně jakési chlopňovité vchlípeniny končícího oddílu do oddílu
následujícího. Mezi stomodeem a mesenteronem se vytváří - stomodeální (proventrikulární)
valva a mezi mesenteronem a proctodeem - pylorická valva (někdy se tato oblast označuje
jako pylorus).
56
57
Svalovina střeva - je složena z příčně pruhovaných svalů. Svalovina je dvojího typu (viz
kap. 1.2.2.) - externí (sval se napojuje na střevo a integument) a interní (sval je spojen jen se
střevem). Externí svalovina se nachází ve stomodeu a proctodeu a má ve střevě dilatační
funkci. Interní svalovina zahrnuje kruhové a podélné svaly okolo střeva. Je dobře vyvinuta
okolo hltanu a žvýkacího žaludku, kde se podílí na činnosti valv a drcení potravy. Interní
svalovina se nachází také ve středním střevě, kde je podélná svalovina uložena vně kruhové.
Nachází se také v proctodeu, kde se podílí na činnosti valvy a posouvání nestrávených zbytků
potravy do rekta.
Svalovina stomodea a mesenteronu je inervována a činnost střeva řízena stomatogastrickým
nervovým systémem z frontálního ganglia (viz. kap. 8.3.3). Proctodeum je kontrolováno
z terminálního abdominálního ganglia.
2.1.2. Filtrační komora
Výše uvedené uspořádání trávící soustavy může být různým způsobem modifikováno, aby
morfologicky a funkčně odpovídalo nároků daného organismu a charakteru přijímané
potravy. Velmi specifickou modifikací trávicí soustavy je - filtrační komora - Homopter (obr.
29). Toto uspořádání se vyvinulo u druhů, které přijímají tekutou rostlinnou potravu
relativně velmi bohatou na cukry nebo minerální látky. Naopak ostatní živiny, především pak
organické dusíkaté látky, jsou v ním velmi zředěné.
Princip filtrační komory spočívá v tom, že přední část střeva je v těsném kontaktu se zadní
částí střeva. Zpravidla je začátek středního střeva zanořen do zadního střeva nebo je kličkami
zadního střeva obtočen, toto uspořádání umožňuje filtraci vody a malých molekul, hlavně
cukrů, které pak procházejí rychle jako odpad přímo do zadního střeva aniž by se
podrobovaly trávení. Zachyceny jsou tak především cenné dusíkaté látky, které jsou v
koncentrované podobě vystaveny vlastnímu trávení. To probíhá v další části středního střeva,
které zpravidla tvoří velkou smyčku volně uloženou v těle a omývanou hemolymfou - zde
také dochází k intenzivní absorpci živin. Malpighické trubice se napojují na střední střevo
ještě před filtrační komorou a odpadní látky se tak filtrují přímo do zadního střeva. Někdy
dochází k takovému uspořádání kliček středního a zadního střeva, že pohyb tekutin je v
trubicích, které se vzájemně dotýkají protisměrný (detail obr. 29) - to zvyšuje rychlost a
účinnost filtrace.
Filtrační komora je charakteristická pro druhy sající na xylémové části rostlin (cikády), ale
nachází i u druhů sajících na floémové části rostlin (opět některé druhy cikád, křísi). První
skupina hmyzu saje rostlinné šťávy bohaté na ionty a chudé na organické látky - musí se
proto zbavovat hlavně přebytečných solí a vody. Zástupci druhé skupiny se živí naopak
šťávami bohatými na výživné látky, hlavně pak na cukry a musí se vyrovnat s vysokým
osmotickým tlakem potravy. Filtrační komora takových druhů transportuje cukry (zřejmě
aktivně) a vodu (pasivně) přímo do rekta, odkud se především cukry eliminují jako ­
58
59
medovice (podstatná součást tmavého medu). Zajímavé jsou zde osmotické hodnoty - v
medovici, která je složena z 80% z cukrů je osmotický tlak asi 550 mOsm/kg. Ve filtrační
komoře je jeho hodnota asi 450 a v hemolymfě dokonce jen 300 mOsm/kg. Existence
takových osmotických rozdílů je zřejmě zajištěna neprostupností rektální stěny.
2.2. Trávení potravy
Trávení potravy je zahájeno slinami, které jsou uvolňovány ze slinných žláz. Sliny potravu
zvlhčují a upravují její pH (častá je produkce alkalických látek) a vytváří vhodné prostředí
pro činnost enzymů. Jejich zastoupení závisí na druhu přijímané potravy. Zvláště významná
je činnost slin u druhů s extraintestinálním trávením (některé druhy Hemipter) - trávící
enzymy jsou zde transportovány do potravy, která je tak ztekucována a pak nasávána zpět.
Podstatná část trávení se odehrává ve středním střevě, kde epiteliální buňky produkují
trávící enzymy a také absorbují základní živiny. Činností enzymů dochází k rozkladu
polymerů (nejčastěji cukerných a bílkovinných) na malé monomery. pH je ve střevě více
méně neutrální 6 - 7,5, velmi často však zásadité pH 9-12, a to hlavně u býložravých druhů, u
některých Dipter je kyselé. U masožravců obecně převládá kyselé pH v důsledku
bakteriálního kvašení, někdy je přítomna kyselina fosforečná. Vyšší pH u býložravců brání
vazbě taninů na potravní bílkoviny, u druhů s nižším pH je tvorba komplexu tanin - bílkovina
omezena přítomností detergentů.
Obecně platí, že enzymatická výbava střeva odpovídá typu přijímané potravy. Např.
moucha tse-tse (Glossina), která se živí jen krví obratlovců, vykazuje velkou aktivitu
proteolytických enzymů. Naproti tomu u motýlů, jejichž imága se živí nektarem tyto enzymy
zcela chybí. Rozdílná enzymatická výbava se vyskytuje u larev a imág Holometabol, pokud
se obě vývojová stádia liší v typu přijímané potravy.
Trávení základních živin
- trávení bílkovin - je zajištěno endo- a exopetidázami, štěpící peptidické vazby bílkovin.
Základními a nejčastějšími peptidázami jsou serinové proteázy trypsin a chymotrypsin, které
obsahují na svém aktivním místě molekulu serinu. U mnohých brouků a krevsajících
Hemipter jsou hlavními proteázami - cathepsiny - endopeptidázy s cysteinem nebo kyselinou
asparágovou na aktivním místě. Neobvyklým enzymem je - kolagenáza - která se nachází u
larvy mouchy Lucillia, a která umožňuje trávení kolagenu.
Zajímavé je také trávení keratinu (vlna, vlasy, peří), který obsahuje 8 - 16% cysteinu
("vulkanizovaná" bílkovina) a je tedy velmi stabilní. Přesto ho mohou některé druhy hmyzu
trávit - např. mol šatní nebo kožojedi. Děje se tak pomocí kokteilu proteolytických enzymů v
čele s cystein-desulfhydrázou štěpící cysteinové můstky.
- trávení glycidů - je poměrně jednoduché v případě trávení jednoduchých cukrů, škrobu a
glykogenu. Tyto látky jsou tráveny endo- a exoamylázami.
60
Složitější je trávení celulózy, hlavního stavebního komponentu zelených rostlin. Trávení
celulózy je schopno jen malé množství hmyzu, a i tak je téměř ve všech případech závislé na
symbiotických organismech. To je typické např. pro termity - některé druhy tráví celulózu
pomocí bičíkatých prvoků. Hmotnost těchto symbiontů může představovat až 25% hmotnosti
těla. Jiní termiti tráví celulózu pomocí hub. Houby pěstují ve speciálních ,,zahrádkách" na
výkalech tvořených rozkousanými a jen částečně natrávenými rostlinnými zbytky. Živí se pak
houbami, které tráví celulózu a dostávají tak do těla nejen potravu, ale i vlastní enzym celulázu.
Jiné skupiny hmyzu živící se rostlinami tráví celulózu pomocí bakterií - např.
brouci, cvrčci, švábi. Zdá se, že někteří termiti čeledi Termitidae mohou produkovat i vlastní
celulázu, ale není to bezezbytku prokázáno.
- trávení tuků - je u hmyzu málo prozkoumáno. Ví se, že některé buňky středního střeva
produkují esterázy, které mají substrátovou specificitu. Jiné buňky produkují hydrolázy.
Velmi složité je trávení vosků, které bylo prokázáno u zavíječe voskového Galleria
mellonella (Lepidoptera).
2.3. Trávení a mikroorganismy
U hmyzu se často setkáváme s intra- nebo extracelulárními mikroorganismy (symbionty),
kteří se podílí na metabolismu živin nebo zajišťují produkci vitamínů, sterolů (význam pro
syntézu svlékacích hormonů) aminokyselin nebo glycidů. Symbionty mohou být bakterie,
kvasinky, jednobuněčné houby a prvoci. Se symbionty se ve velké míře setkáváme u
býložravých a všežravých druhů - Homoptera, Heteroptera, některé druhy brouků, motýlů,
švábi, termiti, někteří mravenci atd. U masožravců se vyskytují symbionti ve velmi omezené
míře nebo jen vzácně. Z toho plyne, že mikroorganismy jsou nezbytnou součástí metabolismu
u těch druhů hmyzu, které mají ,,nedostatečnou" tj. značně jednostranně zaměřenou dietu.
Jsou to obecně druhy, kterým chybí esenciální látky nebo tráví substance (lignin, celulóza),
na které vlastní enzymatická výbava nestačí.
Přenos symbiontů na čerstvě vylíhnuté jedince se děje v zásadě dvěma způsoby:
1. Orální přenos - je typický pro střevní symbionty. Tento typ symbiontů je obsažen ve
výkalech, které kontaminují potravu a dostávají se tak do střeva mladých jedinců při příjmu
potravy. U některých ploštic čerstvě vylíhlí jedinci žerou speciální kapsule, které obsahují
symbionty - tyto kapsule jsou součástí vajíčka. Typičtí extracelulární symbionti se nachází v
lumenu středního nebo zadního střeva (např. bakterie a bičíkovci, kteří tráví celulózu u
termitů). Intracelulární symbionti se mohou vyskytovat v buňkách střevního epitelu.
2. Transovariální přenos - přenos symbiontů z ovarií matky do vajíčka nebo embrya před
vykladením. Tento způsob se vyskytuje u Homopter, švábů a dalších. Takoví symbionti se
pak nachází v buňkách - mycetocytech - v tělní dutině nejčastěji v tukovém tělese, střevě
nebo gonádách. Někdy se mycetocyty agregují a tvoří orgány zvané - mycetomy.
61
Jak už bylo zmíněno v souvislosti s trávením celulózy je zvláštním případem existence
symbiontů u hmyzu udržování symbiotických hub (mimo tělo), které některé druhy mnohdy
značně důmyslně pěstují na dřevěném substrátu, který je tak převáděn do poživatelné formy.
Vyskytuje se u mravenců, termitů a některých dřevokazných vos a brouků.
2.4. Tukové těleso
Důležitou roli v intermediárním metabolismu hmyzu hraje - tukové těleso - funkční analog
jater, kde probíhají všechny důležité metabolické děje. Tukové těleso vyplňuje abdomen i
thorax a zasahuje i do hlavy a končetin. Je obvykle bílé, nažloutlé nebo zelenavé barvy a
lalokovité nebo pruhovité struktury. Toto uspořádání naznačuje metabolicky aktivní orgán,
protože zajišťuje velkou styčnou plochu s hemolymfou a také umožňuje značnou tracheizaci.
Výměna metabolitů je tak snadnější a rychlejší.
Tukové těleso se zpravidla se dělí na 2 části - svým umístěním, ale i funkčně (obr. 30):
a) periviscerální tukové těleso - obklopuje zažívací trakt
b) periferální tukové těleso - leží pod kutikulou
Tukové těleso obsahuje několik typů buněk:
- trofocyty (adipocyty) - jsou odpovědné za většinu metabolických procesů, slouží také k
ukládání živin. Zvětšují se během postembryonálního vývoje, dochází v nich k akumulaci
živin - tuků, bílkovin, glykogenu. Ke konci vývoje jsou to jedny z největších buněk v
organismu.
- mycetocyty - jsou v nich soustředěny intracelulární bakterie, pomáhají trávení některých
složitě rozložitelných živin.
- chromatocyty - ovlivňují zbarvení tukového tělesa, obsahují granule pigmentů.
- oenocyty - vysoce specializované buňky ektodermálního původu. Vyskytují se buď
segmentálně nebo jsou řídce rozptýleny. Jejich funkce není zcela jasná (jsou i v jiných
částech těla), prodělávají cyklické změny během svlékání a mají vztah k tvorbě a sekreci
lipoproteinových látek pro novou epikutikulu - resp. její kutikulínovou část. In vitro
kultivované oenocyty produkují - ekdysteroidy.
- urátové buňky (urocyty) - shromažďují některé odpadní produkty metabolismu (kyselina
močová).
Metabolické pochody probíhající v tukovém tělese (podobně jako sekrece, zastoupení i
množství zásobních látek) závisí na mnoha faktorech - svlékání, stres, výživa, reprodukce,
diapausa. Úlohy tukového tělesa v intermediárním metabolismu můžeme rozdělit zhruba do
dvou kategorií, mezi nimiž však není ostrá hranice:
1. Syntéza a sekrece - v tukovém tělese se syntetizuje celá řada významných látek. Mezi
nejdůležitější patří:
62
63
- zásobní proteiny (storage proteins) - velká skupina larválních proteinů, které se v případě
potřeby syntetizují v tukovém tělese a hromadí v hemolymfě (jejich funkce jsou podrobně
popsány v kapitole 5.1.2.). Dělí se na - arylphoriny, což jsou proteiny bohaté na aromatické
aminokyseliny, kterých je v molekule až 18 - 26% (např. calliphorin - v posledním larválním
instaru mouchy Calliphora erythrocephala představuje až 75% proteinů hemolymfy),
methionin bohaté proteiny (methionine-rich storage proteins) a ostatní zásobní proteiny, kam
patří proteiny, které se některými svými vlastnostmi odlišují od uvedených skupin.
- vitellogenin - samičí glykolipoprotein transportovaný hemolymfou do ovárií, kde se v
oocytech hromadí jako vitellin (podstatná součást žloutku) a vyživuje vyvíjející se embryo
(viz kap. 11.).
- lipoproteiny a lipophoriny - nejčastěji zastoupené proteiny vyskytující se někdy ve velké
koncentraci, tvoří nejednotnou a variabilní skupinu. Jejich hlavní funkcí je transport
hydrofobních i jiných molekul hemolymfou (viz kap. 5.1.2.).
- juvenile hormone binding proteins - proteiny podílející se na transportu juvenilních
hormonů (viz kap. 10.2.2.) v hemolymfě (patří mezi lipophoriny).
- hemoglobin - u larev Chironomus (Diptera) - jde pravděpodobně také o zásobní protein s
funkcí přenosu kyslíku (viz kap. 3.2.1.).
- diapauzní proteiny - jsou syntetizovány v období diapauzy (viz kap. 7.2.), mají zpravidla
zásobní funkci.
2. Mobilizace a ukládání rezerv - které se užívají jako prekursory pro metabolismus v
jiných tkáních: lipidy, glykogen a bílkoviny.
Tukové těleso hraje důležitou roli také v metabolismu cukrů (obr. 30 a 31). Hlavním
hmyzím cukrem je neredukující disacharid - trehalóza ( -D-glukopyranosyl- -Dglukopyranosid).
Fyziologický význam trehalózy spočívá v její transportní funkci, protože
umožňuje usnadněný transport glukózy ze střeva do hemolymfy tím, že udržuje v hemolymfě
difúzní gradient nutný pro tento přechod. Jde o cyklus glukózy, která je přeměňována na
trehalózu v tukovém tělese (částečně i v jiných tkáních) a trehalóza na glukózu opět ve střevě.
Významnou roli zde hraje střevní trehaláza, která zabraňuje ztrátě trehalózy exkrecí.
Hlavní úlohou tukového tělesa larev je syntetizovat a ukládat rezervy pro růst a svlékání,
pro období vývoje kukly a někdy i pro rozmnožování. Imaginální tukové těleso slouží hlavně
jako místo syntézy materiálu nutného pro reprodukci a let.
Metabolismus je v tukovém tělese řízen neuroendokrinně s pomocí juvenilního hormonu a
ekdysonu. Ekdyson ovlivňuje celkovou syntézu bílkovin, zatímco juvenilní hormon, buď sám
nebo spolu s ekdysonem ovlivňuje produkci vitelogeninů.
64
65
3. Dýchání
Dýchací proces zásobuje organismus kyslíkem a zajišťuje tak průběh biochemických
procesů, při kterých dochází k oxidaci látek za uvolnění energie, která se chemicky
konzervuje ve formě makroergických sloučenin ATP a využívá podle potřeby na zajištění
životních funkcí organismu. Odpadními produkty aerobního metabolismu jsou voda a oxid
uhličitý případně (u bílkovin) amoniak. Menší část energie se uvolňuje, a tedy menší počet
molekul ATP se produkuje i v anaerobní části metabolismu během anaerobní glykolýzy,
která aerobním procesům předchází a jejímž výsledkem je produkce kyseliny pyrohroznové,
která představuje podstatnou část vázané energie uvolňované až při oxidační dekarboxylaci
(vznik acetyl-koenzymu A) a následně pak v citrátovém cyklu (obr. 32).
Enzymatická výbava zajišťující hmyzí anaerobní biochemické procesy se částečně
odlišuje od klasického pojetí známého u obratlovců. U obratlovců dochází ve svalech za
nedostatku kyslíku k redukci pyruvátu na laktát, děj je katalyzován laktátdehydrogenázou.
Děje se tak proto, aby se regeneroval (oxidoval) nikotinamidadenindinukleotid: NADH2
NAD a byl tak k dispozici v dostatečném množství pro transport vodíku. U bezobratlých však
zpravidla laktátdehydrogenáza chybí, a proto je zmíněná reakce nahrazena jinou reakcí redukcí
dihydroxyacetonfosfátu na -glycerofosfát za katalytického působení glycerofosfátdehydrogenázou
(obr. 33). Smyslem této reakce je stejně jako u obratlovců produkce volného
nosiče H+
kationtů - koenzymu NAD.
Primárním dýchacím orgánem všech živočichů je - integument. U hmyzu je však tato
funkce integumentu značně komplikována jeho stavbou a především přítomností pro plyny
značně nepropustnou kutikulou. Difúze plynů přes ni je proto zvláště u suchozemského
vzduchu zanedbatelná a ve většině případů naprosto nedostatečná pro zásobování těla
kyslíkem. Proto se v průběhu evoluce hmyzu vytvořilo několik mechanismů zajišťujících
efektivní zvýšení výměny plynů a umožňujících aktivní způsob života i určité zvětšování
velikosti těla:
- zvětšení dýchacího povrchu - vzniká tracheální dýchací soustava, jejíž složitá stavba
zajišťuje velké zvětšení dýchacího povrchu
- posílení mechanismu difúze - cílená difúze kyslíku tracheální soustavou je velmi
efektivní, protože kyslík se dostává přímo na místo určení a cesta tkáňové difúze (viz kap.
3.1.1.) je velmi krátká
- udržování vysokého koncentračního spádu - výměna vzduchu v tracheální soustavě se
uskutečňuje ventilačními pohyby, které zajišťují udržování vysokého koncentračního
gradientu kyslíku mezi tkáněmi a okolním vzduchem
66
67
68
U hmyzu se jako u zástupců vzdušnicovců vytváří dokonalá soustava trubic zasahující do
všech částí těla, zvaná tracheální dýchací soustava (obr. 34), která zajišťuje zásobování těla
kyslíkem přímo, bez účasti tělních tekutin. V klasické podobě se vytváří u suchozemského a
některých skupin vodního hmyzu, u jiných skupin vodního hmyzu doznává různých
modifikací a přizpůsobení.
3.1. Tracheální orgány a dýchání u suchozemských druhů hmyzu
Tracheální soustava představuje systém otevřených trubic - trachejí neboli vzdušnic,
složitě rozvětvených v těle (obr. 34 a 35). S vnějším prostředím komunikují tracheje otvory průduchy
- stigmaty neboli spirakuly a uvnitř těla se postupně větví a do tkání vstupují v
podobě velmi jemných chodbiček - tracheol.
- stigma - je uzavíratelné a uzávěr funguje jako filtr nebo regulátor ventilace. Primitivní
druhy hmyzu mají větší počet stigmat, obecně pár na každý postcephalický článek. Největší
počet je však 10 párů (2 thorakální a 8 abdominálních), ale většinou se setkáváme s 8-9 páry,
u Dipter s jedním párem a u řady larev vodního hmyzu stigmata chybí úplně, pak mluvíme o apneustických
larvách (obr. 34). Neznamená to však, že zde není tracheální soustava
vyvinuta, ale pouze to, že se tracheje neotevírají do vnějšího prostoru. Stigma se skládá z atria
a mechanické záklopky neboli valvy, která je ovládána svalstvem odpovědným za
otvírání a zavírání stigmat (obr. 35). Obvod stigmatu bývá silně chitinizován a od ostatní
kutikuly je někdy kloubnatě oddělen. Atrium je často opatřeno různými zařízeními, která
vdechovaný vzduch filtrují a zamezují vniknutí cizího tělesa do vzdušnice.
- tracheje - jsou to vchlípeniny kutikuly, které vedou vzduch přes silné - tracheální kmeny
až do tracheol ve tkáních. Stavba tracheje (obr. 35) je obdobná jako u integumentu.
Nacházíme zde ploché buňky tvořící epiteliální matrix, která je na vnější straně obalena
bazální membránou. Směrem dovnitř epiteliální buňky vylučují kutikulu, která je stejně jako
povrchová kutikula rozdělena na epi-, exo- a endokutikulu. Celá kutikulární vrstva je jemná a
nazývá se - tracheální intima. Vrstva exokutikuly má ve vzdušnicích zcela zvláštní tvar a
funkci: netvoří zde souvislou vrstvu, ale je vyvinuta v podobě šroubovitě vinutého, velmi
pevného a pružného vlákna, které udržuje vzdušnici ve stavu stálé napnutosti. Toto vlákno se
nazývá - taenidium. Mezi vytvořenými závity taenidiem zpevněné vzdušnice se nachází
pouze intima, kterou mohou difundovat plyny.
- tracheoly - během svého průběhu v těle se vzdušnice větví až do nejtenších tracheálních
trubiček, které pronikají do orgánů a jejich tkání (obr. 35 a 36). Na koncích těch nejtenších
vzdušnicových větévek, které ještě mají taenidium, se nachází hvězdicovité tracheální buňky.
Z výběžků těchto buněk vybíhají kapilární trubičky zvané - tracheoly, které mají velmi
jemnou kutikulu, jsou bez taenidia a jsou propustné jak pro plyny, tak pro kapaliny. Jejich
průměr se pohybuje okolo 1 m. Tracheoly pronikají mezi buňky jednotlivých orgánů a
69
70
71
72
vytvářejí v nich - tracheolární síť. Úkolem tracheol je přivádět kyslík až do nitra jednotlivých
tkání.
Objem tracheální soustavy se pohybuje mezi 5 - 50% tělního objemu, což ale závisí na
vývojovém stadiu i druhově. Je zřejmé, že pohybově aktivnější druhy mají objemnější, a tedy
výkonnější tracheální soustavu. U některých druhů se tracheje rozšiřují a vytváří tak prostor
pro zásoby vzduchu. Někdy je rozšíření natolik velké, že se útvar nazývá - vzdušný vak
(včela, kruhošví - Diptera). Vzdušný vak kromě dýchací funkce také zlepšuje letové
vlastnosti. Vzdušné vaky mají zpravidla velmi tenké taenidium, to někdy může i chybět.
Někdy se vzdušné vaky během vývoje redukují růstem okolních tkání.
3.1.1. Mechanismus výměny plynů
Kyslík vstupuje do tracheální soustavy stigmaty a postupuje trachejemi do tracheol jednak
na základě - difúze umožněné existencí koncentračního gradientu, který je zajištěn vysokým
obsahem kyslíku ve vzduchu a nízkým obsahem ve tkáních a jednak na základě - ventilace. Z
tracheol pak vstupuje kyslík přímo do tkání. Do tracheol se zároveň z tkání uvolňuje oxid
uhličitý, který spolu s vodními parami postupuje tracheálním soustavou ven z těla.
Difúze
Difúze má v tracheální soustavě dvě fáze. První fází je transport kyslíku trachejemi neboli
vzdušná difúze a druhou fází je transport kyslíku v cytoplazmě neboli tkáňová difúze.
Rychlost difúze závisí na několika faktorech - molekulové hmotnosti, takže kyslík difunduje
rychleji než oxid uhličitý, koncentračním spádu a propustnosti systému (vzduch v trachejích).
Výsledkem těchto faktorů je skutečnost, že kyslík difunduje ve vzduchu 100 000krát rychleji
než ve vodě či tkáních, takže pro proces difúze kyslíku je limitující spíše cesta z konečků
tracheol do mitochondrií tkáně než ze stigmat do tracheol. Délka tkáňové difúze je tak
hlavním limitujícím faktorem velikosti tkání, obzvláště u létacích svalů, které mají vysoké
požadavky na spotřebu kyslíku. Druhotně se tento fakt promítne i do možností velikosti
celého hmyzího těla.
Přestože má oxid uhličitý vyšší molekulovou hmotnost než kyslík proniká díky vyšší
rozpustnosti ve vodě tkáněmi 36krát rychleji než kyslík, takže limitující difúzní možnosti
jsou dány kyslíkem nikoliv oxidem uhličitým. Ten se navíc díky své rozpustnosti může
snadněji hromadit ve tkáních nebo v hemolymfě.
Malé množství kyslíku přijímá hmyz také difúzí přes kutikulu a integument, zpravidla je
to však jen velmi malé procento. Většího významu tento způsob nabývá u endoparazitických
a vodních druhů hmyzu, kde je spojen s apneustickou tracheální soustavou. Určitý význam
může mít také u malých druhů s příznivým poměrem povrchu a objemu těla.
73
Předpokládá se, že difúze se uplatňuje jako výlučný mechanismus výměny plynů hlavně u
malých druhů hmyzu nebo během abiotických stavů (např. kviescence).
Ventilace
K ventilaci tracheální soustavy dochází změnami jejího objemu. Tento proces však není
tak jednoduchý, protože většina trachejí je kruhového průřezu a navíc vystužena taenidiem,
což činí celý systém odolný proti změnám tlaku okolních tkání. Nicméně např. tracheální
kmeny jsou schopny měnit objem a při stlačení vypuzují vzduch ven, zatímco při roztažení
ho nasávají zpět. Mnohem efektnější je však činnost vzdušných vaků, kde jsou vdechové a
výdechové objemy mnohem větší. Tato činnost je ve velké míře závislá na změnách tlaku
hemolymfy, kterých je dosaženo snížením objemu abdomenu a přesunem hemolymfy mezi
různými částmi těla. Toho je dosaženo především rytmickými dýchacími pohyby, které
dělíme na - dorsoventrální zplošťování a rozepínání zadečku a teleskopické zasouvání a
vysouvání tělních článků (obr. 37).
Vstup kyslíku do tkání
Do tkání se kyslík dostává přímo z koncové tracheální hvězdicovité buňky přes tracheoly
(obr. 38). V základním klidovém stavu jsou tracheoly vyplněny - serózní tekutinou. Obsah
tekutiny v tracheolách je výsledkem rovnováhy mezi kapilárními silami, které udržují
tekutinu v tracheolách a mezi bobtnací osmotickou silou koloidálních látek v cytoplazmě
zásobované tkáně, která vysává tekutinu z tracheol. V době klidu kdy je osmotický tlak
nízký, převládají kapilární síly, a proto jsou tracheoly vyplněny tekutinou. V době
zvyšujícího se metabolismu, např. u pracujícího svalu, dochází ke štěpení glykogenu na
glukózu, což má za následek růst osmotického tlaku, který převáží nad kapilaritou a tekutina
je nasáta do tkáně. Vzduch postupující za tekutinou se tak dostává do přímého styku s tkání
(svalem) a kyslík tak může být osmoticky odebírán buňkami přímo z konečků tracheol.
Oxidačním procesem v tkáni pak dojde k poklesu osmotického tlaku a tekutina je kapilaritou
nasávána zase zpět do tracheol. Potom se celý proces opakuje a probíhá stále dokola.
Řízení výměny plynů
Plynová výměna je u hmyzu pečlivě kontrolována nejen z důvodů zásobování tkání
kyslíkem a nutností odstraňování oxidu uhličitého, ale přistupuje zde další, u hmyzu velmi
významný faktor, a to je ztráta vody během dýchacího procesu. Zvláště u suchozemských
druhů hmyzu je intenzita dýchání vždy výsledkem kompromisu mezi potřebou kyslíku ve
tkáních a ztrátou vody vydechovaným vzduchem. V období klidu (bez pohybu) jsou většinou
stigmata zavřena a otevírají se pouze periodicky, aby se co nejvíce omezily ztráty vody. U
druhů dobře přizpůsobených suchému podnebí nacházíme stigmata velmi malá, hluboko
74
75
76
zapuštěná do kutikuly a opatřená složitými kutikulárními výrůstky, které ztráty vody snižují
na minimum.
Řízení výměny plynů je zajištěno jednak otevíráním a zavíráním stigmat a jednak řízením
dýchacích pohybů. Práce obou mechanismů je pečlivě koordinována. Tato koordinace
umožňuje jednosměrný tok plynů v tracheálním systému - anteriorní stigmata tak zpravidla
slouží k nádechu a posteriorní k výdechu plynů.
- činnost záklopky stigmatu - je kontrolována svaly inervovanými motoneurony z ganglií
stejného nebo nejbližšího předního segmentu. Frekvence motorických impulsů závisí na
všech třech faktorech - (a) potřebě kyslíku, (b) hromadění oxidu uhličitého i (c) množství
vody v organismu.
- řízení ventilačních pohybů - je zajištěno abdominálními ganglii, jejichž motoneurony
produkují rytmické impulsy s vysokou automacií. Tomu je nadřazeno centrum v
metathorakálním gangliu. Spuštění ventilačních pohybů je ovlivněno především akumulací
oxidu uhličitého a v menší míře také nedostatkem kyslíku v tracheální soustavě.
3.2. Tracheální orgány a dýchání vodních druhů hmyzu
Vlastnosti kyslíku - obsah kyslíku ve vzduchu je 200 000 ppm (parts per million), ale ve
vodě maximálně pouze 15 ppm (ve studené, kyslíkem nasycené vodě). Přesto musí vodní
hmyz kyslík z vody získávat, i když některé druhy mohou vydržet i delší dobu v anoxických
podmínkách. Anaerobní respirace však obecně funguje jen na buněčné úrovni a poskytuje
pouze 19x méně energie než aerobní respirace.
Obsah kyslíku ve vodě závisí na řadě faktorů - jako jsou teplota, salinita, parciální tlak. Ve
stojatých vodách se při sycení vody kyslíkem uplatňuje především difúze, což je
mechanismus značně pomalý. Navíc je zde kyslík spotřebováván bakteriemi a rostlinami, což
vede až k - bentické anoxii. Změny obsahu kyslíku v takové vodě jsou spíše sezónního
charakteru.
Obsah kyslíku v tekoucí vodě je relativně vysoký, zvláště pak ve vodě studené. Kolísá
však značně činností zelených organismů, které ve dne kyslík produkují a v noci
spotřebovávají. Změny obsahu kyslíku v takové vodě jsou spíše circadiánního charakteru.
Výměna plynů ve vodě - přestože je hmyzí kutikula pro kyslík značně nepropustná, tak se
určité malé množství kyslíku do těla difúzí neustále dostává i ve vodě. Efektivnost tohoto
mechanismu je však značně malá, množství takto získaného kyslíku může stačit jen
nejmenšímu vodnímu hmyzu jako jsou počáteční instary některých Dipter a Trichopter. Větší
druhy musí získávat kyslík aktivně. Setkáváme se zde se dvěma strategiemi - příjem kyslíku z
vody a příjem atmosférického kyslíku ze vzduchu. Obě metody mají velkou řadu modifikací,
rozmanité způsoby realizace a někdy se rozdíl mezi nimi stírá.
77
3.2.1. Dýchání u hmyzu přijímajícího kyslík z vody
Vodní druhy hmyzu, které zvolily tuto strategii mají - uzavřený tracheální systém, což
znamená, že jejich stigmata jsou nefunkční - hovoříme o apneustických druzích hmyzu. Patří
sem např. larvy jepic, pošvatek, chrostíků, vážek, některých vodních brouků atd. Kyslík se u
těchto druhů hmyzu dostává do těla prostřednictvím - tracheálních žáber (obr. 39). Jsou to
lamelární, členité útvary kryté velmi tenkou kutikulou a jsou uspořádané tak, aby vytvářely
co největší povrch a zásobovaly tak snadněji tělo kyslíkem. Jsou protkány normálními
vzdušnicemi. V žábrách je kyslík zachycován dýchacím epitelem, odkud difunduje do
tracheol žáber a dále se šíří v plynném stavu vzdušnicemi do tkání, kde se předává stejným
způsobem jako je tomu u suchozemského hmyzu. Žábry jsou zpravidla abdominální nebo
kaudální, ale mohou být i na bázi nohou, maxilách, anusu nebo dokonce v rektu, kde se
nazývají - střevní tracheální žábry. Nacházíme je u vážek, kde je síť tracheol rozvětvena v
rozšířené stěně konečníku (obr. 39). Kyslík se do nich dostává z vody nasávané a vypuzované
rektem. Žábry často kmitají, jsou v blízkosti pohybových orgánů nebo jsou zvláště pak u
druhů z rychle tekoucích vod omývány dobře okysličenou vodou. Cílem je zajistit rychlou
výměnu a přísun čerstvé vody do blízkosti žáber.
U některých zástupců vodního hmyzu (pakomáři - Chironomidae, některé ploštice a
mouchy) se v zásobování tkání kyslíkem uplatňuje krevní barvivo hemoglobin - tyto druhy
tedy používají takového způsobu přenosu kyslíku, který je běžný u obratlovců (obr. 39).
Hmyzí hemoglobin se však některými vlastnostmi liší od obratlovčího. Obratlovčí
hemoglobin má relativně nízkou afinitu ke kyslíku, váže ho ze vzduchu, tedy z prostředí, kde
je kyslíku relativní nadbytek. Hmyzí hemoglobin se setkává jen z nízkým tlakem kyslíku, a
aby ho mohl vůbec navázat, musí mít pro něj vysokou afinitu. Např. hemoglobin larev
Chironomidů má molekulovou hmotnost 31,4 kDa, což je jen asi polovina hmoty
hemoglobinu obratlovců a vyznačuje se přítomností pouze dvou hemových skupin. Jeho
velká afinita ke kyslíku se projevuje tím, že je nasycen z 50 % již při parciálním tlaku 100 Pa
- ke stejnému nasycení je u obratlovčího hemoglobinu třeba tlaku 3000 Pa. Larvy
Chironomidů sytí svůj hemoglobin kyslíkem tak, že kmitají tělem v okysličené vodě a
urychlují tak pronikání kyslíku přes kutikulu a jeho vazbu na hemoglobin. Kyslík se z
takového hemoglobinu uvolňuje, když pohyby ustanou nebo když to vyžaduje potřeba
kyslíku ve tkáních třeba po anaerobní respiraci. Funkce hemoglobinu zde tedy nespočívá v
zajištění normálního dýchání, ale spíše v zajištění zásobování kyslíkem v situacích, které
vyžadují rychlý přesun kyslíku do určitých tkání, tedy především k určitým svalům. Tím je
zabezpečena jejich aerobní činnost, i když pouze na omezenou dobu.
Uzavřený tracheální systém mají i někteří parazité - výměna plynů se děje přes kutikulu.
78
79
3.2.2. Dýchání u vodního hmyzu přijímajícího atmosférický kyslík
Některé druhy vodního hmyzu se chodí pravidelně nadechovat k hladině a jsou zcela
nezávislé na obsahu kyslíku ve vodě (např. některé druhy Dipter). Jiné druhy mají značně
neobvyklý zdroj kyslíku - mohou ho přijímat z vaskulárního systému kořenů nebo stonků
vodních rostlin. Obecně platí, že zástupci vodního hmyzu získávající atmosférický kyslík
mohou žít i ve značně znečištěných tůních nebo dokonce v ropných jezírkách. Druhy s touto
strategií si často vytváří zásoby vzduchu ve formě bublin pod křídly, kutikulárními výběžky,
chlupy atd. Do bubliny proniká aktivně kyslík z vody, takže jde vlastně o určitý typ fyzikálních
žáber, protože se nejedná o pouhou zásobárnu vzduchu, ale o funkční "tracheální
žábry". Do bubliny ústí klasické spirakulum, kterým proudí vzduch do tracheálního systému.
Princip bubliny fungující na způsobu fyzikálních žaber spočívá v tom, že poskytuje
organismu více kyslíku, než kolik je ho obsaženo v bublině při jejím vytvoření (obr. 40).
Tehdy bublina zpravidla obsahuje 21 % kyslíku a 78 % dusíku. Během dýchání se však
poměr obou plynů mění, jednak spotřebou kyslíku a vydechováním oxidu uhličitého a jednak
difúzí uvedených plynů z bubliny do vody a naopak. Oxid uhličitý je velmi dobře rozpustný
ve vodě, proto velmi rychle z bubliny difunduje a nikdy ho v ní není příliš mnoho. Kyslíku v
bublině pochopitelně rychle ubývá jeho utilizací v těle, což vede ke snížení jeho parciálního
tlaku a naopak ke zvýšení parciálního tlaku dusíku. To má za následek difúzi kyslíku z vody
do bubliny a naopak zvýšenou difúzi dusíku z bubliny do vody. Tak je vzduch v bublině
obohacován o nový kyslík, který může být organismem dále využíván. Celý proces je o to
účinnější, že kyslík se dostává do bubliny 3krát rychleji než dusík z bubliny do vody.
Výsledným efektem celého systému je tedy značné prodloužení životnosti bubliny jako
zdroje kyslíku, a tedy její přiblížení funkci opravdových žaber.
Bublinu je však nutno čas od času přece jen vyměnit, nejen z důvodů obnovy kyslíku, ale i
obnovy dusíku. Ten je totiž nezbytný pro udržení bubliny jako takové, a tím zajištění její
žaberní funkce. Bez dusíku by totiž nemohlo docházet ke změnám parciálních tlaků během
spotřeby kyslíku organismem a bublina by sloužila jako prostá zásobárna vzduchu - nikoliv
jako žábry. Z tohoto důvodu také hmyz s experimentální bublinou tvořenou čistým kyslíkem
a i ve vodě kyslíkem nasyceným, nepřežívá tak dlouho jako s bublinou obsahují dusík.
Četnost výměny vzduchu v bublině, a tedy její životnost záleží na aktivitě daného druhu
hmyzu a především na teplotě vody: nižší teplota vody zpomaluje metabolismus, snižuje
spotřebu kyslíku a zvyšuje jeho obsah ve vodě a tím zásobování bubliny. U vyšší teploty je to
naopak. Např. brouk rodu Hydrous může být v zimním období ponořen i několik měsíců bez
vynoření. Aktivní hmyz musí obsah bubliny obnovovat mnohem častěji. Při teplotě vody nad
15o
C účinnost celého systému velmi rychle klesá.
U některých druhů vodního hmyzu se netvoří bublina, ale na hydrofobních chlupech se
vytváří vzduchový film - plastron (obr. 40). Plastron pak funguje jako typické fyzikální žábry
a kryje spotřebu těla kyslíkem, který proniká do plastronu difúzí. Mluvíme pak o ­
80
81
plastronovém dýchání. Většina objemu plastronu je tvořena dusíkem, což umožňuje
udržování efektivního kyslíkového gradientu. Tloušťka plastronu je zpravidla dána délkou
hydrofobních chlupů, které umožňují její tvorbu. U rodu Aphelocheirus (Hemiptera) je
plastron držen chloupky dlouhými 5-6 m o průměru 0,2 m s hustotou 2,5 milionu/mm2
takové
chloupky jsou schopny vydržet tlak až 400 kN/m2
.
Vzduchové rezervy mají kromě dýchací funkce i - hydrostatickou funkci.
82
4. Osmoregulace a exkrece toxických produktů metabolismu
Během metabolismu živin vznikají v organismu odpadní látky. Nejvýznamnější jsou oxid
uhličitý, voda a odpadní dusík. Oxid uhličitý a voda se odstraňují dýcháním nebo tělním
povrchem, případně výkaly. Odstranění odpadního dusíku vyžaduje přítomnost speciálních
vylučovacích orgánů. Odpadní dusík vzniká v organismu ve formě - amoniaku, což je velmi
toxická látka, která zpravidla prodělává detoxikaci nejčastěji na močovinu nebo kyselinu
močovou.
Podle formy vylučovaného odpadního dusíku (obr. 41) dělíme živočichy na:
1. Amonotelní - vylučují amoniak spolu s velkým množstvím vody, aby se naředěním
snížila toxicita amoniaku; zpravidla vylučují i malé množství kyseliny močové (většina
vodních bezobratlých, vodní hmyz)
2. Urikotelní - vylučují špatně rozpustnou kyselinu močovou s malým množstvím vody
(např. suchozemský hmyz, plži - obecně živočichové, kteří žijí v suchém prostředí a musí s
vodou šetřit)
3. Ureotelní - vylučují dobře rozpustnou močovinu spolu s větším množství vody (např.
korýši, většina měkkýšů, ostnokožci, savci)
4.1. Exkrece odpadních látek
Hlavním vylučovacím orgánem hmyzu jsou - Malpighické trubice (obr. 42). Jsou to
jednoduché trubicovité žlázy, které ústí do zažívacího traktu zpravidla na rozhraní mezenteronu
a proctodea. Jsou ektodermálního původu, nemají však kutikulu ani jí homologickou
intimu. Malpighické trubice zpravidla volně plavou v hemocélu podél proctodea a jejich
počet kolísá od několika kusů (ploštice) po asi 200 (saranče); chybí u mšic. Někdy jsou
spojeny anastomózami. Jejich připojení na zažívací trakt zpravidla označuje hranici mezi
středním a zadním střevem (obr. 42). Jsou tvořeny jednovrstevným epitelem s velkými
buňkami v podobě plástu, na kterých se nachází tyčinkovité nebo kartáčkovité útvary mikroklky,
mikrovilli. Buňky Malpighických trubic obsahují velké množství mitochondrií,
protože jsou metabolicky velmi aktivní. Na povrchu trubic může být slabá vrstva svaloviny
zajišťující pohyb.
U některých druhů hmyzu (Neuroptera) jsou Malpighické trubice modifikovány na
snovací žlázy a produkují hedvábí.
Proces tvorby moči
Každá Malpighická trubice se skládá z horního, distálního (průsvitného) konce a dolního
proximálního (neprůsvitného) konce (obr. 42). Do distální části se z hemolymfy dostává voda
s rozpuštěnými odpadními látkami (proto je úsek průsvitný) a vzniká zde - primární moč,
83
84
85
která je izotonická s hemolymfou, ale iontové složení je jiné. Kromě hlavního exkrečního
produktu - kyseliny močové - obsahuje primární moč také malé množství močoviny, různé
anorganické ionty Cl,
PO4
3,
Na+
, K+
, Ca++
, barviva (urochromy), pteridiny, aminokyseliny,
cukry, látky odvozené od kyseliny močové jako alantoin, kyselinu alantoovou (např. u
Heteropter) (obr. 42), hypoxantin a samozřejmě vodu. Samotná kyselina močová se vylučuje
jako taková nebo ve formě solí (draselných, sodných).
Primární moč má vysoký obsah K+
a hlavně Cliontů,
naopak obsah Na+
je relativně nižší.
Některé látky se do lumenu Malpighických trubic dostávají aktivním transportem (obr. 42) za
spotřeby energie z ATP - jsou to kyselina močová, K+
ionty, které pak zajišťují gradient
osmotického tlaku odpovědný za pasivní přesun vody, dále pak prolin (později se využívá
jako energetický zdroj v rektálních buňkách), nemetabolizovatelné a toxické látky. Naopak
Clionty,
cukry a aminokyseliny jsou filtrovány pasivně. Jak pasivní, tak i aktivní transport
se děje buď transcelulární dráhou přes buňky nebo paracelulární dráhou mezi buňkami
Malpighických trubic. Paracelulární cesta je pomalejší, protože jednotlivé buňky jsou spojeny
desmozomy, které významně snižují permeabilitu, a také proto, že celková plocha buněk je
daleko větší než plocha jejich spojů.
Primární moč postupuje směrem do proximální části Malpighických trubic a cestou se dále
modifikuje odčerpáváním vody, iontů (především draselných a sodných, které se resorbují
jako hydrogenuhličitany) a cukrů. Vzniká tak zakalená suspenze - definitivní moč. Urát je v
ní vysrážen (neprůsvitná část) a postupuje dále do zadního střeva. Zde se obsah
Malpighických trubic mísí se střevním obsahem, ze kterého je opět odčerpávána voda a
značný podíl zbývajících iontů. Ionty se vychytávají prostřednictvím tzv. chloridových buněk
(obr. 43), které jsou navzdory svému jménu schopny transportovat i jiné ionty než chloridové.
Chloridové buňky jsou schopny tyto ionty vychytávat i při velmi nízké koncentraci proti
koncentračnímu spádu, ovšem za značné spotřeby energie ATP. U sladkovodního hmyzu se
však chloridové buňky mohou nacházet nejen ve střevě, ale i v epidermis, a to buď izolovaně
nebo ve skupinách (obr. 43). Pro chloridové buňky jsou charakteristické hluboce vnořené
útvary plasmatické membrány a velké množství mitochondrií někdy na tyto membrány
navázaných. Kutikula na povrchu buňky bývá perforována nebo např. u jepic kryta pouze
epikutikulou o tloušťce 0,5 m.
U Trichopter se chloridové buňky shlukují dohromady a vytváří - chloridové epitelium
umístěné na dorsálním povrchu některých abdominálních segmentů. U larev komárů tvoří
epitelium struktury zvané anální papily (obr. 43). Jejich velikost značně kolísá v nepřímé
závislosti na koncentraci iontů ve vodě. Pokud např. chováme larvy komára Culex ve
vodovodní vodě, která má obecně velmi nízký obsah chloridových a sodných iontů (pod 6
), tak dojde ke zvětšení těchto papil a ty jsou schopny svou zvýšenou činností udržet
koncentraci těchto iontů v hemolymfě na odpovídající úrovni. Teprve po přemístění
pokusných larev do destilované vody dojde k poklesu iontů v hemolymfě.
86
87
Řízení exkrece a osmoregulace
Přesuny odpadních látek včetně vody a solí mají podstatný vliv na udržování homeostázy
v těle, proto jsou tyto procesy velmi pečlivě regulovány osmoregulačními mechanismy.
Vlastní diuréza je řízena hormonálně - diuretickým hormonem z corpora cardiaca (viz kap.
10.2.3.1.), který stimuluje produkci moči. Kromě něho bylo popsáno několik dalších
diuretických a nebo antidiuretických peptidických faktorů z nervové soustavy nebo přímo z
corpora cardiaca. Diuretický účinek mají také - leukokininy a cardioaccelerating peptides (viz
kap. 10.2.3.4.). Naproti tomu činnost chloridových buněk a přesuny iontů v zadním střevě
obecně jsou stimulovány dvěma neurohormony z corpora cardiaca - ion transport peptide,
který řídí tuto činnost v ileu a chloride transport stimulating hormone, který je aktivní v rektu.
Odpadní produkty hmyzího metabolismu, především pak dusíkaté odpadní látky se mohou
v těle hromadit a získávat druhotně nějakou biologickou funkci. Příkladem jsou - dusíkaté
pigmenty (viz kap. 1.1.2.). Tyto látky pak mají funkci ochranného zbarvení, obranných
mechanismů, mimiker atd. Jindy se odpadní látky hromadí v tukovém tělese v urátových
buňkách (viz kap. 2.4.), které akumulují kyselinu močovou. Např. švábi Periplaneta
americana neexkretují kyselinu močovou, ale ukládají uráty ve velkém množství v těle.
Produkují také značné množství amoniaku, kterého se zbavují výkaly.
4.2. Kryptonefrický systém
U některých zástupců Coleopter, Lepidopter a Hymenopter se vytváří exkrečně osmotické
zařízení zvané - kryptonefrický systém (obr. 44), který zajišťuje téměř úplnou dehydrataci a
iontovou reabsorpci výkalů a umožňuje přežití těchto zástupců v extrémně suchých
podmínkách (zrniny uložené v silu, vysušené kůže atd). Tento systém dokonce umožňuje
využívat vodu ze vzdušné vlhkosti v rektu, což je nejlépe prozkoumáno u larev potemníka
Tenebrio molitor (obr. 45). Mechanismus funkce kryptonefrického systému spočívá v tom, že
distální konce Malpighických trubic jsou v kontaktu s rektální stěnou prostřednictvím perinefrické
membrány. Toto spojení umožňuje transport iontů - převážně KCl - a jejich
akumulaci v Malpighických trubicích, což vytváří silný osmotický gradient, který vychytává
vodu z perinefrického prostoru i samotného rekta. Takto získaná tekutina pak prochází do
proximální časti Malpighických trubic, kde se dostává do hemolymfy nebo se recykluje v
rektu.
4.3. Produkce moči a osmoregulace u suchozemských, sladkovodních a slanovodních
druhů hmyzu
- suchozemský hmyz - (obr. 46) produkce primární moči závisí na aktivním transportu
draselných (někdy i sodných) iontů do Malpighických trubic následovaném pasivním
pohybem aniontů, převážně chloridových, z důvodů ustavení elektrické rovnováhy. Přímá
exkrece takové moči by však znamenala obrovské ztráty uvedených iontů, tomu je však
88
89
90
91
zabráněno jejich zpětným vychytáváním ve střevě a v rektu. Chloridové a sodné ionty jsou
transportovány aktivně a draselné ionty se přesouvají pasivně díky elektrickému gradientu
vytvořenému aktivním transportem. Tak může být vychytáno až 95 % sodných a 80 %
draselných iontů z primární moči. Obdobně se zpětně vychytávají některé organické látky
(glukóza, aminokyseliny).
- sladkovodní hmyz - (obr. 47) má tendenci ztrácet soli z těla do hypotonického prostředí
přes permeabilní kutikulu. Sodné, draselné a chloridové ionty jsou reabsorbovány v rektu,
voda se vylučuje. Výsledkem je pak hypotonická moč. Sůl je získávána potravou a také
vychytáváním análními papilami.
- slanovodní hmyz - (obr. 47) žije v hypertonickém prostředí (ve slaných jezerech někdy v
silně hypertonickém), musí tedy čelit ztrátám vody osmotickou cestou a nadměrnému příjmu
solí, které získává jak s vodou, tak i s potravou. Tomu čelí produkcí hypertonické moči s
vysokým obsahem sodných, draselných, hořečnatých i chloridových iontů.
92
93
5. Oběh tělních tekutin
Aby mohly tělní tekutiny plnit své funkce, musí v organismu obíhat - v tomto stavu je
udržují různé typy cévních soustav. Cévní soustava je složitý trubicovitý systém cév, ve
kterých kolují tělní tekutiny - krev, míza nebo krvomíza - hemolymfa. Některé cévy - tepny jsou
schopny peristaltickými pohyby měnit svůj průměr a uvádět tak tekutinu do pohybu.
Často se některá z hlavních tepen mění v dutý svalnatý orgán - srdce. Jiné cévy - žíly - slouží
jako potrubí, kterým tekutina jen protéká.
Rozlišujeme 2 typy cévních soustav:
1. Otevřená cévní soustava - tělní tekutinou je hemolymfa, která je vedena ze srdce
krátkými cévami do tělních dutin, kde se rozlévá mezi orgány, které tak zaplavuje přímo (obr.
48). Určité látky se z ní vstřebávají, jiné se do ní zase vylučují. Jinými cévami se hemolymfa
nasává zase zpět do srdce. Výměna látek se tak děje difúzí mezi buňkami, tkáňovým mokem
v mezibuněčných prostorách a hemolymfou.
2. Uzavřená cévní soustava - tělní tekutinou je krev, která koluje v uzavřených trubicích
nebo míza, která se nachází v dutinách nebo má vlastní oběh (obratlovci). Krev je vedena ze
srdce tepnami do drobných cévek - krevních vlásečnic (kapilár), které hustě prostupují
všechny orgány. Ve směru toku krve se sítě krevních vlásečnic zjednodušují, kapiláry se
spojují ve větší cévky, které ústí do žil, které odvádí krev zpět do srdce. Krev tedy po celou
dobu oběhu neopouští cévní soustavu. Výměna látek mezi buňkami a krví se děje přes stěny
vlásečnic a tkáňový mok.
5.1. Hemolymfa hmyzu
U hmyzu se setkáváme s otevřenou cévní soustavou, ve které koluje - hemolymfa.
Hemolymfa cirkuluje v dutině zvané - hemocél a omývá hmyzí orgány. Směr a rychlost
jejího toku jsou regulovány vnitřními orgány. Hlavní roli hraje - dorsální céva - někdy
nazývaná také srdce, která funguje jako peristaltická pumpa a rozhání hemolymfu do těla.
Tomu napomáhá svalová kontrakce a pohyb dalších orgánů. Hemolymfa omývá vnitřní
orgány, ale není v přímém kontaktu s jejich buňkami díky tomu, že jsou kryty bazální
membránou, která může ovlivňovat výměnu materiálu mezi hemolymfou a vlastními orgány.
Je zřejmé, že otevřený cévní systém má jen několik málo cév nebo kompartmentů (viz kap.
5.2.), které ovlivňují tok hemolymfy.
U druhů s měkkým povrchem těla (např. housenky motýlů), kde tělní tekutiny hrají roli
hydrostatického skeletu, představuje obsah hemolymfy asi 20 - 40% hmotnosti těla. U druhů
s pevným vnějším skeletem (imaga, nymfy) je to méně než 20%.
94
95
5.1.1. Funkce hemolymfy
Hmyzí hemolymfa plní v organismu několik základních funkcí:
1. Transport - transport živin do tkání a zplodin metabolismu do exkrečních orgánů,
transport hormonů, obranných látek a vyjímečně kyslíku na barvivech nebo fyzikálně
rozpuštěného.
2. Mechanická funkce - u druhů s měkkým tělním povrchem (housenky motýlů) se
hemolymfa podílí na celkovém tvaru těla (viz hydrostatický skelet - kap. 1.1.4.), zajišťuje
změny tlaku při líhnutí a svlékání (odstranění staré a roztahování nové kutikuly). Lokálními
změnami tlaku se hemolymfa podílí na ventilaci tracheálního systému a rozpínání křídel.
3. Zástava krvácení - při mechanickém poranění tělní stěny vzniká melaninová zátka
(přeměnou tyrozinu na polyfenoly a melaniny), na kterou se nabalují krevní buňky a která
ucpává vzniklou ránu a zabraňuje dalšímu krvácení.
4. Obranná funkce - fagocytóza cizorodých látek krevními buňkami, enkapsulace,
produkce obranných látek lysozymů, lytických proteinů, lektinů atd. (viz kap. 5.3.)
5. Rezerva vody pro organismus - plazma hemolymfy je vodný roztok, který může podle
potřeby ,,pufrovat" nedostatek vody v organismu.
6. Termoregulace - u některých druhů hmyzu se cirkulující hemolymfa podílí na
termoregulaci (viz kap. 7.1.).
5.1.2. Složení hemolymfy
Hemolymfa je vodnatá tekutina obsahující ionty, molekuly a buňky. Může být čirá a
bezbarvá, ale často je pigmentována a je nažloutlá, zelenavá, modrá nebo hnědá; vzácně
může být také červená (u některých nedospělých stadií vodních nebo parazitických Dipter) z
důvodů přítomnosti hemoglobinu. pH hemolymfy je - slabě kyselé - 6,4 až 6,8. Koncentrace
solí dosahuje hodnot 1,5 - 2,1% (obratlovci 0,9%), vysoký je také obsah aminokyselin (20 až
30 krát vyšší než u obratlovců) i peptidů. Hemolymfa obsahuje též steroidní látky a hormony.
Ze sacharidů je nejdůležitější trehalóza - transportní disacharid složený ze dvou molekul
glukózy (viz kap. 2.4.) Jeho hladina může značně kolísat bez následků v rozmezí 4 - 20
mg/ml. Slouží také jako kryoprotektant. V hemolymfě je také řada dalších cukrů - glukóza,
sacharóza, fruktóza, galaktóza, ribóza atd. - mají však minoritní funkci.
Hmyzí hemolymfa obsahuje mnoho různých proteinů s různou funkcí. Jejich obsah v
hemolymfě je druhově specifický a závisí především na vývojovém stádiu. Běžná
koncentrace proteinů dosahuje hodnot okolo 6% (podobně jako u obratlovců). Někdy jsou
však tyto hodnoty podstatně překročeny: nejvyšších koncentrací proteinů v hemolymfě bývá
dosaženo koncem posledního larválního instaru u Dipter a Lepidopter, kdy hodnoty dosahují
až 20%.
96
Nejvýznamnější proteiny hmyzí hemolymfy:
1. Zásobní (storage) proteiny - velká skupina larválních zásobních bílkovin (např.
arylphoriny a methionin bohaté proteiny - viz kap. 2.4.) o molekulové hmotnosti zpravidla
okolo 500 kDa, které se v určitých obdobích vývoje stávají abundantní a dosahují v
hemolymfě značné koncentrace. Hlavním místem syntézy zásobních proteinů je - tukové
těleso (Lepidoptera). Ukazuje se však, že se syntetizují i v jiných tkáních - epidermis, střevo a
perikardiální buňky. Zásobní proteiny se skládají z 6 podjednotek a proto se nazývají hexamery.
Mají několik funkcí - slouží jako:
- zásobárna aminokyselin - akumulace zásobních proteinů v hemolymfě posledního instaru
napovídá, že tyto proteiny slouží jako aminokyselinová rezerva pro produkci strukturních
imaginálních proteinů.
- komponenty kutikuly - předpokládá se, že jsou zdrojem komponentů pro syntézu nové
kutikuly. Tomu odpovídá změna jejich titru sladěná se svlékacím cyklem. Využívají se jak
jednotlivé aminokyseliny vznikající degradací proteinů, tak proteiny samotné. Celé molekuly
bílkovin jsou součástí endokutikuly, kde se sklerotizují pomocí chinonů odvozených z N-
acetyl-DOPA.
- zajišťují transport ligandů - v malém množství mohou transportovat lipidy, ekdysteroidy,
insekticidy.
Utilizace zásobních proteinů - zásobní proteiny koncem larválního vývoje z hemolymfy
rychle mizí. Ukládají se do tukového tělesa, kde podmiňují tvorbu granulí. Tento proces je
zpravidla ukončen začátkem kuklového vývoje. V mnoha případech obsahují zásobní
proteiny kovalentně vázané - oligosacharidy. Lze je detekovat např. pomocí lektinů.
2. Lipophoriny - jsou to lipoproteiny hmyzí hemolymfy, které představují multifunkční
prostředek pro transport širokého spektra lipidů mezi hmyzími orgány (obr. 49). Z hlediska
jejich transportní funkce je dělíme na - HDLp (high density lipophorin) a LDLp (low density
lipophorin). Přičemž rozdíl je pouze formální - HDLp představuje "prázdný" bílkovinný
nosič, zatímco LDLp molekulu nosiče s navázanou molekulou lipidu:
HDLp + lipidy LDLp
Lipophoriny obecně transportují lipidy z místa absorpce ze střeva do tukového tělesa nebo z
tukového tělesa do místa spotřeby - pracujícího svalu, rostoucí tkáně atd. Lipophoriny jsou
charakteristické polyfunkčností - transportují nejen diacylglycerol a fosfolipidy, ale i
triacyglycerol, cukerné složky kutikuly nebo cholesterol, který v prothorakálních žlázách
slouží k syntéze ekdysteroidů. HDLp váže xenobiotika, takže má pravděpodobně detoxikační
efekt. Mezi lipophoriny patří také JHBP (juvenile hormone binding protein - viz kap.
10.2.2.), který transportuje juvenilní hormon. Lipophoriny se podílí i na srážení hemolymfy.
Nevýznamnější je však jejich podíl na transportu diacylglycerolů do místa spotřeby energie.
97
98
Lipophoriny mají komplikovanou strukturu. HDLp se skládá z - apolipoproteinu I a II
(ApoLp-I, ApoLp-II). U některých druhů existuje ještě apolipoprotein III (ApoLp-III), který
zvyšuje kapacitu lipophorinu připojením na HDLp, čímž zvětšuje jeho povrch. To se
uplatňuje především v transportu lipidů kryjících energeticky náročnou lokomoci - především
let. Po připojení transportovaného lipidu na takový nosič vzniká LDLp, který s vysokou
efektivitou transportuje lipidy do létacích svalů. Celý proces je řízen prostřednictvím adipokinetického
hormonu.
Dynamický charakter lipophorinů - mezi mechanismem fungování hmyzích lipophorinů a
jim analogických savčích lipoproteinů (LDL - low density lipoprotein) je několik rozdílů.
Hlavním rozdílem je kyvadlový systém přepravy diacylglycerolu u hmyzích lipophorinů tj.
mechanismus (obr. 49), kdy samotné lipophoriny na rozdíl od savčích lipoproteinů nevstupují
přímo do buněk a diacylglycerol si pouze předávají v hemolymfě. Přesto však lipophoriny v
době, kdy molekulu diacylglycerolu přebírají z tukového tělesa nebo ji předávají do svalu,
musí nějak interagovat s buněčným povrchem. To je zajištěno přítomností lipophorinového
receptoru jak v tukovém tělese, tak i ve svalech - tím je zajištěno obousměrné předávání
diacylglycerolu. Ve svalech je potom diacylglycerol hydrolyzován na glycerol a mastné
kyseliny příslušnou lipázou na membráně buňky svalu. LDLp se předáním diacyglycerolu a
uvolněním ApoLp-III mění na HDLp, čímž je jeho funkce naplněna a prázdný nosič se může
účastnit přepravy další molekuly.
3. Další proteiny - enzymy (běžné jsou fenoloxidázy), inhibitory proteáz, proteiny
imunitní reakce (viz kap. 5.3.), atd.
5.1.3. Cytologie hemolymfy
Hmyzí hemocyty jsou tvarově velmi proměnlivé, vznikají v hemopoetických orgánech a
vyznačují se tím, že všechny typy mají jádra (obr. 50). Dělí se na:
1. prohemocyty - (obr. 50a) jsou charakteristické kulovitým tvarem, velkým jádrem a
absencí organel, odvozují se od nich ostatní hemocyty. Jsou relativně malé, mají schopnost se
dělit, ale nejsou schopny fagocytózy
2. plasmatocyty - (obr. 50b) jsou velmi variabilního tvaru, obsahují množství RER
(drsného endoplasmatického retikula) a Golgiho aparátu a mohou obsahovat granule. Jsou to
nejběžnější hemocyty hemolymfy, jejich hlavní funkcí je fagocytóza a enkapsulace
mikroorganismů a parazitů
3. granulocyty - (obr. 50c) obsahují množství ER a Golgiho aparátu. Vyznačují se velkým
množstvím membránově vázaných granulí, které se mohou povrchově vyměňovat v
souvislosti s obrannou funkcí organismu. Hrají roli při koagulaci hemolymfy a tvorbě nodulů
(viz kap. 5.3.). Jsou v hemolymfě hojně zastoupeny.
99
100
4. cystocyty (granulocyty) - (obr. 50d) typ granulocytů, ve kterých je syntéza granulí
ukončena, syntetický aparát je tedy redukován, mají relativně velké jádro. U některých řádů
chybí.
5. spherulární buňky - (obr. 50e) obsahují velké množství spherulí, nejsou zcela běžné a
jejich funkce je neznámá.
6. adipocyty - obsahují tukové kapénky, mají malé jádro a vyvinuté ER a Golgiho aparát
7. oenocyty - (obr. 50f) velké buňky, které se nachází v hemocélu, tukovém tělese (viz
kap. 2.4.) i epidermis. Jejich funkce je nejasná, zdá se, že produkují látky nutné pro tvorbu
kutikuly, ale i ekdysteroidy; u chironomidů produkují hemoglobin.
8. nefrocyty (perikardiální buňky) - (obr. 51) objevují se blízko dorzální cévy a zřejmě
fungují jako žláznatý orgán, který vychytává určité látky, které pak metabolizuje pro další
použití.
Hemocyty jsou odvozeny z embryotického mezodermu. Nové hemocyty vznikají dělením
existujících hemocytů nebo z nediferencovaných prohemocytů v - hemopoetických orgánech.
Tyto orgány jsou u různých druhů různé, u některých ploštic dokonce chybí. Zpravidla jsou
to struktury nacházející se v oblasti srdce (obr. 52) nebo jsou s ním přímo spojeny.
Počet hemocytů - v hemolymfě kolísá, závisí na vývojovém stádiu a roste během
metamor-fózy, protože se zvyšuje nutnost fagocytózy řady částic nebo velkých molekul.
Obecně platí, že malé druhy hmyzu mají méně hemocytů než velké: např. dospělci komárů
mají v těle asi 10.000 hemocytů, švábi Periplaneta americana více než 9 milionů. Totéž platí i
v rámci druhu - u Galleria mellonella je na začátku posledního instaru asi 2,2 milionu
hemocytů, tento počet se zvětšuje asi na 4 miliony před zahájením svlékání.
Hemocyty mají 4 základní funkce:
1. Fagocytóza - pohlcování malých partikulí a substancí (metabolitů). Fagocytující buňky
jsou vřetenovitého tvaru - putují hemolymfou, často se přilepují k povrchu tkání a vytváří
hvězdicovité úvary. Při shluku většího množství buněk vznikají - fagocytární orgány vytvářející
váčky - kapsuly - kolem cizorodých částic nebo bakterií.
2. Enkapsulace parazitů a dalšího cizorodého materiálu větších rozměrů.
3. Koagulace - hemocyty se podílí na tvorbě zátky, která ucpává poranění a zabraňuje tak
dalšímu krvácení.
4. Některé hemocyty - adipocyty (obsahují tukové kapénky, vosk) - slouží jako zásobárna
a podílí se na distribuci živin. Jiné obsahují mukopolysacharidy a hrají tak významnou role
při svlékání.
101
102
5.2. Cirkulace hemolymfy
Cirkulace hemolymfy je u hmyzu zajištěna systémem svalových pump, které ženou
hemolymfu tělními kompartmenty vzájemně oddělenými fibromuskulárními septy neboli
diafragmami (obr. 52). U většiny druhů hmyzu se nachází dvě hlavní diafragmy - dorsální
diafragma a ventrální diafragma, které podélně dělí tělo na tři části (siny) (obr. 52):
1. Perikardiální sinus - nachází se v dorsální části těla a leží v něm dorsální céva
2. Periviscerální sinus - nachází se v centrální části těla a leží v něm trávící soustava
3. Perineurální sinus - nachází se ve ventrální části těla a leží v něm břišní nervová páska
Diafragmy jsou perforované, ale svou polohou a svými pohyby usměrňují tok hemolymfy.
Podobné útvary (přepážky) usměrňující tok hemolymfy jsou i v končetinách a tykadlech (obr.
53).
Hlavní pumpou umožňující tok hemolymfy je - dorsální céva, jejíž přední část se nazývá aorta,
zadní část pak - srdce (termíny nejsou ale exaktně vymezeny). Dorsální céva je
jednoduchá trubice, složená z jedné vrstvy myokardiálních buněk a opatřena segmentálně
uspořádanými otvory - ostiemi. Ostie umožňují jednosměrný tok hemolymfy do cévy díky
chlopním zabraňujícím zpětnému toku. U hmyzu zpravidla nacházíme 3 páry thorakálních a 9
párů abdominálních ostií - s tendencí redukce jejich počtu. Dorsální céva leží v
perikardiálním sinu, který se nachází nad dorsální diafragmou tvořenou zmíněnými
fibromuskulárními konektivami a segmentálně uspořádanými páry - alárních (křídlatých)
svalů (název nepochází od spojení s křídlem, ale sval má tvar připomínající křídlo). Alární
svalovina podpírá dorsální cévu, a podílí se na jejích pohybech.
Hemolymfa přitéká do perikardiálního sinu přes segmentálně uspořádané otvory v dorsální
diafragmě nebo ze zadní části těla a vstupuje do srdce ostiemi. Vlna kontrakce, která
postupuje cévou odzadu dopředu žene hemolymfu do aorty a tou pak do hlavy. V hlavě se
hemolymfa dostává do hlavových přívěsků a postupuje dále posteriorventrálně. K tomu
napomáhá ventrální diafragma, která svými peristaltickými pohyby usměrňuje tok
hemolymfy dozadu perineurálním i periviscerálním sinem. Důležitou funkcí ventrální
diafragmy je nejen usměrnit tok hemolymfy, ale usnadnit i rychlou výměnu látek mezi
hemolymfou a nervovou páskou. Rychlý pohyb hemolymfy je také důležitý pro hmyz, který
využívá cirkulaci k termoregulaci (Odonata, Diptera, Lepidoptera, Hymenoptera) (viz kap.
7.1.).
Zvláštním způsobem je zajištěna cirkulace hemolymfy v končetinách, křídlech, tykadlech
a dalších výběžcích. Existují zde svalové - akcesorické pulsační orgány, které pomocí sept,
chlopní a trubic tyto tělní výběžky zásobují. Navíc antenální pulzační orgány uvolňují
neuropeptidy, které ovlivňují antenální čichové senzory. Křídla mají také významnou, i když
variabilní cirkulaci; cirkulaci zde napomáhá také tlak vzduchu, který vzniká při letu.
103
104
Činnost srdce
Činnost srdce se skládá podobně jako u obratlovců ze systoly a diastoly. Diastola srdce je
aktivní a zajišťuje ji hlavně srdeční křídlatá svalovina. Ta srdce roztáhne, čímž vzniká
podtlak a srdce nasává hemolymfu. Tomu dále napomáhá její pružnost i pružnost dorsální
diafragmy. Ochabnutím svaloviny vzniká přetlak - systola - ostie se uzavřou a hemolymfa je
hnána dopředu. Systola hmyzího srdce je tedy více méně pasivní. Toku hemolymfy aortou
pomáhá peristaltika její svaloviny.
Tlak hemolymfy - je u různých druhů různý. Obecně platí, že u druhů s tvrdou kutikulou je
nižší než atmosférický, zatímco u druhů s měkkou kutikulou je vyšší než atmosférický tlak.
Tlak hemolymfy hraje důležitou roli při ventilaci, svlékání, rozpínání křídel, líhnutí atd.
Frekvence srdeční činnosti a její kontrola - frekvence srdeční činnosti je druhově závislá a
závisí také na vývojovém stadiu jedince. Obecně je frekvence vyšší u mladších a nižší u
starších stádií. Např. u bource morušového klesá z 80 tepů za minutu u druhého instaru na 50
tepů u pátého instaru; u kukly dosahuje 10 - 20 tepů za minutu. U některých kukel (např.
Anopheles) však není srdeční činnost vůbec zaznamenána. Frekvence srdeční činnosti závisí
také na vnějších faktorech, hlavně na teplotě - za normálních okolností se téměř zastavuje při
teplotách nad 45 - 50o
C a pod 1 - 5o
C.
Pro srdeční činnost je typické, že se často na několik sekund až několik desítek sekund
zastaví, u některých druhů zase dochází k "reverzní" aktivitě - vlny kontrakce běží na
dorsální cévě opačně, tedy odpředu dozadu.
Aktivita pulsačních orgánů je nezávislá na aktivitě srdce - např. u Periplaneta americana
pulzuje antenální pulsační orgán rychlostí 28 tepů za minutu.
Srdeční aktivita je v zásadě myogenního původu, ale může být modulována nervově i
humorálně. Srdce je bohatě inervováno, ale díky myogenní aktivitě je schopno autonomních
rytmických kontrakcí i po přetětí nervů, kterými je inervováno. V humorální kontrole srdeční
činnosti se uplatňuje serotonin, acetylcholin a peptidy na bázi FMRF-amidu a dále některé
neurohormony (viz kap. 10.2.3.) - proctolin, CCAP (crustacean cardioactive peptide) a AKH
(adipokinetický hormon).
Hmyzí cirkulační systém je příkladem koordinace mezi činností dorzální cévy, fibromuskulárních
sept a akcesorických pump. Tyto orgány jsou řízeny nervově i
neurohumorálně. Neurohumorální regulace se pak realizuje neurosekrety roznášenými
hemolymfou.
5.3. Obranná funkce hemolymfy a hmyzí imunitní systém
Hmyzí imunitní systém se značně liší od obratlovčího, ale přesto je schopen zmobilizovat
odpověď, která je zaměřena na likvidaci původce nákazy a která zajistí zvýšenou rezistenci
vůči ní. Tento imunitní systém je mnohem složitější než se donedávna myslelo.
105
Hmyzí imunitní systém zajišťuje obranu organismu před mikroorganismy, parazity,
cizorodými částicemi, zraněním a někdy i predátory. V posledním případě obsahuje
hemolymfa antifeedanty, tj. látky, které odpuzují predátory. Zranění vyvolá v hemolymfě
koagulační proces, který zahrnuje plasmatickou reakci - jedná se o aktivaci profenoloxidáz
(jejichž výsledkem je vznik melaninu (viz kap. 1.1.3.) a tvorba melaninové zátky) a účast
hemocytů. Výsledná sraženina ucpe ránu a zabraňuje dalším ztrátám hemolymfy a vniknutí
infekce. Jestliže dojde k infekci, spouští se imunitní odpověď- ta zahrnuje buněčnou i
humorální reakci.
Základem spuštění imunitní reakce je schopnost těla rozeznat vniknutí cizorodých částic
na základě fyziologických nebo chemických vlastností jejich povrchů. Důležitou roli při
tomto procesu hrají hmyzí - lektiny - dříve zvané hemaglutiny. Obecně jsou to látky
bílkovinné povahy (glykoproteiny), schopné rozeznat glycidy obsažené ve stěnách bakterií
nebo parazitických hub (této skutečnosti se využívá v praxi k biochemickému průkazu
glycidové složky v molekulách např. glykoproteinů). Tato reakce pak spustí buněčnou
odpověď (fagocytózu) nebo profenoloxidázovou odpověď.
1. Buněčná odpověď
Buněčná odpověď se dělí na několik typů:
a. fygocytóza - malé bakterie, spóry hub nebo prvoci jsou fagocytovány plasmatocyty. Na
procesu se asi podílí i proteiny produkované fagocytárními buňkami. Fagocytóza je
mechanismus, který se podílí i na likvidaci zbytků tkání během metamorfózy.
b. tvorba nodulů - (obr. 54) uplatňují se při masivnější invazi spór nebo bakterií. Cizorodý
objekt je přitom obklopen koagulátem tvořeným velkým počtem granulocytů. Tento proces je
velmi rychlý, trvá řádově minuty a je následován melanizací nekrotických granulocytů a
koagulátu. Později je celý útvar obklopen plasmatocyty. Obecně platí, že patogenní
organismy indukují rychlejší a silnější odpověď než nepatogenní.
c. enkapsulace - rozvíjí se při invazi velkých objektů např. parazitoidů nebo larev
nematodů, které jsou obklopeny velkým počtem hemocytů. Hemocyty - plasmatocyty i
granulocyty vytváří několik vrstev a celý objekt obsahuje i melanin, produkt působení
profenoloxidáz. Jde tedy o komplexní proces, jehož výsledkem je nekrotizace celé kapsule.
2. Humorální odpověď
Ta spočívá v tvorbě a reakci bílkovinných látek na bázi imunoglobulinů. V hemolymfě se
nachází malé množství proteinu zvaného - hemolin. Ten je při infekci aktivován a
pravděpodobně iniciuje syntézu dalších proteinů, které řadíme do dvou skupin - cecropiny a
attaciny. Syntetizují se v tukovém tělese nebo v hemocytech a svým účinkem působí
baktericidně. Jinou skupinou látek indukovaných infekcí u hmyzu jsou enzymy - lysozymy,
které doplňují uvedenou humorální reakci organismu.
106
107
Oba typy reakcí - buněčná i humorální se často doplňují a kombinují.
108
6. Bioluminiscence - svítivé orgány
Bioluminiscence úzce souvisí se soustavami látkové přeměny a jde o jev, který se
vyskytuje poměrně vzácně. Svítivé orgány se nachází v různých částech těla. Někdy se
setkáváme se světélkováním celého těla (Onychiurus armatus - Collembola), častěji jsou však
svítivé orgány kompaktní a velmi často se nachází na ventrální straně abdomenu. Svítivé
orgány jsou zpravidla odvozeny z tukového tělesa, ale u některých Dipter jsou tvořeny
zvětšenými konci Malpighických trubic. Svítivé orgány jsou obecně tvořeny - žláznatými
buňkami zvanými - fotocyty (obr. 55) a zpravidla se nachází mezi epidermis a vrstvou
zvanou - dorzální buněčná vrstva. Kutikula nad orgánem je transparentní. Fotocyty tvoří řadu
cylindrických útvarů, které jsou umístěny kolmo na rovinu kutikuly a mezi nimiž probíhají
nervy a tracheje. Z každé tracheje pak vybíhají do fotocytu tracheoly, které zajišťují bohatý
přísun kyslíku do těchto metabolicky velmi aktivních orgánů. Předpokládá se, že vlastní
produkce světla probíhá ve - fotocytárních granulech - které jsou dutým krčkem propojeny s
cytoplasmou buňky. Celá buňka obsahuje mnoho mitochondrií. Dorzální buněčná vrstva
obsahuje také granule označované jako - urátové (odpadní) granule, o kterých se
předpokládá, že slouží jako reflexní vrstva.
Mechanismus produkce světla je založen na tom, že buňky produkují tukovitou látku luciferin,
a enzym - luciferázu, která za přítomnosti kyslíku a energetického zdroje ve formě
ATP zprostředkovává oxidaci luciferinu na - oxyluciferin, oxid uhličitý a chladné
krátkovlnné světlo - bílé, modravé, zelenavé, červené nebo žluté - zpravidla o vlnové délce
mezi 520 - 650 nm. Změny v uvolňování ATP zajišťují blikání světla, změny v pH mohou
ovlivnit frekvenci (tedy barvu) světla. Světlo může být zesíleno optickým aparátem. Např. u
Lampyridae (Coleoptera), kde je mechanismus svítivého orgánu nejlépe prostudován (obr.
56) je v čočku přeměněna část kutikuly. Činnost celého orgánu je řízena nervově. Rozzáření a
zhasnutí závisí na vnějších podnětech. Svítivé orgány mají etologický význam např. pářící
chování, signál pro predátory jako identifikace kořisti atd.
Zajímavé etologické chování se vyvinulo u brouků rodu Photuris. Samičky tohoto brouka
lákají samečky k páření určitým vzorem blikání svých svítivých orgánů. Po spáření se však
vzorec blikání mění a samičky začnou napodobovat blikání samiček jiných druhů. To vede k
nalákání samečků cizího druhu, kteří jsou takto oklamáni nepravými samičkami a jsou jimi
uloveni a sežráni.
Bioluminiscence se dělí na:
- primární - živočich vytváří světlo sám. Tento typ je hojně rozšířen u Collembola, dále pak u
Hemiptera, Diptera, Coleoptera
- sekundární - světlo se tvoří pomocí symbiotických organismů - bakterií nebo hub
109
110
111
Účinnost bioluminiscence - jde o přeměnu chemické energie na světelnou s 95% i vyšší
účinností. Jen nepatrná část se ztrácí jako teplo (žárovka má účinnost asi 4%!).
112
7. Vnější faktory ovlivňující fyziologické děje
Fyziologické děje v hmyzím organismu ovlivňuje řada vnějších faktorů jako je teplota,
dostupnost potravy, fotoperioda, vlhkost prostředí, mutageny, toxiny nebo živé organismy tj.
zástupci stejného nebo jiných druhů.
7.1. Teplota těla a termoregulace
Bezobratlí jsou - ektotermní, poikilotermní - organismy. Nejsou schopny automaticky řídit
a kontrolovat svoji teplotu, jsou závislí na teplotě vnějšího prostředí. To přináší řadu
nevýhod, ale i některé výhody:
- nevýhoda - nejsou schopni zajistit životní funkce při extrémních teplotách a upadají do
abiotických stavů.
- výhoda - zajištění energetických funkcí je méně energeticky náročné, protože homoiotermové
musí převážnou část energie věnovat na uchování stálé teploty těla.
Teplota je tedy významným činitelem, který podstatně ovlivňuje činnost hmyzu. Všechny
změny, ke kterým dochází v organismu v důsledku změn teploty vnějšího prostředí se
projevují na - intenzitě metabolismu. Intenzita metabolismu se pak projeví v celé řadě
biologických projevů jako je aktivita jedince, intenzita růstu těla, délka vývoje, plodnost atd.
Přestože hmyz patří mezi poikilotermní živočichy, může určitým způsobem, i když jen na
omezenou dobu, regulovat svou teplotu. V této regulaci se uplatňují dva mechanismy behaviorální
termoregulace (založená na fyzikálních mechanismech a na využití externího
tepla) a fyziologická termoregulace (založená na tvorbě a využití metabolického tepla).
a) Behaviorální termoregulace
Mechanismus zahrnuje získávání tepla ze substrátu nebo přímo ze slunečního záření
expozicí maximální plochy těla ke zdroji tepla, a tím zvýšení jeho absorpce. Ochlazení je
naopak zajištěno vyhledáváním stínu, chladnějších míst apod. Existuje komplexní vztah mezi
regulací teploty a hmyzím zbarvením příp. uspořádáním povrchu těla. Příkladem může být
chování pouštních brouků z čeledi Tenebrionidae. Tmavěji zbarvení jedinci jsou aktivnější v
době nižších teplot (nejvíce zrána), zatímco u světlejších jedinců je největší aktivita
zaznamenávána až při zvýšené teplotě. Efekt lze zvýraznit nabarvením tmavých jedinců bílou
barvou, která způsobí, že se brouci zahřívají pomaleji, a tím jsou i později aktivnější.
Další důkaz významu zbarvení existuje u dvoubarevných cikád (Cacama valvata), které
nastavují slunci tmavou nebo světlejší část těla podle toho, zda se potřebují zahřívat více
nebo méně.
113
U vodního hmyzu nejsou behaviorální mechanismy regulace teploty známy, kromě
přesunu jedinců do míst s teplejší resp. chladnější vodou. Jinak teplota těla vodního hmyzu
odpovídá teplotě vody.
Někdy se můžeme setkat se schopností hrubé regulace teploty okolního prostředí, a tím
nepřímo i těla. Tento mechanismus je dobře prostudován u sociálního hmyzu - jako jsou
včely, mravenci, všekazi. Např. v úlu mohou včely regulovat teplotu:
- snižovat - větráním úlu nebo rozstřikováním vody v úlu, kdy se jejím odpařováním
spotřebovává skupenské teplo a klesá teplota
- zvyšovat - intenzivním máváním křídel dochází ke svalové práci a tím k produkci tepla,
které se uvolňuje. Dalším způsobem zvýšení teploty je shlukování jedinců, kdy se
metabolické teplo konzervuje uvnitř skupiny, která se tak chová jako jeden organismus.
b) Fyziologická termoregulace
Některé druhy hmyzu se mohou chovat jako endotermní díky mohutné létací svalovině,
která je schopna produkovat metabolické teplo. To se děje především během letu, kdy se
jedinec musí vyrovnávat se dvěma protichůdnými tendencemi - uchováním tepla, které je
nutné pro činnost svaloviny a jeho ztrátou, která zabraňuje přehřátí. Uchování tepla je
zajištěno izolací hrudi pomocí kutikulárních útvarů - šupin, vlásků, chlupů atd. Zabránění
přehřátí svaloviny je zajištěno buď tím, že letící jedinec kombinuje aktivní let s plachtěním
(Lepidoptera, Orthoptera) nebo se ochlazuje zrychlením cirkulace hemolymfy a jejím
odvodem do neizolovaných částí těla, kde se teplo uvolňuje do vnějšího prostředí (včely,
čmeláci, někteří zástupci Lepidopter) (obr. 57).
Létací svalovina některých druhů hmyzu může plně fungovat jen po zahřátí na určitou
hodnotu. Proto takové druhy předtím než vzlétnou uvedou do činnosti létací svaly (zpravidla
přitom nepohybují křídly) a teprve po zahřátí na určitou teplotu jsou schopeny letu (obr. 58).
Např. lišaj (Sphingidae) musí zvýšit teplotu svaloviny asi na 30o
C, teprve pak může letět. Při
letu dosahuje teplota svaloviny až 40o
C.
Vliv teploty na životní projevy hmyzu
Rozmezí teploty, ve které může daný druh hmyzu žít, bývá různé a souvisí se schopností
adaptace určitého druhu nebo vývojového stadia na teplotní podněty vnějšího prostředí.
Značnou schopnost adaptace mají - eurythermní druhy (obecně euryvalentní druhy). Mají
značnou schopnost se přizpůsobit, protože žijí v širokém rozmezí teplot, mají tedy širokou
vitální zónu. Naopak - stenothermní druhy (obecně stenovalentní druhy) mají úzkou vitální
zónu, těžko se přizpůsobují. Horní hranice vitální zóny se nazývá - kritická tepelná zóna.
Spodní hranice vitální zóny se nazývá - kritická chladová zóna.
V těchto zónách, v oblasti chladové i tepelné, jsou životní procesy již narušeny a jestliže
dojde k podstatnější odchylce od vitální zóny, tak dochází ke smrti chladem nebo teplem.
114
115
116
Pesné vymezení teplotní vitální zóny pro daný druh je těžké, protože se zde kromě teploty
uplatňují také další faktory jako je vlhkost vzduchu, odolnost jedince, adaptace atd. Uvnitř
vitální zóny leží pásmo - optimální teploty, které se nachází obvykle uprostřed této zóny a je
charakterizováno optimálním průběhem fyziologických procesů. Kritériem stanovení
optimální teploty může být délka vývoje, plodnost samic, mortalita nebo přímo průběh
metabolických procesů.
Jak již bylo řečeno teplota ovlivňuje organismus řízením intenzity metabolismu. To
spočívá v ovlivnění rychlosti chemických reakcí na úrovni buněk a tkání. Obecně platí, že se
stoupající teplotou se intenzita metabolismu, a tím i spotřeba kyslíku zvyšuje až dosáhne
maxima, které již organismus není schopen překonat. Pokud se teplota dále zvyšuje dochází k
hroucení buněčných procesů i struktur, což se projeví mírným poklesem spotřeby kyslíku a
následnou smrtí organismu. K obdobným destrukčním proce-sům dochází i při snižující se
teplotě po překonání kritické chladové zóny:
Důležitým kritériem, které charakterizuje intenzitu metabolických procesů prostřednictvím
spotřeby kyslíku je - kyslíková suma - tedy spotřeba kyslíku v čase. Jejím sledováním lze
zjistit respirační kvocient (RQ) a tím i intenzitu a druh odbourávaných živin (RQ = CO2/O2;
RQ pro glycidy = 1,0; RQ pro bílkoviny = 0,8 a RQ pro tuky = 0,7). Pomocí kyslíkové sumy
lze také sledovat a odhadnout např. u kukel motýlů stupeň jejich vývoje.
Dalším kritériem hovořícím o vztahu fyziologických procesů a teploty je - fyziologický
čas, který udává vztah mezi teplotou a dobou vývoje, která je charakteristická pro daný druh
hmyzu (obr. 59). Fyziologický čas je tedy kumulativní veličina, kdy čas (v hodinách nebo
dnech) nutný k vývoji je násoben teplotou (ve o
C), která převyšuje - teplotní vývojový práh.
Teplotní vývojový práh je teplota, pod kterou ustává vývoj. Fyziologický čas je v praxi
117
118
důležitým ukazatelem např. pro předpověď výskytu škůdců, vhodnou dobu aplikace
insekticidu atd.
Přežívání extrémních teplot
Nezávisle na fyziologické regulaci teploty těla se u hmyzu setkáváme s adaptačními
mechanismy na extrémní teploty nebo na změny teploty, které se projevují druhově i
individuálně (u různých jedinců v rámci druhu).
1. Nízké teploty - mnohé druhy jsou schopny žít za velmi nízké teploty - např. Gryloblatta
(z hor Severní Ameriky) žijí v rozmezí - -2,5 - 11,5o
C a teplota 20o
C je již pro ně vysoká a
může způsobit i smrt.
U hmyzu rozeznáváme 2 druhy strategií umožňující přežívání nízkých teplot (obr. 60):
a. Druhy tolerující zmrznutí (freezing - tolerance) - dochází u nich k rychlému zmrznutí
mezibuněčných tekutin tak, že nedojde k poškození buněčných struktur.
b. Druhy vyhýbající se zmrznutí (freezing - avoidance) - dochází u nich k nahromadění
kryoprotektantů (tj. látek zabraňujících zmrznutí) v hemolymfě. Tím se zvyšuje odolnost
proti chladu, protože se snižuje teplotní bod, kdy dojde ke zmrznutí tělních tekutin. Jako
kryoprotektant slouží především - glycerol, ale i další vyšší alkoholy obecně zvané polyoly
jako je např. sorbitol. Dalšími známými kryoprotektanty jsou trehalóza a aminokyseliny,
může však dojít i k navýšení koncentrace solí. Obsah polyolů v hemolymfě může dosáhnout
hodnoty až 10% a někdy i více.
Glycerol se syntetizuje za účasti příslušných enzymů z glykogenových zásob (obr. 60).
Jeho syntéza je stimulována nižší teplotou, která inhibuje konverzi glykogen fosforylázy z
aktivní na neaktivní formu, a tím stimuluje štěpení glykogenu na glukózo-1-fosfát. Nízká
teplota také inhibuje glykogen syntetázu, takže nic nebrání tomu, aby glukózo-1-fosfát
prodělal kaskádu reakcí vedoucích k produkci glycerolu.
Vhodnou adaptací lze i u jedince vybudovat odolnost proti teplotním rozdílům (extrémům):
chováme-li dlouhodobě švába při teplotě 30o
C, pak je schopen se jí přizpůsobit.
Jestliže mu pak snížíme teplotu na 9o
C, nastane u něj - chladový šok a šváb upadá do stavu
strnulosti chladem. Jestliže však švába chováme v nižší teplotě nebo původního švába
přeneseme na několik hodin do teploty 15o
C, tak potom se odolnost proti chladovému šoku
zvýší a šok nastane až při 2o
C.
2. Vysoké teploty - pro většinu druhů hmyzu je letální i relativně krátké vystavení teplotě
40 - 50o
C. Vysokou teplotu dobře snáší Thermobia (Thysanura), pro kterou je letální až
teplota 51o
C. Snad nejodolnějšími druhy hmyzu vůči vysoké teplotě jsou larvy některých
zástupců Chironomidae, které žijí v horkých pramenech ve 49 - 51o
C.
Krátkodobá aklimace k vysokým teplotám je zajištěna produkcí - heat shock proteinů
(HSP). Ty byly popsány u řady druhů hmyzu - např. Drosophila a Locusta produkují šest
119
120
druhů HSP. Tyto proteiny patří ke třem rozdílným proteinovým rodinám a mají různou
molekulovou hmotnost. Jejich funkce spočívá v tom, že za vysokých teplot zabraňují
denaturaci a agregaci běžných bílkovin. Některé HSP se vyskytují i při normální teplotě a
také jako ochrana proti nízkým teplotám a dokonce proti toxickým chemikáliím. Jejich
výskyt je tedy podmíněn působením stresu. HSP se exprimují během několika sekund po
vystavení stresoru a působí v organismu po dobu několika hodin.
3. Kryptobioza - jedná se o stav, kdy živý organismus nevykazuje žádné známky života
ani žádnou metabolickou aktivitu. U hmyzu je kryptobioza popsána u larvy Polypedilum
(Chironomidae, Diptera), který žije ve vysychajících tůních v Nigérii, kde teplota povrchu
dosahuje při vysušení až 70o
C. Aktivní larvy hynou již při teplotě 43o
C, ale jsou-li vysušeny
na 8% obsahu vody v těle, mohou přežít zmíněnou teplotu po dlouhou dobu. Experimentálně
bylo prokázáno, že přežijí i vystavení teplotě 102o
C po dobu jedné minuty nebo působení
tekutého dusíku (-190o
C) po dobu několika dní. Za pokojové teploty tyto larvy přežijí úplnou
dehydrataci po dobu 3 let a jisté známky života jevily i po 10 letech.
7. 2. Fotoperioda a diapauza
Délka světelné části dne značně ovlivňuje řadu fyziologických dějů a je rozhodujícím
faktorem, který má vliv na vývoj jedince a především na hibernační stavy jako je diapauza a
kviescence. Proto je záznam délky dne nebo noci pro hmyzí vývoj velmi důležitý. Řada
druhů hmyzu je proto schopna tyto veličiny měřit a pokud překročí určitý kritický práh
přizpůsobo-vat jim své fyziologické děje, chování nebo vývoj, spuštěním příslušného
programu. Většina druhů hmyzu se jeví jako druhy dlouhodenní - rostou a rozmnožují se v
létě a jsou v klido-vém stadiu v zimě Jiné druhy jsou krátkodenní - ty jsou aktivní zpravidla
na podzim a na jaře, zatímco v létě a pochopitelně v zimě mají období klidu. Někdy se
fotoperiodou spouští děje značně časově vzdálené. Např. u bource morušového má
fotoperioda u mateřské generace vliv na výskyt diapauzy u potomků další generace (viz kap.
10.2.3.2.). Schopnost hmyzu zaznamenávat čas se děje prostřednictvím biologických hodin,
které jsou poháněny endo- nebo exogenními denními cykly - zvanými cirkadiánní rytmy (viz
také kap. 8.4.).
Diapauza
Vývojové procesy mezi vajíčkem a imagem jsou často přerušovány obdobím klidu neboli
dormance. Je to časté především pro temperátní oblasti (mírné zeměpisné pásmo), kde se
střídají teplá a studená období nebo období sucha a organismus musí tyto nepříznivé
podmínky přežít. Dormance může představovat - kviescenci, což je zpomalení nebo zastavení
vývoje jako reakce na nepříznivé podmínky. Kviescence odezní ihned, jakmile se podmínky
zlepší. Diapauza - naproti tomu představuje hlubší přerušení vývoje spojené s fyziologickými
121
změnami, které mohou dále pokračovat, i když nepříznivé podmínky odezněly. Mezi oběma
jevy však není ostrá hranice. Diapauza se dělí na:
- obligatorní diapauzu - objevuje se v určitém období roku, bez ohledu na podmínky. Je
běžná u univoltinních (monovoltinních) druhů (= mají jednu generaci za rok), které tak
prodlužují vývoj, aby se tento koordinoval s ročním cyklem.
- fakultativní diapauza - vyskytuje se v jedné generaci u bi- nebo multivoltinních druhů,
aby bylo možno přečkat nepříznivé podmínky.
Délka diapauzy - je u různých druhů různě dlouhá, řádově trvá dny až měsíce a vyskytuje
se u všech vývojových stadiích. Diapauza je nejběžnější u těch stadií, která jsou primárně
odolnější, tedy u vajíček a kukel, ale vyskytuje se i u larev a dospělců.
Signálem pro spuštění diapauzy je nejčastěji fotoperioda, ale roli hrají i další faktory teplota,
kvalita nebo nedostatek potravy, změny ve vlhkosti, pH, obsahu kyslíku (ve vodě)
atd. Význam fotoperiody spočívá v tom, že je to nejspolehlivější indikátor sezónních změn.
Teplota a další vlivy jsou pak až druhotné, měnící se v závislosti na fotoperiodě. Změny v
délce dne je hmyz schopen a i nucen velmi pečlivě zaznamenávat přes mozkové
fotoreceptory spíše něž prostřednictvím očí a ocell. V mozku je také uložen diapauzní
program, což lze prokázat např. transplantací mozku z diapauzující kukly do kukly normální,
což vyvolá diapauzu u příjemce mozku.
Diapauza je řízena hormonálně, existují ale podstatné druhové rozdíly v jejím řízení a
svou roli hraje i stádium, ve kterém diapauza probíhá. Obecně pak platí, že svlékací hormon
ekdyson spouští a juvenilní hormon (JH) ukončuje diapauzu. Navíc platí, že pro ukončení
kuklové diapauzy je nutná i zvýšená hladina ekdysonu. JH je zase důležitý pro řízení
imaginální diapauzy, zatímco pro nedospělá stadia není jediným řídícím faktorem. U bource
morušového je popsán diapauzní hormon uvolňovaný z neurosekretorických buněk
suboesophageálního ganglia, který se podílí na řízení diapauzy spolu s JH. Dospělá samice
produkuje diapauzní vajíčka, pokud jsou její ovarioly v době kuklového vývoje pod vlivem
diapauzního hormonu, zatímco normální vajíčka se vyvíjí při absenci tohoto hormonu a
přítomnosti JH.
7.3. Vlhkost
Vlhkost vzduchu, která je pro terestrický hmyz nepřímo úměrná ztrátám vody z
organismu, je dalším kritickým faktorem ovlivňujícím metabolické děje v organismu.
Relativní vlhkost vzduchu je procento maximálního nasycení vzduchu vodními parami při
dané teplotě. Relativní vlhkost vzduchu může ovlivňovat fyziologický čas (viz kap. 7.2.) a
má tudíž značný vliv na vývojové děje v organismu.
122
Znalosti o mechanismech zajišťujících vnímání vlhkosti u hmyzu jsou velmi kusé. Předpokládá
se, že smyslové orgány umožňující vnímání vlhkosti jsou spojeny s termoreceptory (viz
kap. 9.2.).
7.4. Biotické faktory
Mezi biotické faktory patří - dostupnost potravy. Dostatečné množství a kvalita potravy
má zásadní vliv na růst a postembryonální vývoj jedince. U většiny druhů hmyzu je velikost
těla dána geneticky a je přesně determinována. Např. u Lepidopter je velikost imag relativně
konstantní a nedostatek potravy má za následek spíše prodloužení vývoje než snížení
velikosti těla. Z toho také plyne, že počet vývojových larválních instarů není primárně
konstantní, ale je ovlivněn dostupností potravy a následnou registrací velikosti těla. Pokud
jsou ovšem potravní zdroje optimální, potom vývoj probíhá pravidelně a počet instarů u
jedinců daného druhu je stejný. Tato pravidla ovšem neplatí obecně a u některých much a
komárů má nedostatek potravy a přehuštěná populace larev vliv na velikost těla jedinců.
Vliv hustoty populace na vývoj je dobře prostudován u sarančat, kde existuje - fázový
dimorfismus, kdy se vytváří solitární a gregarinní fáze, které se liší morfologicky,
fyziologicky, zbarvením i svým chováním. Nízká denzita populace vede k solitárnímu vývoji
s charakteristickým světlým uniformním zbarvením a zvětšením velikosti těla dospělců.
Naopak vyšší denzita má za následek tvorbu gregarinních jedinců charakteristických tmavým
zbarvením a snížením velikosti těla. Podstatnější je však rozdíl v jejich chování - gregarinní
jedinci mohou vytvářet typická hejna, schopná překonávat často ohromné vzdálenosti desítky
až sta kilometrů a objevovat se nečekaně na nových místech, kde jsou schopna
napáchat ohromné škody na vegetaci.
Jednoduchým pokusem lze dokázat, že hustota populace má rozhodující vliv na
alternativní vývoj do dané fáze. Držíme-li část potomků snůšky od jedné samice pohromadě,
vyvíjejí se jako gregarinní jedinci, jestliže však druhou část rozdělíme na jednotlivé jedince
bez možnosti komunikace mezi sebou (hlavně zrakové), vyvíjí se jako solitární jedinci.
Mechanismus tohoto fenoménu je značně složitý a podílí se na něm feromony a hormony.
Důležitou roli hraje juvenilní hormon, jehož titr je obecně vyšší u solitární než u gregarinní
fáze.
123
8. Nervová činnost
Nervová soustava zajišťuje vedení informací ze vstupních kanálů a jejich vzájemné
srovnání a zpracování. Na základě této činnosti je pak vypracován příkaz, jehož cílem je
koordinace efektorových orgánů, jako odpověď na dané informace.
Základním funkčním prvkem nervové soustavy je - reflexní oblouk (obr. 61). Vstupem
celého mechanismu je smyslový orgán - receptor. Ten zachytí signál, zakóduje ho a dále
vyšle jako signál fyzikálně chemický (akční potenciál) dostředivými dráhami do centra.
Vzniká - nervový vzruch, který putuje přes nervové synapse do nervového ústředí, kde je
zpracován a srovnán s jinými informacemi. Ústředí pak vydá příkaz, který se šíří
odstředivými dráhami k výkonnému orgánu - efektoru, který je představován svalem nebo
žlázou. Efektor pak provede potřebný úkon. Díky tomu se může organismus vyrovnávat s
různými překážkami a reagovat na vnější podněty.
8.1. Stavební jednotky hmyzí nervové soustavy
Základní stavební jednotkou nervové soustavy je nervová buňka - neuron. Skládá se z těla
a výběžků. Tělo neuronu - soma neboli perikaryon obsahuje velké množství mitochondrií,
Golgiho komplexů a drsného endoplasmatického retikula (RER).
Výběžky neuronu se dělí na - dendrity a axony (neurity). Dendrity vedou vzruchy od
receptorů do těl neuronů. Klasické dendrity se vstupem přímo do těla neuronu se však u
hmyzu vyskytují jen zřídka (viz dále). Axon vede vzruch od těla neuronu a je mnohem delší
než dendrit. V CNS se oba typ výběžků bohatě větví. Ve výběžcích chybí jak Golgiho
komplexy, tak RER, bohatě jsou však zastoupeny mikrotubuly, sloužící k transportu
materiálu z těla neuronu.
Hmyzí neurony jsou většinou - monopolární (obr. 62) s jedním výběžkem od těla neuronu,
který se pak v určité vzdálenosti dělí na dendrit a axon. Periferní smyslové buňky jsou u
hmyzu zpravidla - bipolární s krátkým, nevětveným distálním dendritem a dlouhým
proximálním axonem zasahujícím do ganglia. V gangliích se nacházejí i multipolární
neurony, které se bohatě větví a představují typ neuronu známého u obratlovců. Místa spojů
jednotlivých neuronů se nazývají synapse a informace se na nich přenášejí pomocí
chemických látek - neurotransmitorů (mediátorů). Ty jsou uloženy v synaptických uzlíčcích
(váčcích), odkud se vylévají do synaptické štěrbiny a přenáší informaci na postsynaptickou
membránu sousední buňky. Uvolnění mediátoru do synaptické štěrbiny se děje prostřednictvím
exocytózy.
Některé neurony se spojují - elektrickou synapsí. V takovém případě jsou membrány obou
sousedících neuronů odděleny štěrbinou až 10krát užší než u klasické synapse. Štěrbinou
navíc probíhají cytoplasmatické spoje, kterými probíhají iontové kanály. Tento typ spojení se
nazývá - gap junction.
124
125
126
Další důležitou stavební jednotkou nervové soustavy jsou - gliální buňky. Ty obalují
neurony jednou nebo několika vrstvami. Zpravidla platí, že čím větší neuron, tím více obalů
tvořených gliálními buňkami. Mezi gliálními buňkami se nachází extracelulární prostory. Ty
jsou rozsáhlejší na povrchu ganglií, ale mnohem omezenější uvnitř, kde vytváří velmi úzké
prostory, které se nazývají - lakuny (obr. 62) a jsou typické pro hmyzí nervovou soustavu.
Mezibuněčné prostory nervových buněk jsou vyplněny tekutinou, která omývá přímo
neurony a má tedy velký význam v determinaci jejich elektrických vlastností.
Funkce gliálních buněk - základní funkcí gliálních buněk je výživa neuronů, proto tyto
buňky často obsahují zásoby glykogenu. Další jejich funkcí je vytvářet obaly neuronů a
udržovat tak v jejich blízkosti vhodné a relativně stálé iontové prostředí, které umožňuje
činnost nervové soustavy navzdory značným rozdílům ve složení iontů v nervových buňkách
a v hemolymfě. Obal nacházející se na vnější straně nervové soustavy se nazývá perineurium
(obr. 62). Jeho buňky na sebe navazují spojením - tight junction (velmi těsné a
nepropustné spojení, kde splývají membrány sousedících buněk) a desmozomy. Perineurium
se nachází v CNS a na větších periferních nervech, chybí na drobných větvích periferních
nervů, kde jsou axony obaleny jen individuálními gliálními buňkami. Perineurium tvoří
bariéru, která dovoluje pronikání pouze specifických látek z hemolymfy do prostředí
nervových buněk (obr. 62). Gliální buňky mají význam také při vývoji CNS a i při velmi
omezené regeneraci nervové soustavy.
Vně perineuria se nachází tlustá bazální lamina zvaná - neurální lamela. Jde o amorfní
vrstvu mukopolysachridů a mukoproteinů s výskytem kolagenních fibril. Neurální lamela
vzniká pravděpodobně činností buněk perineuria a poskytuje mechanickou oporu nervové
soustavě a zajišťuje její potřebnou flexibilitu, která je nutná především při pohybu.
8.2. Základní funkce hmyzí nervové soustavy
Princip činnosti nervové soustavy zcela závisí na iontovém složení všech zúčastněných
struktur. Na základě nerovnoměrného rozložení iontů uvnitř a vně neuronu se vytváří elektrický
membránový potenciál, jehož klidová hodnota je - -70mV. Na jeho tvorbě se podílí
především K+
, Na+
a Clionty
a jejich membránové vlastnosti. U klidového neuronu je
buněčná membrána více permeabilní pro K+
ionty než pro Na+
ionty; navíc membránové
sodno-draslíkové pumpy čerpají Na+
ionty ven z nervové buňky a K+
ionty dovnitř buňky v
poměru - Na+
: K+
, 3 : 2, tedy ve prospěch Na+
(obr. 62). Výsledkem je pak vysoká
koncentrace K+
iontů uvnitř buňky a nízká mimo buňku. Pro Na+
a Clplatí
opačný poměr vysoká
koncentrace vně a nízká uvnitř buňky.
8.2.1. Vedení vzruchu
Základní funkcí nervové soustavy je vedení vzruchu. Celý proces se skládá ze tří částí:
127
- zachycení vnějšího signálu - vizuálního, chemického nebo mechanického prostřednictvím
receptoru a vznik receptorového (u smyslové buňky) nebo postsynaptického (na
synapsi) potenciálu
- vedení elektrického signálu po výběžcích ve formě - akčního potenciálu
- přeměna elektrického signálu na chemický při synapsi
Akční potenciál (obr. 63) - vedení vzruchu nervovými buňkami je zajištěno prostřednictvím
akčního potenciálu, který vzniká jako důsledek podráždění nervové soustavy. Akční potenciál
má konstantní amplitudu. Jeho první fází je malé zvýšení permeability buněčné membrány
pro Na+
ionty. Jejich přesun dovnitř přes membránu axonu způsobí malou depolarizaci
membrány, což má za následek otevření sodných kanálů, rychlé proudění Na+
iontů dovnitř a
následnou změnu elektrického potenciálu o 80 - 100 mV (naměřeno u švábů). Tento děj
probíhá v době zvyšování akčního potenciálu (obr. 63), je velmi krátký a je ukončen
uzavřením sodných kanálů. K aktivaci draselných kanálů dochází pomaleji, proto se otvírají
až v době, kdy se již sodné kanály zavírají. Výsledkem je pak proudění K+
iontů ven z axonu,
což vede k obnovení převahy negativního náboje uvnitř axonu. Tato fáze probíhá při poklesu
akčního potenciálu. Celý děj je velmi rychlý a trvá 2 - 3 ms.
Vznik akčních potenciálů a vedení nervového vzruchu se může realizovat pouze za
určitých konstantních iontových poměrů. Hemolymfa hmyzu se však svým složením často
odlišuje od potřeb nervové soustavy. Její zvláštností je, že obsah K+
iontů je u některých
druhů hmyzu (býložravci) značně vysoký, někdy dokonce vyšší než Na+
iontů:
- hmyz Na+
: K+
- 20 : 1 až 1 : 10
- obratlovci Na+
: K+
- 20 : 1
Za takových okolností by činnost nervové soustavy u hmyzu byla vyloučena. Vhodné
prostředí, které umožňuje její činnost, je zajištěno aktivitou gliálních buněk. Především - tight
junction spoje perineurálních buněk poskytují efektivní bariéru iontovým tokům a iontové
pumpy udržují složení tekutiny bezprostředně obklopující neurony na odpovídajícím složení.
Díky tomuto systému nebrání odlišné složení iontů v extracelulární tekutině nervové soustavy
a v hemolymfě vedení vzruchů a funkčnosti nervů.
Akční potenciál resp. membránové přesuny iontů, které jsou jeho příčinou, se šíří podél
nervového vlákna, a to pouze jedním směrem. Je tomu tak díky - refrakterní periodě, která
následuje akční potenciál, a která spočívá v inaktivaci sodného kanálu (obr. 63) a v blokování
průchudu iontů přes membránu. Doba po kterou není možní axon dráždit resp. kdy axon
neodpovídá na žádné, ani velmi silné podněty, se nazývá - absolutní refrakterní perioda a trvá
asi 2 - 3 ms. Po jejím odeznění není ještě axon schopen normálního dráždění a akční
potenciál je vyvolán jen silným podnětem. Tato doba, kdy ještě nedošlo k úplnému obnovení
funkčnosti axonu, se nazývá - relativní refrakterní perioda a trvá 10 - 15 ms.
128
129
Jednotlivé akční potenciály mají stejnou amplitudu, proto je informace o velikosti podnětu
zakódována v počtu a frekvenci akčních potenciálů. Frekvence je pak limitována refrakterními
periodami, ve kterých je axon bezprostředně inaktivován.
Schopnost neuronu vytvářet rychlou sérii následných akčních potenciálů se mění v čase.
První akční potenciály jsou produkovány velmi rychle za sebou, ale rychle dochází ke
snižování jejich frekvence, a tedy k prodlužování doby mezi jejich vznikem, hovoříme o
fázické odpovědi. Poté dojde k poklesu jejich frekvence na jakousi konstantní úroveň nebo
úroveň, která klesá jen velmi zvolna - v tom případě hovoříme o tonické odpovědi (obr. 63).
Rychlost vedení akčních potenciálů závisí především na tloušťce axonu - zvyšuje se z jeho
průměrem. Obří axony s průměrem 8 - 50 m vedou akční potenciál rychlostí 3 - 7 m/s,
běžné axony o průměru 5 m pak asi 1,5 - 2,3 m/s. Rychlost vedení ovlivňuje i teplota.
8.2.2. Synapse
K synapsi dochází při přenosu akčního potenciálu z jednoho neuronu na druhý (obr. 64).
Děje sa tak pomocí neurotransmitoru (mediátoru). Akční potenciál na své cestě podél axonu
doběhne do synaptického uzlíku, kde otevře kanály uvolňujíci proudění Ca++
iontů do
neuronu. Ca++
ionty aktivují fúzi synaptických vesikulů s presynaptickou membránou a vylití
v nich obsaženého mediátoru do synaptické štěrbiny. Vyšší frekvence akčních potenciálů
umožní vstup většího množství Ca++
iontů do buňky a vylití většího množství mediátoru.
Mediátor ovlivňuje permeabilitu postsynaptické membrány buď přímo otvíráním kanálů nebo
nepřímo vazbou na membránové receptory. Postsynaptické změny na membráně označujeme
jako - depolarizaci nebo hyperpolarizaci. Depolarizace je klasická reakce, kdy Na+
a Ca++
ionty proudí dovnitř buňky rychleji než K+
ionty ven, což má za následek snížení záporného
náboje uvnitř buňky - hovoříme pak o excitační synapsi (obr. 64). Hyperpolarizace
zapříčiňuje proudění Cliontů
do buňky a zvyšování záporného náboje v buňce, čili nedojde
k vytvoření postsynaptického akčního potenciálu - hovoříme pak o inhibiční synapsi.
Velikost postsynaptického potenciálu závisí na množství mediátoru vylitého z
jednotlivých presynaptických akčních potenciálů. K přeměně tohoto postsynaptického
potenciálu na akční postsynaptický potenciál dojde až po dosažení určité prahové hodnoty.
Spuštění postsynap-tického akčního potenciálu nezávisí na jednotlivé synapsi, ale na sumaci
všech postsynaptic-kých potenciálů vyskytujících se na neuronu. Tato sumace může být časová
nebo prostorová.
8.2.3. Mediátory
U hmyzu existuje řada chemických látek sloužících jako mediátory. Můžeme je rozdělit do
4 skupin - acetylcholin, biogenní aminy (dopamin, histamin, serotonin, octopamin),
aminokyseliny (GABA, glutamát), a peptidy (obr. 63). Velkou skupinou jsou především
neuropeptidy (dodnes jich bylo identifikováno asi 100 - v mnoha případech je však jejich
130
131
funkce neznámá), které se syntetizují v těle neuronu a jsou transportovány axonem do místa
svého působení. Ostatní mediátory jsou zpravidla syntetizovány v místě synapse.
Podle svého působení se mediátory dělí na:
1. Neurotransmitory - uvolňují se do synaptické štěrbiny a mají přímý vliv na vznik
akčního potenciálu na postsynaptické membráně. Po splnění své funkce jsou enzymaticky
degradovány (např. acetylcholin pomocí acetylcholinesterázy) nebo absorbovány do
presynaptického uzlíku.
2. Neuromodulátory - jsou uvolňovány do okolí synapse a modifikují přenos informace
přes synapsi. Jejich účinek je relativně pomalý a dlouhodobý. Specifická degradace není
známa.
3. Neurohormony - jsou syntetizovány v neurosekretorických buňkách převážně CNS jako
peptidické látky a do hemolymfy jsou uvolňovány prostřednictvím neurohemálních orgánů a
fungují jako hormony (viz kap. 10.2.3.)
Jeden neuron je schopen produkovat více typů chemických mediátorů. O tom, který typ
mediátoru se uvolní, rozhoduje elektrická aktivita neuronu. Někdy může dojít k vylití např.
neurotransmitoru i neuromudulátoru společně, zpravidla se však neuromodulátory uvolňují až
při vyšší elektrické aktivitě neuronů.
Neurotransmitor se uvolňuje jen do synaptické štěrbiny, zatímco neuromodulátor zasahuje
širší oblast. Pokud je však tato oblast limitována presynaptickou membránou hovoříme o parasynaptické
sekreci (obr. 64). Pokud se neuromodulátor uvolňuje do větší nespecifikované
oblasti a má širší účinek (např. ovlivňuje transmisi většího počtu synapsí) hovoříme o parakrinní
sekreci (obr. 64).
1. Neurotransmitory - nejběžnějším neurotransmitorem u hmyzu je stejně jako u obratlovců acetylcholin
- excitační neurotransmitor olfaktorických a mechanosenzorických neuronů a
interneuronů. Dalšími neurotransmitory jsou - serotonin, který se vyskytuje u
chordotonálních a multipolárních neuronů, histamin - transmitor buněk retinuly a ocell,
octopamin - transmitor světelných orgánů a dopamin - transmitor slinných žláz. Roli
excitačního transmitoru u hmyzí nervosvalové ploténky hraje - glutamát. Inhibičním
transmitorem je obecně u hmyzu kyselina -amino máselná (GABA).
2. Neuromodulátory - neuromodulátory působí na nervo-nervové i nervo-svalové synapsi.
Neuromodulátor může působit jak presynapticky - ovlivněním vesikulů a uvolňováním jejich
obsahu, tak postsynapticky - ovlivněním postsynaptické membrány množstvím uvolněného
neurotransmitoru. Tento účinek je zajištěn modifikací iontové permeability pre- i postsynaptických
buněk. Neuromodulátor může také soutěžit s neurotransmitorem o obsazení
receptorových míst na postsynaptické membráně.
132
Roli neuromodulátorů hrají hlavně biogenní aminy a neuropeptidy, Nejrozšířenější je octopamin
- nachází se u skeletální svaloviny, ale i u senzorických neuronů a interneuronů.
Jeho modulační role je dobře popsána u létacích svalů sarančat. Je přenášen i hemolymfou,
takže splňuje také roli neurohormonu. Dalším známým hmyzím neuromodulátorem je serotonin.
Modulační roli v nervové soustavě hrají i neuropeptidy, ale jejich funkce není
zcela jasná (ovšem s vyjímkou neurohormonů). Známá je neuromodulační role
neurohormonu proctolinu (viz kap. 10.2.3.4.) ve viscerální a skeletální svalovině.
3. Neurohormony - neurohormony jsou produkovány neurosekretorickými buňkami a jejich
funkce jsou podrobně popsány v kap. 10.2.3.
8.3. Funkční anatomie hmyzí nervové soustavy
U hmyzu se vytváří typická - gangliová nervová soustava - nervové buňky jsou
soustředěny v uzlinách - gangliích - představujících CNS, výběžky buněk tvoří obvodové
nervstvo. Nervová soustava je původu ektoblastového.
Vznik CNS souvisí se vznikem aktivního pohybu směrem dopředu a utvářením hlavy
(cephalizace) a soustředěním smyslových orgánů do ní. Do hlavy se proto soustřeďuje
převážná část gangliových buněk a tvoří se hlavní zauzlina - mozek. Vedle mozku se vytváří
řada podružnějších uzlin na břišní straně těla.
U bezobratlých obecně můžeme během fylogenetického vývoje pozorovat tendenci ke
koncentraci CNS, což si vynutil složitější způsob života i komplikovanější tělní organizace.
Tím vznikla nutnost zpracovávat stále složitější podněty a vypracovávat na ně složitější
odpovědi. U hmyzu se gangliová soustava vytváří ve formě typické - břišní nervové pásky. U
některých skupin dochází v důsledku redukce a splývání tělních článků ke koncentraci buněk
pásky do několika nebo jen jedné tělní uzliny a vzniká tak - koncentrovaná gangliová
soustava (obr. 65) (ploštice Rhodnius, kruhošvé mouchy Cyclorrhapha)
V nervové soustavě hmyzu nacházíme 4 typy nervových buněk:
1. senzorické (aferentní) - buněčné tělo mají uloženo blízko tělní periferie
2. motorické (eferentní) - tělo uloženo v CNS
3. interneurony (asociační) - celá buňka leží v CNS, zajišťují spojení neuronů v rámci
CNS
4. neuroendokrinní buňky
Nervová soustava hmyzu se dělí na:
a. CNS - mozek, suboesophageální ganglium, břišní nervová páska složená z thorakálních a
abdominálních ganglií.
b. Viscerální nervová soustava - představující útrobní (viscerální) nervstvo.
133
134
c. Periferní nervová soustava - představující obvodové somatické nervstvo (inervace smyslů,
svalů) - zajišťuje spojení jednotlivých částí těla prostřednictvím nervů.
8.3.1. CNS - ganglia a břišní nervová páska
Ganglia jsou tvořena agregací interneuronů a motorických neuronů. Každé ganglium je
organizováno tak, že vlastní těla neuronů jsou umístěna periferně, zatímco centrum ganglia je
tvořeno terminály axonů senzorických neuronů, dendrity motorických neuronů a axony
interneuronů. Tato centrální změť nervových výběžků a jejich synapsí se nazývá - neuropile.
V rámci ganglií se realizují všechny nervo-nervové synapse hmyzího těla - vně ganglia se
nachází pouze nervo-svalové synapse.
U hmyzu ganglia vytváří - břišní nervovou pásku - ta se nachází, jak plyne už z jejího
názvu, na břišní straně těla. U obratlovců je CNS naopak umístěna na dorzální straně těla.
Prvním gangliem břišní nervové pásky je - suboesophageální ganglium (SOG). Jde o složené
ganglium vznikající fúzí ganglií mandibul, maxil a labiálních segmentů, proto také SOG tyto
články inervuje. Dále se vytváří 3 thorakální ganglia, pokud ovšem nedochází k jejich
splynutí. Někdy se setkáváme také s tendencí splynutí metathorakálního ganglia s
anteriorními abdominálními ganglii. Funkcí thorakálních ganglií je inervace svaloviny
thoraxu, tedy především létací svaloviny a svaloviny končetin; inervují i thorakální senzily.
Následují - abdominální ganglia, která se vývojově zakládají v každém abdominálním
článku. Největší počet abdominálních ganglií, ať už u larev nebo dospělců, je však 8, protože
poslední je složené ganglium odvozené ze 4 posledních abdominálních článků. Abdominální
ganglia jsou menší než thorakální a inervují jednotlivé články zadečku. Ve většině případů
jsou svaly daného segmentu inervovány z ganglia tohoto segmentu, někdy však dochází k
jejich inervaci z ganglií sousedního segmentu.
Jednotlivé segmenty mají velkou schopnost - automacie, což se týká hlavně reflexních
činností. Příkladem je třeba lokální regulace ventilace, kdy každé ganglium ovládá svaly
stigmatu svého článku. Existují však samozřejmě nadřazená mozková centra.
Neurony CNS - ganglia obsahují především dva typy neuronů - motorické neurony a
interneurony. Přestože se někdy setkáváme s monosynaptickými nervovými cestami tj.
synapsemi mezi senzorickými a motorickými neurony, je tento případ spíše vzácný. Mnohem
častěji jsou oba typy neuronů spojeny - interneurony. Ty se dělí na - lokální neboli
intragangliové, které jsou uloženy v rámci jednoho ganglia, a - intersegmentální neboli
intergangliové, které spojují více ganglií a vedou informace podél břišní nervové pásky, a tak
se podílí na koordinaci funkcí celého těla hmyzu.
Některé intersegmentální interneurony jsou mnohem větší a silnější než ostatní (až 10krát)
a nazývají se - obří neurony (obří vlákna). Nachází se především u švábů, ale i zástupců
Orthoptera a Diptera (Drosophila). Umožňují rychlé vedení informací na velkou vzdálenost
135
(bez synapsí) a podílí se na rychlých stereotypních reakcích - rychlá lokomoce, únikové
reakce atd.
8.3.2. CNS - mozek
Mozek, největší a nejdůležitější ganglium, je u hmyzu dokonale vyvinut a představuje
základní asociační centrum těla (obr. 66 a 67). Sbíhají se zde informace ze smyslových
orgánů hlavy a přes interneurony i z ostatních ganglií. Po zpracování těchto informací je z
mozku řízena činnost celého těla včetně složitého hmyzího chování. Hmyzí mozek se dělí na
3 části - proto-, deuto- a tritocerebrum.
a. Protocerebrum
Protocerebrum vytváří dva laloky (hemisféry), které jsou laterálně spojeny s - optickými
laloky vedoucími ke složeným očím (obr. 67). Protocerebrum se nachází na dorzální straně
mozku (hlavy) a podobně jako u jiných ganglií jsou v něm somata neuronů umístěna
periferně, zatímco střed je tvořen - neuropilem. Na anteriodorzální straně v oblasti zvané pars
intercerebralis - se však některá somata nachází i v centrální části. V pars intercerebralis
jsou umístěny neurosekretorické buňky, které se před svým výstupem z mozku kříží a pak
pokračují do neurohemálního orgánu - corpora cardiaca (viz kap.10.2.). Do protocerebra ústí
také nervy z ocell. Po stranách pars intercerebralis se nachází párová asociační centra zvaná houbovitá
tělesa (corpora pedunculata) (obr. 67). Každé se skládá z - kalichu (calyx) a dvou,
někdy tří - laloků (lobů) označovaných - -, - příp. -. Houbovitá tělesa jsou tvořena
interneurony zvanými - Kenyonovy buňky. Relativní velikost houbovitých těles je úměrná
složitosti hmyzího chování. Dosahují malých velikostí u primitivního hmyzu nebo u hmyzu
bez sociálních prvků, naopak největší jsou u sociálního hmyzu - termitů, včel, vos atd. Např.
u včelí dělnice se nachází asi 170 000 Kenyonových buněk (v houbovitých tělesech), které
představují asi 40 % neuronů mozku, u mouchy Calliphora je to asi 21 000 Kenyonových
buněk, což představuje 12 % neuronů. Houbovitá tělesa se zvětšují také s věkem hmyzu a s
přibýváním "životních zkušeností", a to nejen u sociálního hmyzu, ale např. i u drozofily.
Další součástí protocerebra je - centrální těleso (obr. 67), tvořené opět interneurony.
Většina z nich obsahuje neuropeptidy využívané zde pravděpodobně jako neurotransmitory;
nachází se zde také tlumivý neurotransmitor GABA (kyselina -amino máselná).
Na laterálních stranách je protocerebrum prodlouženo - optickými laloky (obr. 67). Každý
lalok se skládá ze tří neuropilů zvaných - lamina, medula a lobula. Mezi nimi probíhají
optické nervy, které se 2krát kříží (chiasma opticum) (3 neupily = 2 prostory mezi nimi =
dvojnásobné křížení - viz obr. 67). Zmíněné neuropily mají zásadní význam pro vnímání
světla a obrazu a s tím spojeného chování (např. navigace při letu).
136
137
138
b. Deutocerebrum
Deutocerebrum (obr. 66 a 67) obsahuje - antenální olfaktorické laloky, antenální mechanosenzory
a motorická centra, je tedy zřejmé, že do něj ústí čichové nervy z tykadel. Antenální
laloky představují oblasti neuropilů obklopených u některých druhů hmyzu gliálními
buňkami. Celý takový komplex se nazývá - glomerulus.
c. Tritocerebrum
Tritocerebrum (obr. 66 a 67) je malá část mozku sloužící k inervaci čela a svrchního pysku
(labrum). Přes - frontální ganglium ovládá stomatogastrickou nervovou soustavu. Konektivami
je tritocerebrum spojeno se suboesophageálním gangliem.
8.3.3. Viscerální nervová soustava
Inervuje přední a zadní střevo, endokrinní soustavu, reprodukční orgány a tracheální
soustavu včetně spirakulí. Někdy se dělí na 3 subsystémy:
a) stomatogastrický systém - zahrnuje i své nadřazené centrum - frontální ganglium
b) ventrální viscerální systém
c) kaudální systém
8.3.4. Periferní nervová soustava
Periferní nervy jsou tvořeny velkým množstvím axonů. Axony jsou však v nervech
nezávislé a nevětví se a ani netvoří synapse. Axony vedoucí informace do ganglia se nazývají
- senzorické (aferentní) a axony vedoucí informace z ganglia se nazývají - motorické
(eferentní). Většina nervů obsahuje oba typy axonů, ale např. antenální nervy obsahují pouze
axony senzorické.
8.4. Činnost mozku
Kromě běžných řídících funkcí zajišťuje hmyzí mozek řízení složitého instinktivního
chování (viz corpora pedunculata) a reflexní činnost. Instinkty představují řadu nepodmíněných
reflexů, které probíhají stále stejně. Mozek obecně tyto reflexy tlumí a jeho odstraněním
se reakce mohou stát přehnanými (někdy mohou vést až k smrti vyčerpáním) nebo mohou být
vyvolány i velmi slabými podněty či aktivita může přetrvávat po relativně delší dobu. Např.
dělnice včely vykonává po odstranění mozku čistící pohyby (čištění hlavy předním párem
končetin) celé hodiny; po odstranění poloviny mozku se jedinec může pohybovat neustále v
kruhu, jehož střed je na téže straně jako odstraněná část mozku (dochází k eliminaci
tlumivých nervových drah, které se kříží a které vyřazeny z činnosti nemohou tlumit
svalovou kontrakci na této části těla).
139
Reflexní činnost hmyzu - představuje soubor jednoduchých i složitějších pohybových
reakcí řízených reflexně, probíhajících tedy automaticky a stále stejně na základě určitého
podnětu:
- obracecí reflex - vyvolává se u jedince po jeho obrácení na hřbetní stranu těla
- únikové reakce - jsou řízeny obřími axony (šváb), vyvolají u jedince pocit nebezpečí a
spustí příslušnou pohybovou reakci
- thanatóze (stavění se mrtvým) - jde o reflexní vybavení akineze
- orientace v prostoru - usměrněné pohyby na základě vnějších podnětů (světlo, poloha slunce
na obloze atd.).
8.4.1. Rytmické chování
Mnoho druhů hmyzu, podobně jako jiných organismů, vykazuje rytmické změny chování
nebo svých fyziologických aktivit. Tyto pravidelně se opakující procesy označujeme jako
biologické rytmy, jejichž řízení zahrnujeme do činnosti nervové soustavy resp. mozku v
širším slova smyslu. Biologické rytmy se dělí na:
1. Ultradiánní - rytmy s periodou několika sekund (tep srdce, otvírání a zavírání spirakulí,
atd.)
2. Cirkadiánní - rytmy s periodou přibližně 24 hodin (viz níže)
3. Infradiánní - rytmy s periodou delší než 24 hodin (sezonní rytmy známé především u
obratlovců)
Cirkadiánní rytmy
Cirkadiánní rytmy se vyskytují na úrovni jednotlivce - pak se označují jako individuální
rytmy nebo na úrovni populací - pak mluvíme a populačních rytmech.
1. Individuální rytmy - projevují se v různých oblastech:
a) chování - nejběžnějším dějem vykazujícím rytmicitu je pohybová aktivita, např. šváb je
aktivní v noci, drozofila během dne.
b) reprodukce - je spojena s celou řadou rytmů: uvolňování feromonů (motýli), stridulace
(cvrčci), páření, ovipozice, tvorba spermatoforu, uvolňování svazků spermií z testes (u
motýlů je známo uvolňování spermií z testes do spermiduktu na začátku noci, kde zůstávají
až do rána a pak přecházejí do vesicula seminalis - viz kap. 11.2.) (obr. 68).
c) fyziologické a metabolické rytmy - do této skupiny řadíme: rytmus spotřeby kyslíku,
bioluminiscenci, růst kutikuly, citlivost k insekticidům, pohyb chromatoforů, oscilaci látek v
hemolymfě, uvolňování hormonů a změny v nervové soustavě. Příkladem může být rytmický
růst endokutikuly, zjištěný u brouků i u dalších řádů hmyzu; u sarančete je lamelární chitin
ukládán do kutikuly pouze během noci, nelamelární pouze během dne. U mouchy domácí je
známa denní rytmická změna citlivosti k insekticidům (vyjadřuje se jako LD50, což je dávka,
při které je 50% mortalita) (obr. 68). Rytmicitu vykazuje i hladina řady hormonů v hmyzím
140
141
organismu - prothoracikotropní hormon, ekdysteroidy, PBAN - pheromone biosynthesis
activating neuropeptide (viz kap. 10.2.).
2. Populační rytmy - vyskytují se u dějů, které probíhají jednou za život - líhnutí larev z
vajíček, larvální svlékání, líhnutí imag z kukel atd. Během dne existuje určitá doba zvaná časové
okno, kdy pravidelně probíhá daný děj: např. líhnutí imag Drosophila z kukel probíhá
v určitou denní dobu (zpravidla ráno) - pokud však někteří jedinci nejsou připraveni k líhnutí
v tuto dobu, musí čekat na stejnou dobu do následujícího dne (obr. 68).
Uvedené cirkadiánní rytmy jsou pod kontrolou - biologických hodin, které jsou schopny
registrovat chod času a synchronizovat fyziologické procesy a chovaní s periodickými
změnami prostředí. Pro cirkadiánní rytmy je charakteristické, že přetrvávají po určitou dobu i
v experimentálně navozených podmínkách (např. v konstantní tmě), mají tedy endogenní
charakter, dále jsou závislé na teplotě (jsou teplotně kompenzovány) a jsou sladěny s
lokálním časem (jsou entrainovány). V podmínkách střídání dne a noci mají cirkadiánní
rytmy periodu 24 hodin, při změně periody se však může vytvořit tzv. - vnitřní perioda
(označovaná ) (obr. 69). Vnitřní perioda je geneticky podmíněna a částečně ji mohou
ovlivnit vnější i vnitřní podmínky (třeba postembryonální vývoj) např. u motýla makadlovky
Pectinophora gossypiella je u rytmu líhnutí larev z vajíček vnitřní perioda 24 hodin, u líhnutí
imag z kukel a ovipozice je to 22,5 hodin.
Biologické hodiny jsou teplotně kompenzovány, což znamená, že vnitřní perioda je
konstantní ve fyziologickém rozsahu teplot (obr. 69) - mimo tento rozsah (např. při nízkých
teplotách) dochází k poruchám v periodě. Biologické hodiny umožňují organismu předvídat
příchod dne nebo noci. Protože se během roku mění délka dne a noci, musí se biologické
hodiny nastavovat k lokálnímu času (entrainovat) (obr. 69). Nejsilnějším podnětem
schopným nastavovat biologické hodiny je - světlo, dále jsou to teplota, potrava, sociální
interakce atd.
Centrem biologických hodin je především - mozek. Další podružná centra jsou i v jiných
částech těla - v Malpighických trubicích, slinných žlázách, prothorakální žláze, tykadlech,
epidermálních buňkách, testes. Tato centra jsou na mozku různou mírou závislá, ale např.
centra v testes či epidermis je na mozku zcela nezávislá.
V mozku jsou hodiny kontrolující rytmus líhnutí dospělců u motýlů i u drozofily
lokalizovány v protocerebru, kde jsou umístěny i fotoreceptory nutné pro nastavení hodin pouhá
přítomnost očí není pro nastavení biologických hodin dostatečná. Regulace některých
zmíněných rytmů je humorální (svlékání) nebo nervová (pohybová aktivita), u řady dalších
však mechanismus regulace není zatím znám.
142
143
Mechanismus působení biologických hodin - řídícími články biologických hodin jsou nervové
buňky označované jako - pacemarkery, ve kterých se exprimuje gen - period (per), kódující
protein - PER, který se syntetizuje pouze ve světelné části dne. PER protein pak za světla
působí na geny regulující různé fyziologické aktivity. Syntéza proteinu PER je řízena
zpětnovazebně, kdy po vstupu do buněčného jádra tento protein inhibuje transkripci své
vlastní mRNA. Celý proces je dále regulován dalším genem zvaným - timeless (tim), resp.
jeho proteinem - TIM, který reguluje akumulaci proteinu PER v jádře tím, že se k proteinu
PER připojí a umožní jeho vstup do jádra. TIM protein je však také časově ovlivněn, neboť
se rozkládá světlem a ve dne se vyskytuje pouze v nízké koncentraci a neumožňuje tedy
vstup proteinu PER do jádra. Naopak v noci, kdy je koncentrace proteinu TIM vysoká, se
protein PER do jádra snadno dostane a realizuje tam svou inhibiční roli.
144
9. Fyziologie smyslové soustavy
Smyslová soustava má úzký vztah k nervové soustavě a spolu s ní tvoří - dráždivou
soustavu. Smysly představují vstupní kanál nervové soustavy. Úkolem smyslové soustavy je
zachycovat vnější podněty, převádět je na elektrochemické signály a umožnit tak jejich
vedení a zpracování nervovou soustavou.
Podle druhu podnětu dělíme receptory na:
1. Mechanoreceptory - informují ústředí o pohybu hmot v okolí těla - smysl hmatový,
polohový, sluch
2. Termoreceptory - vnímají chlad a teplo
3. Chemoreceptory - vnímají fyzikálně chemické vlastnosti látek: čich (vnímání pachů) a
chuť
4. Fotoreceptory - vnímají světlo
Smyslové orgány dělíme na všeobecné smysly (většina mechanoreceptorů, termoreceptory),
které jsou na těle rozptýleny a na speciální smysly (sluch, zrak, chuť, čich), které jsou
soustředěny do určitých míst na těle.
9.1. Mechanoreceptory
Jsou drážděny mechanicky z vnějšího prostředí nebo pohybem svalů zevnitř při pohybu,
tlaku, vibracích a gravitaci. Mezi mechanoreceptory bezobratlých počítáme - dotykové,
poziční a sluchové receptory.
1. Dotykové mechanoreceptory - povrch těla je u hmyzu kryt kutikulou, což do značné
míry eliminuje vnímání mechanických podnětů vnějšího prostředí. To je prakticky umožněno
prostřednictvím specializovaných struktur uzpůsobených k vnímání těchto podnětů.
Základním typem takové struktury je - trichoidní senzila (obr. 70 a 71), která se skládá ze
smyslového kutikulárního chlupu, vlásku, septa nebo podobného útvaru, který je spojen se
senzorickým neuronem, konkrétně jeho dendritickým výběžkem. Okolo této struktury dále
nalézáme - trichogenní a tormogenní buňky. Funkce trichoidní senzily spočívá v tom, že
mechanickým drážděním chlupu (nebo jemu odpovídajícímu útvaru) dochází k podráždění
nervových výběžků senzorického neuronu a vzniku vzruchu o frekvenci, která odpovídá
intenzitě podráždění. Na tomto procesu se podílí i pomocné struktury, trichogenní a
tormogenní buňky, které zpravidla vytváří v místě dotyku chlupu a výběžku neuronu dutinu
vyplněnou tekutinou. Tím dochází k snadnějšímu přenosu signálů. Celá struktura je
obklopena epidermálními buňkami.
145
146
147
2. Poziční mechanoreceptory - hmyz musí neustále registrovat polohu svého těla včetně
končetin a hlavy v prostoru a vůči zemské gravitaci. Vnímání této informace se označuje jako
- propriorecepce. Propriorecepce slouží k informaci nervového ústředí o změnách polohy
celého těla nebo jeho částí a slouží tak k udržování tělesné rovnováhy. Podnětem na tyto
receptory je gravitace a pohyb těla. Základním typem proprioreceptoru je pozměněná
trichoidní senzila (obr. 70), kdy vlastní čivá část (chlup), je změněna na řadu drobných
chloupků nebo malou plošku, která je v kontaktu s kutikulou. Stupeň ohnutí kutikuly
zajišťuje různou intenzitu dráždění senzoru, a tím monitorování relativní polohy dané části
těla.
Druhým typem proprioreceptoru je - tlakový receptor, který má na rozdíl od předchozího
typu spojení se svalovými vlákny, jejichž pohyby je drážděn. Tlakový receptor monitoruje
takové tělesné funkce jako jsou abdominální nebo střevní pohyby a tlaky nebo ventilační
pohyby.
Třetím typem je pak - campanuliformní senzila - (obr. 70 a 71). Je to plochý útvar, který je
opatřen čepičkou obklopenou zvýšeným valem z kutikuly. Tyto senzily jsou umístěny ve
spojení nohou a křídel, případně na dalších místech spojení dvou článků, jejichž vzájemným
pohybem jsou drážděny. Byly identifikovány i v halterách Dipter, kde slouží jako
gyroskopic-ký smysl.
3. Sluchové receptory - zvuk je tlakové vlnění šířící se prostorem (vzduchem nebo vodou)
prostřednictvím vln. Zvuková frekvence, kterou jsme schopni vnímat je 20 - 20 000 Hz (1 Hz
znamená jeden cyklus za sekundu). Hmyz je však na vnímání zvukových vln mnohem
citlivější - je schopen vnímat vibrace od velmi nízkých hodnot 1 - 2 Hz až po ultrazvuk do
hodnoty 100 kHz. Hmyz vnímá zvuk speciálními sluchovými receptory, které se značně liší
od sluchového ústrojí savců. Zvuky hmyz používá k akustické komunikaci, která je často
druhově specifická a která má etologický význam související hlavně s pářícím chováním a
rozmnožováním vůbec. Dále je schopnost vnímat zvuky využívána k identifikaci predátorů
jako jsou např. netopýři. Mnohé druhy Orthopter a Lepidopter jsou schopny vnímat
ultrazvukový radar netopýra a vyhnout se tak svému zaměření.
Hmyz je schopen vnímat zvuky v zásadě dvěma způsoby:
a) netympanální recepce - je to primitivní forma vnímání zvuků pomocí trichoidních
senzil, které jsou schopny vnímat vibrace způsobené zvuky. Patří sem např. thorakální chlupy
housenek (dlouhé 0,5 mm, vnímají zvuky o frekvenci asi 150 Hz). Tento systém funguje u
suchozemských druhů pouze na krátké vzdálenosti. U vodního hmyzu ve viskóznějším
prostředí je taková senzila drážděna uvedenými nízkofrekvenčními zvuky (vodní ploštice) i
na delší vzdálenosti.
148
Specializované subkutikulární útvary schopné dobře vnímat zvuky se nazývají chordotonální
orgány (obr. 71 a 72). Jsou to strunovité útvary napnuté napříč tělními
dutinami, které jsou svými konci připevněny na vnitřní plochy ohebných částí kutikuly.
Kromě vlastních smyslových buněk obsahují řadu podpůrných a krycích buněk, které
zajišťují a zefektivňují činnost ústrojí. Celou strukturu takového ústrojí označujeme jako skolopidium
(obr. 72). To se v základní formě skládá ze tří typů lineárně uspořádaných
buněk: subtympální buňky umístěné na skolopální buňce spojené s dendrity nervové
senzorické buňky. Toto základní schéma je však často modifikováno. Chordotonální orgány
se nejčastěji vyskytují v článcích tykadel, končetin nebo u báze křídel.
Všechna imága mají modifikované chordotonální ústrojí ve formě Johnstonova orgánu,
který leží v druhém tykadelním článku (pedicelus) a slouží ke zjišťování pasivních pohybů
tykadel (při letu) - tedy jako gyroskopický smysl. Po určité modifikaci může Johnstonův
orgán sloužit i ke vnímání zvuku (komáři: Culicidae, pakomáři: Chironomidae).
Vnímání vibrací substrátu umožňuje - subgemální orgán, což je to chordotonální orgán
umístěný v holeni nohy u většiny druhů hmyzu vyjma Coleopter a Dipter. Obsahuje řadu
senzorických buněk spojených s kutikulou holeně a procházejících tracheou. Je uzpůsoben
především ke vnímání vibrací substrátu.
b) tympanální recepce - je zajištěna specializovanými orgány dobře přizpůsobenými ke
vnímání zvuků, které se nazývají - tympanální orgány (obr. 73). Vyskytují se v hrudi,
holeních předního páru nohou, abdomenu, křídlech. Skládají se z bubínku, rezonátoru a
sluchových buněk. Bubínek je vyvinut v podobě tenké blány napnuté na chitinovém rámečku
umístěném na dně krátké chodby. Rezonátor představuje vakovitě rozšířená vzdušnice, na
kterou bubínek naléhá. Mezi bubínkem a rezonátorem jsou hřebenovitě uspořádané smyslové
buňky - crista acustica. Zvuk prochází otvorem k tympanálnímu orgánu, rozechvívá bubínek
a jeho chvění dráždí smyslové buňky. Tympanální orgány se vyskytují u hmyzu, který má
schopnost vyluzovat nějaké zvuky - nachází se hlavně u Orthopter .
Produkce zvuku
Nejběžnější způsob produkce zvuku je stridulace, která vzniká pomocí tzv. - stridulačních
orgánů, kdy se zvuk vyluzuje třením částí těla o sebe. Produkce zvuku stridulací se vyskytuje
u mnoha řádů, nejdokonalejší je však u Orthopter. U kobylek se tak děje třením hran
předního páru křídel, u sarančat třením předních křídel o pilovité hrany na femurech předního
páru nohou atd. Vydávání zvuků a jejich sluchové vnímání souvisí u hmyzu většinou s
pohlavním životem. Zvuky vyluzované samci slouží k vábení samiček.
Některé druhy hmyzu jsou schopny produkovat nízkofrekvenční zvuky vibrací substrátu dřeva,
půdy nebo rostlin. Tato vibrace se přenáší na tělo příjemce a umožňuje tak akustickou
149
150
151
signalizaci nebo komunikaci. Vibrace jsou o značně nízké frekvenci 1 - 5000 Hz a většinou
slouží ke komunikaci mezi pohlavími.
Jiný způsob produkce zvuků používají cikády (tuto schopnost mají jen samci). Spočívá v
alternativním smršťování a uvolňování specifických svalů spojených s elastickým
kutikulárním útvarem rezonační destičkou (,,tymbal") - za produkce modulovatelných pulsů
zvuku o frekvenci 4000 - 7000 Hz. Produkce zvuku zde funguje na stejném principu jako je
vydávání zvuku např. promačkáváním víčka plechovky od konzervy. Rezonanční destičku
ovládají svaly, které pracují na principu klikového mechanismu (viz kap. 1.2.1.2.2.). Takto
produkované zvuky cikád (druhově specifické) jsou slyšitelné na vzdálenost i přes 1 km a
jsou vnímány oběma pohlavími.
Zvuk produkují také některé druhy letícího hmyzu např. komáři nebo pakomáři. Je
způsoben údery křídel a je druhově specifický. Samci zpravidla produkují vyšší tóny než
samice.
9.2. Termoreceptory
Hmyz je schopen vnímat teplotu nebo její změny. Informace z této oblasti jsou však velmi
omezené a často nejsou zcela jasné principy a ani rozmístění receptorů. Receptory pro
vnímání teploty jsou často spojeny s hygroreceptory (obr. 74) a tyto kombinované senzily se
nachází na povrchu tykadel. U některých druhů hmyzu (např. u švábů) byly zjištěny termoreceptory
na tarsalních článcích.
9.3. Chemoreceptory - chuť a čich
Na rozdíl od obratlovců je u hmyzu použití chemických látek ke komunikaci mnohem
rozšířenější, a to především ke komunikaci mezi jedinci téhož druhu. K tomuto účelu slouží
především feromony (viz. kap. 10.2.4.). Nejvíce je takový způsob komunikace rozšířen u
sociálního hmyzu. Díky tomu je i funkce příslušných receptorů zvláště významná a funguje
na vysoké úrovni. Chemické smysly můžeme s jistými výhradami rozdělit na chuťové
(kontaktní) a čichové (dálkové). U vodního hmyzu se tento rozdíl do značné míry stírá.
Chuťové chemoreceptory musí zachytit a rozpoznat molekulu určité látky a zajistit, aby
tato molekula byla schopna depolarizovat membránu nervové buňky a spustit nervový
impuls. Chuťové receptory se nachází nejčastěji okolo úst, ale i na jiných místech těla - na
kladélku, kde se využijí při hledání vhodného substrátu pro kladení vajíček, na tykadlech,
která jsou opatřena celou řadou chemo- i mechanoreceptorů, na nohách - zvláště tarsálních
článcích, která jsou v kontaktu se substrátem. U motýlů např. stimulace tarsálních chuťových
buněk cukrem způsobuje reflexní rozvinutí sosáku. Podobná reakce se vyskytuje i některých
much.
Typický hmyzí chemoreceptor je - čichová senzila, která je opatřena jedním nebo častěji
velkým množstvím otvorů - pórů. Senzila bývá různého tvaru, ale je vždy uspořádána tak,
152
153
aby byly póry snadno permeabilní pro příslušné chemické látky. Póry ústí do vnější komůrky
zpravidla vyplněné tekutinou, která navazuje na dendritickou komůrku obsahující dendrity
nervové buňky (obr. 75). Čichové senzily se nachází především na tykadlech (obr. 76), někdy
v obrovské koncentraci, což ohromně zvyšuje množství zachycené látky a tím i citlivost
vnímání. Např. každý samec bource morušového má asi 17 000 čichových senzil, každou až s
3 000 póry o průměru 10 - 15 nm. To dává výsledek neuvěřitelných 45 - 50 miliónů pórů na
jednoho jedince. Takový orgán stačí pak zaregistrovat třeba i několik molekul feromonu.
9.4. Fotoreceptory - zraková ústrojí
S vyjímkou relativně malého počtu podzemních a endoparazitických druhů je většina
druhů hmyzu schopna vidění, protože se u nich utváří dobře vyvinutý systém vnímání světla.
Základem schopnosti vidění je přítomnost hlavního funkčního útvaru zrakového ústrojí čivých
výběžků zrakových buněk. Neméně důležitá je přítomnost dioptrického aparátu, a to
především čočky, která je schopna promítat světelný obraz na buňky obsahující světločivné
chemikálie a zajistit tak interpretaci vizuální informace. Ostatní součásti oka představují
pomocné struktury.
Světlo je u hmyzu vnímáno několika způsoby - prostřednictvím dermální detekce, stemat,
ocell a složených očí:
1. Dermální vidění - některé druhy hmyzu jsou schopny detekovat světlo přes povrch
svého těla bez přítomnosti specializovaných orgánů prostřednictvím receptorů v kutikule.
Způsob jejich spojení s mozkem, a tedy způsob vnímání světla jejich prostřednictvím není
dosud znám, ale jejich existence je spolehlivě prokázána z pokusů se ,,slepými" druhy hmyzu
nebo s druhy schopnými vnímat světlo složenýma očima, které byly vyřazeny z funkce.
Přesto jsou takoví jedinci schopni reagovat na světelné podněty nebo zaznamenávat
fotoperiodu.
2. Stemata - (obr. 77) jsou světločivné orgány larev holometabolního hmyzu. Nachází se
na hlavě a jsou velmi různorodé - od jednoduchých pigmentových skvrn na každé straně
hlavy až po 6 a více větších stemat s množstvím nervových buněk. U jednoduchých stemat
kryje vnější kutikulární čočka vnitřní krystalinní čočku sekretovanou třemi specializovanými
buňkami. Paprsek usměrněný těmito strukturami dopadá na rhabdom(y) - centrální
fotosenzitivní strukturu tvořenou několika retinulovými buňkami. Rhabdom je opatřen
mikrovilli, které obsahují vizuální pigment. Vnímání ,,obrazu" se realizuje jako sumace
vjemů ze všech stemat, z nichž každé zobrazuje jinou část světelného obrazu - obraz je
mozaikový. Protože stemata nezajišťují kompletní světelný obraz, je vnímání roztříštěno
podle počtu stemat. Pohybem hlavy je pak zajištěno ,,skanování" okolí, čímž je umožněno
154
155
156
157
vnímání tvarů a snad i vzdáleností a velikostí. Celkový obraz je ale primitivní i proto, že
čočky nejsou schopny řádně soustředit světlo na zrakové buňky.
3. Ocelli - (obr. 77) mnoho larev hemimetabolního hmyzu, ale především dospělců většiny
druhů hmyzu má kromě složených očí i dorzální ocelli. Ve většině případů je to trojice
orgánů, ležících na dorzální straně hlavy. Zdá se, že zvyšují schopnost vnímat světlo
složenýma očima a mají schopnost registrovat cyklické změny v jeho intenzitě a podílí se tak
na registraci cirkadiánních rytmů.
Ocellární čočka představuje průhlednou kutikulu překrývající transparentní epidermální
buňky, takže světlo může přicházet do skupiny retinulárních buněk, které zpravidla tvoří větší
množství rhabdomů. Ocelli neumožňují vidění v pravém slova smyslu, ale jsou citlivé na
změny intenzity světla.
4. Složené (facetové) oči - (obr. 77 a 78) představují nejdokonalejší typ hmyzího
vizuálního orgánu. Nachází se u všech hmyzích dospělců a u nymf hemimetabolního hmyzu.
Skládají se z desítek až tisíců omatidií, které představují základní stavební a funkční jednotku
složeného oka. Omatidia jsou kuželovitého tvaru zevně přikryta 5 až 6 bokým terčkem z
průhledné kutikuly zvaným - faceta, která plní funkci rohovky. Faceta je tvořena pevnou
průhlednou hmotou a jejím úkolem je ochrana vnitřních částí oka. Hraje také roli v optickém
aparátu omatidia, protože se podílí na koncentraci světla na smyslové buňky. Pod ní jsou 4
křišťálotvorné buňky, které vytváří ve středu omatidia - křišťálový kužel, který plní funkci
čočky o stálé ohniskové vzdálenosti. Je obalen dvěma vrstvami pigmentových buněk, které
plní funkci clony - propouští jen světlo vhodné intenzity a pod správným úhlem směřují
paprsek na smyslové buňky. Pod křišťálotvornými buňkami jsou soustředěny 4 až 8 buněk
zrakových, které vylučují silně světlolomná vlákna tvořící tyčinkovitý útvar opatřený
mikrovilli - rhabdom - obsahující oční pigmenty. Ten se spolu se zrakovými buňkami
označuje jako - sítnička (retinula). Z báze buněk sítničky vybíhají dostředivá nervová vlákna
napojená na - zrakový nerv.
Stavba očí umožňuje hmyzu obrazové vidění - obraz je však mozaikový tj. roztříštěn na
drobná políčka představující obraz jednoho omatidia. Ve srovnání s okem obratlovce je
rozlišovací schopnost hmyzího oka mnohem nižší. Avšak přítomnost mnoha omatidií
umožňuje velmi dobrou percepci především při pohybu hlavy, což je důležité hlavně při letu.
Pár složených oči umožňuje značně dokonalé binokulární vnímání vzdáleností, což je
nepostradatelné hlavně u predátorů při lovu kořisti.
Hmyz je schopen dobře vnímat také barvy. Tato schopnost je vyvinuta především u
opylovačů květin. Schopnost vnímání barev je zajištěna přítomností různých očních
pigmentů, které odpovídají různým vlnovým délkám světla (a tedy barvám). Obecně platí, že
hmyz hůře vnímá červený konec spektra, kdežto dobře barvy směrem k UV oblasti. Mnoho
158
159
rostlin, zvláště pak rostlin opylovaných hmyzem, vyzařuje UV světlo, kterým jsou opylovači
lákáni. Světlo přicházející z oblohy je polarizované. Některé druhy hmyzu mohou detekovat
rovinu polarizovaného světla a využívat toho při navigaci. Na polarizované světlo jsou citlivé
hlavně mikrovilli rhabdomu, které fungují jako polarizační filtry.
Složené oko není schopno akomodace, proto se u některých druhů vyskytují 2 typy
omatidií různých velikostí: makroomatidia, která zajišťují vidění do dálky a mikroomatidia,
která zajišťují vidění na blízko.
Podle dioptrického aparátu, a tím ostrosti vidění dělíme omatidia na:
1. Apoziční - sítnička a celý dioptrický aparát je izolován pigmentovými buňkami, ve
kterých jsou pigmentová zrna rovnoměrně rozptýlena. Do omatidia může pronikat jen světlo
kolmé či mírně šikmé, ostatní je pohlceno pigmentem. Toto světlo je však ostré. Tento typ je
charakteristický pro denní hmyz, protože umožňuje ostré vidění za jasného světla, při setmění
za šera však není schopno světlo vnímat.
2. Superpoziční - pigmentová zrna jsou pohyblivá a při snížené viditelnosti se soustřeďují
jen v okolí dioptrického aparátu. Tím jsou pigmentové buňky propustné pro paprsky
směřující k sítničce i jiných facet. Takové uspořádání umožňuje vnímat i světlo nízké
intenzity, což je typické pro noční hmyz, kdy ke vnímání obrazu stačí málo světla. Ve dne
může dojít k rovnoměrnému rozptýlení pigmentu a omatidium pak funguje jako apoziční.
Podle dokonalosti křišťálového kužele rozeznáváme omatidia:
1. eukonní - vyvinut typický křišťálový kužel
2. pseudokonní - křišťálové buňky vylučují průhlednou tekutinu
3. akonní - funkci křišťálového kužele tvoří průhledné buňky
Princip vnímání světla
Vnímání světla je zprostředkováno očním pigmentem, který zajišťuje přeměnu energie
fotonu na elektrickou energii nervové soustavy. Oční pigment je chromoprotein zvaný rhodopsin,
který se skládá z - retinalu, aldehydu vitamínu A (což je alkohol retinol),
konjugovaného s proteinem - opsinem (obr. 79). Opsin je transmembránový protein obsažený
v mikrotubulech rhabdomu. 11-cis izomer retinalu je nestabilní a jeho interakce s fotonem
způsobuje strukturní změny vedoucí k tvorbě - metarhodopsinu. Ten aktivuje - G protein a
iniciuje tak kaskádu druhého posla vedoucí ke změně membránového potenciálu na buňkách
retinuly, která vede k vyvolání depolarizace na zrakových nervových buňkách. Tyto buňky
vysílají své axony do optických laloků. V prvním neuropilu (lamina) je signál převeden
synapsí na interneurony prostřednictvím neurotransmitoru - histaminu a odtud pokračuje do
protocerebra (viz kap. 8.3.2.).
160
161
Metarhodopsin je pak inaktivován fosforylací a vazbou na další bílkovinu - arrestin. Tento
komplex je opět fotosenzitivní (ale na jinou vlnovou délku než rhodopsin) a působením světla
dává vznik inaktivnímu rhodopsinu. Ten se aktivuje defosforylací a uvolněním z arrestinu,
čímž vzniká aktivní molekula rhodopsinu schopná absorbovat světlo.
162
10. Endokrinní soustava
Mnohobuněční živočichové byli nuceni vyvinout systém sloužící ke komunikaci mezi
buňkami, tkáněmi a orgány, aby mohli koordinovat odpovědi na vnitřní i vnější stimuly a
regulovat biochemické a fyziologické procesy. Proto se vyvinula nervová a endokrinní
soustava. Zatímco nervová soustava se využívá při rychlé a pružné regulaci, endokrinní
soustava funguje relativně pomalu a jím řízené procesy mají dlouhodobější charakter. Je
známo, že obě soustavy nefungují izolovaně, ale naopak tvoří integrovaný funkční systém.
Nejlepším příkladem pro tento model jsou neurosekretorické buňky, které syntetizují a
uvolňují specifické chemické látky - neurohormony.
Látková regulace se uplatňuje již u nejprimitivnějších organismů. Buňky zde vylučují
látky, které se šíří difúzí a jsou schopny působit na pochody v sousedních buňkách. U
vývojově dokonalejších skupin je tento mechanismus zachován ve formě tzv. - tkáňových
hormonů. Později vznikají dokonalejší mechanismy regulace a vzniká soustava žláz s vnitřní
sekrecí - endokrinní žlázy, které vylučují do krevního oběhu - hormony. Nejdokonalejší
soustava žláz s vnitřní sekrecí mezi bezobratlými se vyvinula u korýšů a u hmyzu.
Jak už bylo naznačeno, evoluce endokrinní soustavy je úzce spojena s rozvojem nervové
soustavy. Nejstarší hormony vznikaly v nervových buňkách. Žlázy nezávislé na nervové
soustavě jsou z vývojového hlediska podstatně mladší. Funkční spojení obou soustav lze
pozorovat i na látkové úrovni - mezi neurohormony jako představiteli endokrinní soustavy a
neurotransmitory jako zástupci nervové soustavy můžeme pozorovat přechodné typy (viz
kap. 8.1.3.) (obr. 80):
- neurohormon - je hormon vylučovaný neurosekretorickými buňkami nervové soustavy,
je roznášen po celém těle hemolymfou či krví, působí i na velkou vzdálenost, působí relativně
pomalu - udržuje se aktivní minuty až hodiny
- lokální neurohormon - je uvolňován neurosekretorickými buňkami, působí však jen v
okolí svého vzniku
- neuromodulátor - je spojovacím článkem funkce klasických a neurosekretorických
neuronů, může modulovat signál daný nervovým vzruchem a přes synapsi ovlivňovat
nervovou nebo svalovou aktivitu.
- neurotransmitor - zajišťuje synapse neuronů, působí rychle (milisekundy) a rychle se
enzymaticky rozkládá.
Mechanismus působení hormonů
Úkolem hormonů je zasahovat do nitrobuněčných dějů a regulovat je. Hormony ovlivňují
prakticky všechny pochody v organismu - vývoj a růst, metamorfózu, svlékání, metabolismus
látek, vylučování vody a osmoregulaci, pohlavní funkce, chování, barvoměnu. Mechanismus
účinku hormonů spočívá v tom, že buď hormony aktivují již existující enzymy nebo
163
164
vyvolávají syntézu nových enzymů. Enzymy pak ovlivňují specifické reakce v buňce a
realizují tak roli příslušného hormonu.
Hormony dělíme podle vlastností, chemického složení a podle mechanismu působení v
zásadě do dvou skupin:
1. Hydrofilní nesteroidní hormony - patří sem především hormony bílkovinného
charakteru, (ale i hormony odvozené od aminokyselin), které se nemohou dostávat přes
membránu, protože nejsou rozpustné v tucích, a tak svůj účinek realizují prostřednictvím
specifických membránových receptorů.
2. Lipofilní steroidní hormony - patří sem především ekdysteroidy, ale i terpenoidy (JH),
které díky své rozpustnosti v tucích snadno pronikají přes membránu do buňky a nepotřebují
tedy specifický membránový receptor.
Z těchto vlastností pak odvozujeme dva mechanismy jejich působení:
1. Hydrofilní nesteroidní hormony - aktivace i syntéza nových enzymů
Tyto hormony působí na membránu cílových buněk, kde prostřednictvím specifických
receptorů spouští kaskádu reakcí vedoucích k aktivaci již syntetizovaných enzymů nebo k
syntéze nových enzymů. Řada receptorů těchto hormonů je spojena s G-proteiny. Receptory
G proteinů mají podobnou strukturu - jediný polypeptidový řetězec, který sedmkrát
prostupuje lipidovou dvojvrstvu tam a zpět. Když se příslušný hormon váže k tomuto
receptoru, podstupuje receptorový protein konformační změnu, která mu umožní interagovat
s G-proteinem na cytosolové straně membrány. Všechny G-proteiny mají podobnou obecnou
strukturu - jsou složeny ze tří podjednotek ,  a  . Po aktivaci receptoru hormonem dojde
k rozpadu G-proteinu na dvě části:  podjednotku spojenou s GTP a společnou +
podjednotku. Tyto dvě samostatné molekuly mohou difundovat podél membrány, dostávat se
k cíli svého určení a spouštět tak další reakce.
1a. Dráha cyklického AMP (obr. 81-1)
V tomto případě aktivovaná podjednotka G-proteinu ( podjednotka + GTP) mění
koncentraci druhého posla-cAMP tak, že zapne enzym adenylátcyklázu, která produkuje
cAMP štěpením ATP. cAMP je rozpustný ve vodě, a tak snadno přenáší signál dále
cytosolem. Své účinky realizuje aktivací cAMP-dependentní proteinkinázy - A-kinázy. Tato
kináza pak katalyzuje fosforylaci a tedy aktivaci cílových enzymů, jejichž výběr je v různých
typech buněk různý, což zaručuje specificitu účinku hormonu. A-kináza se však může
přesouvat i do jádra, kde fosforyluje genový regulační protein, který je schopen vyvolat
transkripci cílových genů, tedy přislušných enzymů.
165
Obr. 81-1
166
1b. Dráha přes fiosfolipázu C (obr. 81-1)
Některé hormonální signály využívají jinou aktivační dráhu, při které se prostřednictvím
G-proteinu aktivuje jiný membránový enzym - fosfolipáza C (C - název od calcium). Ta
působí na membránový inositolový fosfolipid, který se štěpí na inositol-1,4,5-trisfosfát (IP3) a
diacylglycerol (DAG). IP3 difunduje cytosolem a uvolňuje vápenaté ionty z
endoplazmatického retikula tak, že se naváže na Ca2+
kanály v membráně ER a otevře je.
Velký gradient elektrochemického potenciálu Ca2+
způsobí výtok Ca2+
do cytosolu. DAG
zůstává v plasmatické membréně a společně s Ca2+
pomáhá aktivovat proteinkinázu C, která
se shromažďuje z cytosolu na cytoplazmatické straně plasmatické membrány. Aktivovaná
proteinkináza C pak aktivuje další cílové enzymy, jejichž výběr podobně jako u předchozí
dráhy závisí na typu buňky; i další principy účinku C-kinázy jsou stejné jako u A-kinázy,
ačkoliv se většina cílových enzymů liší.
2. Lipofilní steroidní hormony - syntéza nových enzymů (obr. 81-2)
Steroidní hormony jsou rozpustné v tucích, proto snadno pronikají membránou dovnitř do
buňky, kde v cytoplazmě reagují se specifickými bílkovinami - hormonálními receptory.
Vzniklý komplex přechází do jádra buňky, kde reaguje s kyselou (nehistonovou) částí
chromatinu. Pak dojde k disociaci komplexu na dvě podjednotky: jedna zůstane vázána na
bílkovinu a druhá reaguje s DNA, kde tvoří iniciační místo pro - RNA polymerázu. Tak dojde
k transkripci příslušného genu a vzniklá mRNA přejde do cytoplazmy, kde se na ribozomech
syntetizuje příslušná bílkovina - enzym.
Srovnání endokrinní soustavy bezobratlých a obratlovců
1. rozdíly - u bezobratlých se vyskytuje relativně mnoho neurohormonů - u obratlovců
jsou prakticky jen dva - oxytocin a vasopresin.
- bezobratlých je málo pravých hormonů - u obratlovců většina.
2. shodné rysy - u obou soustav je hodně peptidických hormonů a některé jsou dokonce
stejné např. inzulín je u obratlovců i bezobratlých; U obou skupin však může mít i jiné
funkce.
- základní stavební jednotky hormonů obou soustav jsou stejné a známé; jsou to deriváty
aminokyselin, peptidy, bílkoviny, terpenoidy, steroidy.
- řada stejných látek má stejný účinek - např. katecholaminy, neuraminy, prostaglandiny.
Řada bezobratlých a hlavně hmyz může sloužit jako model pro studium savčích hormonů.
Hormony bezobratlých či jejich analogy mohou mít vliv i na člověka.
167
Obr. 81-2
168
Rozdělení hormonů podle místa syntézy
1. neurohormony jsou syntetizovány v neurosekretorických buňkách. Jejich uvolňování se
děje dvěma způsoby: buď se dostávají do oběhové soustavy v místě syntézy nebo jsou napřed
transportovány axony do neurohemálních orgánů (např. corpora cardiaca) a do hemolymfy
jsou uvolňovány z nich.
2. pravé hormony se syntetizují v endokrinních žlázách, odkud se v případě potřeby
uvolňují do hemolymfy, kterou jsou transportovány k cílovým buňkám
10.1. Endokrinní soustava korýšů
Endokrinní soustava korýšů je relativně dobře prozkoumána, hormony zde řídí celou řadu
funkcí jako je svlékání, vývoj a metamorfózu, barvoměnu, pohlavní funkce, hospodaření s
vodou, metabolismus živin atd. U dekapodních korýšů je základem endokrinní soustavy (1)
neurosekreční komplex očního stvolu (obr. 82). Neurosekreční buňky se soustřeďují
především do tzv. - X-orgánu, odkud se hormony transportují nervovými dráhami do
neurohemálního orgánu - sinusové (splavové) žlázy. Zde se sekrety hromadí a vylučují do
hemolymfy.
(2) Dalším komplexem je - suboesophageální - postkomisurální soustava. Hormony
neurokrinních buněk suboesophageálního ganglia jsou vedeny vlákny do postkomisurální
žlázy, která slouží jako neurohemální orgán.
(3) Další soustavou je perikardiální soustava, která je umístěna v osrdečníku, a která
vylučuje přes neurohemální perikardiální orgán látky, které ovlivňují srdeční tep.
(4) V hlavě je dále umístěn párový - Y-orgán, který funguje jako epiteliální endokrinní
žláza analogická prothorakálním žlázám hmyzu, a který vylučuje steroidní svlékací hormon
(20-hydroxyekdyson)
U samců se ještě v blízkosti spermiduktů vyskytuje - androgenní žláza.
Hlavní úlohu v endokrinní soustavě hraje X-orgán očního stvolu. Řídí činnost epiteliálních
endokrinních žláz - Y-orgánu a androgenní žlázy. Přes sinusovou žlázu vylučuje - moult
inhibiting hormone (MIH), který inhibuje činnost Y-orgánu, který produkuje svlékací hormon
korýšů - 20-hydroxyekdyson. Ten je shodný se svlékacím hormonem hmyzu, jeho výdej je
však na rozdíl od hmyzího spouštěcího hormonu PTTH (viz kap. 10.2.3.2.), nadřazeným
hormonem inhibován. Odstranění tlumicí funkce MIH má za následek nekontrolovatelné
svlékání (svlékání probíhá na rozdíl od hmyzu i ve stadiu imaga).
Dalším neurohormonem X-orgánu je - hormon inhibující androgenní žlázu. Tento hormon
inhibuje spermatogenezu a vývoj sekundárních pohlavních znaků. Odstranění očního stvolu
má za následek překotnou spermatogenezi.
169
170
Další skupinou neurohormonů z očního stvolu i postkomisurální soustavy jsou hormony
řídící barvoměnu - chromatoforotropiny. Řídí disperzi a shlukování pigmentů v chromatoforech
a tím barevné změny těla korýšů.
Významným hormonem je také - red pigment concentrating hormone, který patří spolu s
hmyzími adipokinetickými hormony (AKH) do jedné rodiny (RPCH/AKH family - viz kap.
10.2.3.1.). Řídí přesuny pigmentů v omatidiích složených očí korýšů.
10.2. Endokrinní soustava hmyzu
Endokrinní soustava hmyzu představuje mezi bezobratlými nejdokonalejší a i nejlépe
probádaný systém. U hmyzu rozlišujeme v zásadě dvě hormonální soustavy (viz ad. 1 a 2),
které fungují v těsné závislosti (obr. 83) a další 2 - 3 skupiny buněk (tkání) s endokrinní
funkcí:
1. Retrocerebrální komplex - zahrnuje neurosekretorické buňky mozkových hemisfér,
které jsou spojeny nervovými vlákny s corpora cardiaca (CC, kardiální tělíska). Tato tělíska
jsou dalším párem nervů spojena s corpora allata (CA, přilehlá tělíska).
1a. Neurosekretorické buňky mozku - jsou to obecně monopolární neurony přizpůsobené
sekreční činnosti. Jejich produkty jsou syntetizovány v těle neuronu, kde jsou asociovány s
proteiny a tvoří typické membránově vázané granule (ty se dají snadno barvit a slouží jako
důkaz neurosekrece). Dendrity neurosekretorických buněk se nachází v neuropile a axony
pronikají přes nervově-krevní bariéru a uvolňují své produkty do hemolymfy exocytózou
prostřednictvím struktur zvaných - synaptoidy, které jsou strukturně podobné synaptickému
zakončení. Produkované hormony se mohou do hemolymfy uvolňovat v místě své syntézy
nebo v neurohemálních orgánech - nejčastěji corpora cardiaca. V mozku se v každé hemisféře
nachází dvě skupiny neurosekretorických buněk. Jedna je v pars intercerebralis (medialní
neurosekretorické buňky), umístění druhé je variabilní, nachází se však více laterálně
(latelární neurosekretorické buňky). Tyto buňky produkují neuropeptidy nebo biogenní
aminy. Produkované neurohormony ovlivňují buď přímo efektorový orgán (např. působení
AKH) nebo stimulují další endokrinní žlázy k produkci hormonů (PTTH).
1b. Corpora cardiaca - nachází se v blízkosti mozku, často nasedají na aortu a slouží jako
neurohemální orgán pro mozkové neurohormony, protože sem ústí zakončení axonů jejich
neurosekretorických buněk. Jsou zde syntetizovány i vlastní hormony - adipokinetické
hormony a další neuropeptidy.
1c. Corpora allata - párová endokrinní žláza nacházející se v posteriorní oblasti hlavy v
blízkosti hltanu, někdy splývá v jeden orgán (Diptera, Hemiptera). CA jsou ektodermálního
původu, mají zpravidla oválný nebo vejčitý tvar a produkují juvenilní hormony. Velikost
orgánu bývá srovnatelná s průměrem aorty, ale mění se v závislosti na věku, pohlaví,
171
polymorfismu a aktivitě tohoto orgánu. CA jsou inervována z mozku i suboesophageálního
ganglia a jsou spojena s CC i se stomatogastrickou nervovou soustavou. Celý orgán je
172
obklopen nebuněčnou bazální laminou a obsahuje pouze jeden typ buněk. Je pro ně
charakteristická přítomnost hladkého endoplasmatického retikula, což je obecně typické pro
buňky produkující cholesterol nebo terpenoidy ve velkém množství.
2. Prothorakální žlázy - (obr. 83 a 86) párové žláznaté orgány velmi nepravidelného tvaru,
proměnlivé, nacházející se v prvním hrudním článku (prothoraxu - odtud jméno) a v hlavě.
Produkují svlékací steroidní hormony - ekdysteroidy. Nervově jsou většinou spojeny se
suboesophageálním gangliem, ale někdy i s prothorakálním gangliem nebo mozkem (švábi).
Buňky prothorakálních žláz jsou u hemimetabol malé, u holometabol naopak velké a
polyploidní. Prothorakální žlázy chybí u imag a vyjímkou Apterigota, které se svlékají po
celý život. Existence prothorakálních žláz závisí na přítomnosti juvenilního hormonu; jejich
absence u imag souvisí s nepřítomností tohoto hormonu u dospělých stadií.
U vyšších Dipter pak CC, CA i prothorakální žlázy splývají v jediný orgán - kruhovou
(prstencovou) žlázu (ring gland).
3. Neurosekretorické buňky ostatních ganglií - (obr. 84) nachází se v gangliích břišní
nervové pásky. Do hemolymfy se uvolňují většinou v perisympatických (periviscerálních)
orgánech.
4. Endokrinní buňky střeva - epiteliální buňky středního střeva produkují peptidy s
převážně neznámou funkcí. Předpokládá se, že ovlivňují trávící procesy ve střevě. Existence
těchto endokrinních buněk byla prokázána pouze imunohisto(cyto)chemicky a přímý důkaz
zatím chybí.
5. Epitracheální buňky - skupiny buněk nasedajících na tracheu blízko spirakula,
produkují ecdysis triggering hormone (ETH) (viz kap. 10.2.3.2.) podílející se na řízení
svlékání.
Endokrinní soustava hmyzu vylučuje tři skupiny hormonů (tab.1)
1. Ekdysteroidy - ekdyson, 20-OH ekdyson, makisteron a další. Chemicky jde o steroidní
hormony vylučované hlavně prothorakálními žlázami, ale i gonádami, epidermis, tukovým
tělesem a snad i jinými tkáněmi.
2. Juvenilní hormony - jsou to terpenoidy vylučované corpora allata.
3. Peptidické neurohormony - vylučované mozkem, corpora cardiaca i dalšími neurosekretorickými
buňkami v jiných částech CNS.
10.2.1. Ekdysteroidy
Ekdysteroidy jsou svlékací hormony (moulting hormones) arthropod, ale byly nalezeny i u
dalších bezobratlých, kde však mohou mít i jinou roli. U hmyzu řídí řadu biologických
funkcí, které mají vztah ke svlékání embryí, larev a nymf a dále k reprodukci dospělců.
173
Nejznámější zástupce - ekdyson - je klasický steroidní hormon s obvyklým čtyřkruhovým
jádrem (steran) odvozeným od cholesterolu (obr. 85). Pro ekdyson je typická ketoskupina na
174
175
176
B kruhu a 5 hydroxylových skupin. Ekdyson je vlastně prohormon pravého svlékacího
hormonu - 20-hydroxyekdysonu (20-OH-E). Některé skupiny hmyzu (např. Heteroptera,
Hymenoptera, Diptera) mají další homolog ekdysonu - 24-metyl-20-hydroxyekdyson neboli
makisteron A. U embryí se vyskytuje 2-deoxyekdyson a 26-hydroxyekdyson. Mimo to
existují desítky dalších zoo- a fytoekdysteroidů, ne všechny jsou však aktivní.
Fytoekdysteroi-dy slouží rostlinám jako ochrana proti herbivornímu hmyzu - jako toxiny
nebo antifeedanty. Hmyz je však zpravidla může poměrně snadno měnit na neúčinné formy.
a) Syntéza - ekdysteroidy jsou primárně syntetizovány v prothorakálních žlázách (obr. 83 a
86), odkud jsou uvolňovány exocytózou do hemolymfy. Celý proces je řízen prostřednictvím
prothoracicotropního hormonu (PTTH - viz kap. 10.2.3.2.) z mozku. Kromě prothorakálních
žláz se ekdysteroidy syntetizují také v jiných orgánech - u imág, kde prothorakální žlázy
chybí, jsou to ovária a testes. Zdá se, že zdrojem mohou být v určitých fázích vývoje i části
epidermis. Ekdysteroidy se transportují buď navázány na transportní bílkovinu nebo i volně,
protože jsou značně rozpustné ve vodných roztocích. Ekdyson se mění na 20-OH-E ve
tkáních - nejčastěji v tukovém tělese, Malpighických trubicích a střevě.
Ekdysteroidy se syntetizují z cholesterolu, který si hmyz neumí vyrobit, musí ho proto
přijímat v potravě přímo (zoofágové) nebo si ho musí připravit z rostlinných steroidů sitosterolu,
stigmasterolu nebo camposterolu (fytofágové) dealkylací. Hmyz, který není této
reakce schopen, musí produkovat makisteron A jako hlavní svlékací hormon. U motýlů bylo
zjištěno, že prothorakální žlázy produkují směs 2- a 3-dehydroekdysonu, která je rychle
redukována na ekdyson v hemolymfě.
b) Mechanismus působení ekdysteroidů - ekdysteroidy působí jako steroidní hormony tj.
aktivují syntézu nových enzymů na úrovni DNA (viz výše) tak, že vstupují do cílových
buněk a dostávají se k jádru, kde se váží na příslušný receptor. Tento komplex pak interaguje
s DNA a indukuje RNA transkripci. Ekdysteroidové receptory jsou proteiny o molekulové
hmotnosti asi 100kDa a vyskytují se v buňkách v extrémně nízké koncentraci (asi 1000
molekul/buňku). U Drosophila melanogaster byl takový receptor charakterizován včetně
svého genu. Dobře popsaným příkladem regulace genové exprese řízené ekdysteroidy je
melanizace hmyzí kutikuly u larev Manduca sexta. Ekdysteroidy zde regulují expresi genu
pro DOPA-dekarbo-xylázu, což vede k syntéze tohoto enzymu a spuštění kaskády
syntetických reakcí na jejímž konci je melanin.
c) Řízení hladiny ekdysteroidů - syntéza ekdysteroidů je spouštěna na základě stimulů z
mozku prostřednictvím prothoracicotropního hormonu. U některých druhů hmyzu byl popsán
177
i inhibiční hormon prothoracicostatin (PTSH). Koncentrace ekdysteroidů v hemolymfě je
kontrolována kombinací biosyntézy, odbourávání (metabolismu) a exkrece. Poměr všech tří
178
procesů je koordinován a kolísá během vývoje. V době zvýšené syntézy jsou metabolismus a
exkrece sníženy a naopak.
d) Metabolismus ekdysteroidů - (obr. 86) mnoho druhů hmyzu může metabolizovat
ekdysteroidy v různých tkáních - nejčastěji v tukovém tělese, Malpighických trubicích, střevě
či ováriích. Existuje zde tkáňově i časově specifická heterogenita. Vzhledem k relativní
složitosti molekuly ekdysteroidů existuje řada specifických reakcí, kterým tyto látky
podléhají (hydroxylace, oxidace, redukce, štěpení postranního řetězce, tvorba konjugátů a
hydrolýza konjugátů). Dobře známá je tvorba - konjugátů, které se nachází především ve
vajíčkách, kde jsou v této formě ekdysteroidy často ukládány (aby mohly být později zase
uvolňovány). Vysoká aktivita příslušných ekdysteroidy odbourávajících enzymů ve střevě je
důležitá pro fytofágy, kteří se tak chrání před fytosteroidy.
e) Funkce - ekdysteroidy patří spolu s juvenilními hormony k hlavním metamorfózním
hormonům. V zásadě mají několik základních funkcí (řízení svlékání, růstu, metamorfózy a
rozmnožování) a několik funkcí odvozených:
1. svlékání a metamorfóza - svlékání je kontrolováno ekdysteroidy během embryogeneze i
během larválního vývoje. V tomto období dochází k velkému kolísání v titru ekdysteroidů v
hemolymfě, což je časově korelováno se svlékacím procesem. U holo- i hemimetabol dochází
k prudkému nárůstu titru ekdysteroidů na začátku každého larválního svlékání. Obecně platí,
že titr ekdysteroidů roste před apolýzou staré kutikuly, dosahuje maxima v době nebo krátce
po apolýze a pak padá dolů na nízkou až nedetekovatelnou úroveň po ekdysi. Hladina titru
ekdysteroidů podléhá také circadiánním změnám, které souvisí s circadiánním uvolňováním
PTTH.
U hemimetabol je larválně-imaginální přeměna (metamorfóza) indukována uvolněním
jedné velké dávky ekdysteroidů. Naopak u většiny Lepidopter se ekdysteroidy vylévají
koncem posledního instaru ve dvou dávkách (u některých zástupců je ale první dávka jen
naznačena nebo chybí - Bombyx, Manduca) (obr. 86 a 87). První, menší dávka obsahuje jak
ekdyson, tak 20-OH-E (v poměru 1:1) - její hlavní funkcí je reprogramace larválního vývoje
na kuklový vývoj (viz též kap. 10.2.2.). Larva mění své chování - přestává žrát a hledá si
vhodné místo ke kuklení. Druhá dávka je mnohem větší, poměr ekdysonu a 20-OH-E je asi
1:5, a spouští larválně-pupální svlékání. Je pravděpodobně analogická dávce ekdysteroidů,
která se uvolňuje mezi larválními instary. Po zakuklení dochází k dalšímu výlevu velké
dávky ekdysteroidů, což souvisí s imaginálním vývojem. Jestliže kukla prodělává diapauzu,
tak je nárůst titru ekdysteroidů v hemolymfě pozdržen až do doby než diapauza odezní.
179
2. reprodukce - ekdysteroidy mají úzký vztah k rozmnožování; u mnoha druhů jsou
produkovány ováriemi a odtud ukládány jako konjugáty do zrajících vajíček. Během
embryogeneze se z konjugátů ekdysteroidy uvolňují a ovlivňují embryonální svlékaní. 20-
180
OH-E zvyšuje u některých druhů (především Diptera) také syntézu vitellogeninů v tukovém
tělese (hlavní role zde však připadá juvenilnímu hormonu - viz kap. 11.6.1.) a jeho sekreci do
hemolymfy. Ovariální ekdysteroidy pozitivně ovlivňují také zrání oocytů stimulací meiózy,
jejich uvolňování z germária a ovipozici. Zdá se, že vliv ekdysteroidů na činnost pohlavního
ústrojí samice je druhově specifický, protože zde existuje mnoho kontroverzních údajů, z
nichž některé se do značné míry vylučují.
O vlivu ekdysteroidů na samčí pohlavní orgány existuje mnohem méně údajů - u samců je
obecně nižší hladina ekdysteroidů než u samic, i když existují vyjímky. Ekdysteroidy hrají u
samců především úlohu ve spermatogenezi ovlivňují buňky testes i diferenciaci spermií.
Podílí se také na tvorbě spermatoforu. Po kopulaci dochází zpravidla ke zvýšení hladiny
ekdysteroidů, což je významné pro tvorbu nových spermií.
3. ekdysteroidy ovlivňují také metabolické procesy a diapauzu, stimulují proteosyntézu
atd.; většinou jde o procesy, které přímo či nepřímo souvisí s výše uvedenými funkcemi.
10.2.2. Juvenilní hormony
Juvenilní hormony jsou látky terpenoidní povahy (sesquiterpeny) odvozené od farnezolu a
ovlivňují téměř všechny aspekty hmyzího života jako je embryogeneze, larvální svlékání,
metamorfóza, kastový systém sociálního hmyzu, syntéza vitellogeninu, vývoj ovárií, fázový
dimorfismus sarančat a polymorfismus mšic, larvální a imaginální diapauza, zbarvení,
polymorfismus a metabolické aspekty těchto funkcí.
a) Syntéza - juvenilní hormony (JH) jsou syntetizovány v corpora allata (CA). Nově
nasyntetizované hormony se zde však neukládají, protože jsou přímo uvolňovány do
hemolymfy mechanismem, který není zcela znám. JH jsou transportovány hemolymfou
pomocí speciálního - bílkovinného nosiče JHBP (juvenile hormone binding protein, někdy se
označuje jako JHCP - juvenile hormone carrier protein).
JH je chemicky neobvyklý sesquiterpenoid s epoxidovou skupinou blízko jednoho konce
molekuly a metylesterovou skupinou na jejím druhém konci. Je známo několik juvenilních
hormonů (JH) - označují se římskými číslicemi a liší se zastoupením - radikálů (viz také obr.
85):
JH-0 R1=R2=R3=C2H
JH-I R1=R2=C2H5, R3=CH3
JH-II R1=C2H5, R2=R3=CH3
JH-III R1=R2=R3=CH3
181
JH-I a JH-II jsou jen u Lepidopter, kde se vyskytuje směs obou hormonů. JH-III - nejjednodušší
JH, je obecně rozšířen u hmyzu; byl prokázán u Orthoptera, Coleoptera, Hemiptera,
Hymenoptera. U vajíček Manduca sexta byl nalezen JH-0 a 4-metyl-JH-I. V prepupálním
stadiu Manduca sexta a u některých samců Lepidopter byla prokázána produkce - kyseliny
juvenilního hormonu. Tyto látky se pak metylují v imaginálních discích (což jsou ostrůvky
embryotické tkáně, která zůstává nediferencovaná až do doby dospělosti, kdy dává vznik
imaginálním strukturám - křídlům, končetinám, očím, genitáliím) nebo (u samců) v
akcesorických žlázách.
U embryí švába Nauphoeta cinerea se vyskytují velká množství - metyl farnesoátu, který
je pravděpodobně prohormonem JH. Tato látka srovnatelná s funkcí juvenilního hormonu se
nachází u korýšů. U vyšších Dipter je znám - JH-III bisepoxid (obr. 85).
b) Regulace syntézy JH - se realizuje na několika úrovních (obr. 88):
1. hormonální - mozkové hormony allatotropin a allatostatin (viz kap. 10.2.3.2.) působí
stimulačně resp. inhibičně na syntézu JH.
2. zpětná vazba - zvýšení titru JH v hemolymfě snižuje jeho syntézu a snížení naopak
stimuluje.
3. přítomnost gonád - obecně stimuluje syntézu JH. Ovariektomie (odstranění ovárií)
snižuje syntézu JH; u některých druhů stimuluje syntézu JH páření.
4. inervace, denervace CA - u různých druhů je situace různá např. u sarančete pustinného
Schistocerca gregaria má denervace za následek pokles syntézy JH, zatímco u ploštice
ruměnice pospolné Pyrrhocoris apterus je syntéza nervovými vlákny tlumena čili denervace
stimuluje syntézu JH.
c) Transport JH - přítomnost transportního proteinu JHBP (juvenile hormone binding
protein) je kritická pro distribuci JH v hemolymfě. JHBP, který patří mezi - lipophoriny, je u
Lepidopter relativně nízkomolekulární, zatímco u ostatních řádů vysokomolekulární
bílkovina. V navázaném stavu se transportuje téměř všechen JH (např. u Locusta migratoria
je poměr JH vázaného na JHBP a JH volného v hemolymfě asi 2000 : 1), což zajišťuje jeho
ochranu před esterázami hemolymfy. JHPB neovlivňuje uvolňování JH z CA, ale má
inhibiční účinky na aktivitu esteráz. Zdá se však, že tento účinek je nepřímý a je zajištěn
hlavně kompeticí pro substrát (tedy pro JH).
d) Molekulární mechanismus působení JH - předpokládá se, že mechanismus působení JH
je obdobný jako u steroidních hormonů tj. spočívá v indukci specifické transkripce. Zásadní
roli v modulaci buněčné aktivity kontrolované JH hrají - receptory. Vliv JH na určitou tkáň
nezáleží jen na přítomnosti či koncentraci JH, ale také na citlivosti tkáně k JH. Citlivost se
může změnit, když je nasyntetizován nový receptor. Přítomnost receptoru a období jeho
182
aktivity je dána geneticky. Receptory JH se dodnes nepodařilo na proteinové úrovni
spolehlivě determinovat.
183
e) Degradace JH - JH je degradován především aktivitou esterázy JH v hemolymfě (obr.
88), kdy se hydrolyzuje esterová vazba. Kromě této aktivity existuje několik dalších způsobů
degradace - epoxidová hydratace, oxidace a konjugace molekul JH - tyto reakce probíhají ve
tkáních. Řízení degradace spočívá v aktivaci genů kódujících JH esterázu. Aktivita JH
esterázy může být ovlivněna řadou faktorů jako jsou fotoperioda, výživa, parazitismus, stres
atd.
f) Funkce JH
1. metamorfóza - JH je jeden z hlavních metamorfózních hormonů. Jeho název pochází ze
schopnosti udržovat jedince v larválním (juvenilním) stadiu a bránit nástupu metamorfózy
larev. Zabránění metamorfózy spočívá v zabránění kritického kroku vedoucího k reprogramaci
mozku, a tím spuštění metamorfózního programu. Buňky a tkáně, které tento krok již
provedly, jsou již vůči JH necitlivé. Pouze experimentálně lze ještě dlouhodobým působením
vysokých koncentrací JH provést v této době dediferenciaci.
Dříve se myslelo, že metamorfóza je (u Holometabol) závislá na postupném snižování titru
JH v organismu: larva (vysoký titr) kukla (nízký titr) imago (žádný JH). Dnes víme, že
tomu tak není, ale že podstatné je působení JH v určitých kritických obdobích. Obecně
řečeno, pokud je JH v určitém období přítomen, nedochází k žádným vývojovým změnám.
Jestliže JH přítomen není, mění se exprese příslušných genů a iniciuje se nová vývojová
cesta. Skutečná hladina JH v daném období není důležitá, pokud je ovšem překročena jeho nadprahová
hodnota.
Metamorfóza je u hmyzu zahájena v posledním larválním instaru - ten je charakterizován
nepřítomností JH; u Holometabol se však setkáváme s krátkým a malým zvýšením titru JH v
kritické době těsně před kuklením (obr. 87). Tyto hormonální události jsou spojeny se dvěma
kritickými obdobími senzitivity k JH. Jedno je v době, kdy je nepřítomností JH spouštěna
larválně-kuklová přeměna a druhé v době, kdy se malým impulsem JH (u Holometabol)
stabilizují imaginální disky, a kdy je zajištěno, že se ve vývoji objeví kuklové stadium a
nevznikne přímo imago. To se realizuje zablokováním vývoje řady imaginálních struktur v
těle (změny v nervové soustavě, tvorba imaginální kutikuly a tukového tělesa, vývoj létacích
svalů, degenerace intersegmentálních svalů a především schopnost reprodukce).
Účinek JH na integument je autonomní tj. postihuje jen zasažené buňky. To se dá snadno
dokázat - galleria JH testem, který spočívá v tom, že se JH topikálně aplikuje na kutikulu
larev zavíječe voskového (Galleria mellonella) a metamorfóza je pak zablokována jen v
ošetřených oblastech a nezasažené sousední buňky vstupují do normální metamorfózy.
184
JH jsou tedy spolu s ekdysteroidy hlavními výkonnými činiteli řídícími spuštění
metamorfózy. Obecně platí, že jedinec je udržován ve stadiu larválního vývoje pomocí JH.
Když dospěje do posledního larválního instaru, který je registrován nervově především
velikostí těla, dojde k poklesu titru JH v těle a začíná se spouštět metamorfózní program. Ke
konci instaru pak dochází k uvolnění PTTH a tím ke stimulaci produkce ekdysteroidů nastává
reprogramace mozku a spustí se metamorfózní program (viz kap. 10.2.3.2.1.)
2. reprodukce - jestliže JH v době před metamorfózou zabraňuje genové expresi, pak v
době dospělosti se jeho účinek obrací a JH působí stimulačně na expresi genů nebo
buněčných funkcí. U samic JH ovlivňuje produkci vajíček tím, že reguluje tvorbu
vitellogeninů, jejich transport a vstup do oocytů (viz kap. 11.6.).
U samců stimuluje JH činnost přídatných pohlavních žláz a tvorbu feromonů. V
přídatných žlázách ovlivňuje produkci spermatoforu a dalších sekretů, které jsou předávány
při kopulaci do samice a ovlivňují její reprodukční chování a fyziologii.
3. sociální - kastový polymorfismus - JH ovlivňuje tvorbu kast u sociálního hmyzu (včel,
mravenců, všekazů) za spolupůsobení ekdysteroidů a neurohormonů. Už dlouho je známo, že
vyšší titr JH indukuje vývoj dominantních jedinců (královny), ale poslední výzkumy
zpochybňují majoritní roli JH v tomto vývoji. Jedná se spíše o kaskádu reakcí, která začíná
trofickými stimuly, které působí na CA a zajišťují vyšší produkci JH během larválního
vývoje. Vyšší titr JH může posilovat produkci ekdysteroidů z prothorakálních žláz, jejichž
vyšší titr v prepupálním stadiu pravděpodobně stimuluje transkripci příslušných genů
odpovědných za vývoj daného jedince na královnu.
4. fázový polymorfismus a barvoměna - polymorfismus se vyskytuje nejen u sociálního
hmyzu, ale setkáváme se s ním také u sarančat a mšic. Je zpravidla spojen se sezónními a
enviromentálními vlivy. U sarančat jsou známy solitární a gregarinní fáze (viz kap. 7.4.).
Solitární sarančata - jsou charakteristická světlým bílým až zeleným zbarvením, velkými
ováriemi, krátkými křídly a vyšším titrem JH. Gregarinní sarančata - jsou obecně tmavší
hnědá nebo žlutá s malými ováriemi, velkými křídly a nízkým titrem JH. Experimenty
ukázaly, že JH deficience má za následek zmizení světlého zbarvení, u ostatních
charakteristik není situace zcela jasná. Je zřejmé, že fázový polymorfismus u sarančat je
složitý proces, na kterém se JH pouze podílí.
U mšic hrají JH roli v determinaci parthenogenetických samic a regulaci jejich ovariálního
vývoje.
5. diapauza - je primárně indukována krátkou fotoperiodou (viz kapitola 7.2.) a celý
proces je řízen hormonálně. JH je pouze jeden z faktorů, který se zde uplatňuje a který je
obecně odpovědný za ukončení diapauzy.
6. další účinky JH - ovlivnění metabolismu, syntéza specifických bílkovin, pigmentace,
atd. povětšině plynou z předchozích bodů nebo jsou jejich důsledkem.
185
Nejvýznamnější a nejlépe prozkoumány jsou účinky - 1. a 2.
Účinek JH může být nahrazen další skupinou sesquiterpenoidů - retinoidy, kterých bývá v
hmyzím těle relativní nadbytek. Ty jsou kromě své zrakové funkce známy jako morfogeny.
Je známo, že retinoidy stimulují tvorbu vitellogeninů stejně jako JH a jeho analogy.
10.2.2.1. Juvenoidy
Bioanalogy juvenilního hormonu, které mají i úplně odlišnou strukturu a chemické
složení, ale stejné účinky jako juvenilní hormony nazýváme - juvenoidy. Chemie juvenoidů
dnes registruje tisíce takových látek, které jsou izolované z přírodních zdrojů nebo připravené
synteticky. Řada z nich je prodávána komerčně a využívají se především k hubení a kontrole
populací hmyzích škůdců (methopren, hydropren, phenoxycarb), někdy však ke zcela
specifickým účelům (zvýšení produkce hedvábí v komerčních chovech bource morušového viz
kap. 12.). Mechanismus kontroly hmyzích populací juvenoidy spočívá v tom, že
juvenoidy zasahují do vyvážených a přesně řízených hormonálních poměrů v těle. Způsobují
tak poruchy svlékání, vznik přechodných forem neschopných života, nadpočetných instarů,
zasahují do reprodukce. To vše má za následek vysokou mortalitu.
Výhody juvenoidů spočívají v tom, že tyto látky jsou specifické nejen pro hmyz, ale i pro
určitý druh nebo jeho stadium a rychle se v přírodě rozkládají.
10.2.3. Peptidické neurohormony
Neurohormony hmyzu jsou látky peptidické povahy, které jsou vylučovány neurosekretorickými
buňkami mozku nebo jiných částí CNS. Do hemolymfy jsou uvolňovány přímo nebo
prostřednictvím neurohemálních orgánů.
Velké množství peptidů produkovaných nervovými buňkami bylo izolováno a byla
objasněna jejich primární struktura, takže je dnes popsáno asi 200 hmyzích neuropeptidů.
Většinou byly charakterizovány v posledním desetiletí. Důvodem této velké exploze
informací bylo převratné zlepšení technik proteinové chemie (HPLC, automatické sekvenace
bílkovin, hmotnostní spektrometrie) a zavedení moderních technik molekulární biologie. Z
praktických důvodů je stimulem výzkumu hmyzích neuropeptidů hledání alternativních
metod kontroly hmyzích populací, protože použití klasických pesticidů stále více zatěžuje
životní prostředí.
U většiny hormonů je znám - pleiotropní účinek tj. hormony mají více biologických funkcí
často velmi odlišných. Ve většině případů není znám mechanismus a podstata tohoto jevu, a
také jeho ,,filozofie" je velmi nejasná. Kromě typicky hmyzích neurohormonů se v hmyzím
těle nacházejí hormony známé u obratlovců - např. inzulin-like a řada dalších.
Neurohormony zasahují do celé řady procesů v těle (obr. 89), dělí se podle různých
kritérií. Např. podle jejich účinku je můžeme rozdělit na - adenotropní (žlázy ovládající),
186
gonádotropní (řídící činnost pohlavních orgánů), morfogenetické (řídící metamorfózu a
morfogenezu), chromotropní (řídící barvoměnu), metabolické (řídící metabolismu a
187
homeostázu), myotropní (řídící různé druhy svalové kontrakce), etotropní (řídící různé typy
chování) atd.
Názvosloví hmyzích neurohormonů - nárůst počtu hmyzích neuropeptidů a nutnost jejich
klasifikace si vyžádala zavedení systematické nomenklatury, která nahradila neprůhledné
triviální názvy. Postupem času se vžila jednoduchá nomenklatura vytvořená Rainem a Gädem
(Insect Biochem., 1988, 18: 785-787), která vychází na jedné straně z rodového a druhového
jména daného hmyzu a na druhé straně z jednoduchého popisu hormonu. První část jména je
třípísmenná - první dvě písmena jsou totožná s prvními dvěma písmeny rodového jména a
jako třetí písmeno je použito počáteční písmeno druhového jména. Druhá část jména je
zpravidla zkratka popisu účinku hormonu.
Např.: adipokinetický hormon I z Locusta migratoria Lom-AKH-I
diuretický hormon z Bombyx mori Bom-DH
prothoracicotropní hormon z Manduca sexta Mas-PTTH
Metody studia hmyzích neurohormonů
- Bioassay - přítomnost a aktivita daného neuropeptidu je v průběhu jeho izolace monitorována
pomocí bioassaye. Ta spočívá v tom, že daný peptid (nebo směs látek, o které předpokládáme,
že daný peptid obsahuje) je aplikován na pokusný hmyzí objekt a je sledována
příslušná reakce, podle které usuzujeme na přítomnost nebo nepřítomnost daného peptidu:
- adipokinetická bioassay - monitoruje vliv adipokinetického hormonu nebo extraktů z
corpora cardiaca, které způsobují mobilizaci lipidů z tukového tělesa do hemolymfy. V čase
nula (tedy před aplikací daného agens) se odebere vzorek hemolymfy (1l) a do pokusného
zvířete se injikuje příslušné hormonální agens a nechá se působit 90 minut. Pak se opět
odebere 1l hemolymfy a v obou vzorcích se stanoví hladina lipidů pomocí sulfo-fosfovanilínového
testu. Ze zvýšení hladiny lipidů mezi vzorkem před a po injekci usuzujeme na
přítomnost substance s adipokinetickou aktivitou.
- myotropní bioassay - monitoruje vliv myotropních neuropeptidů nebo extraktů z corpora
cardiaca, které stimulují spontánní kontraktilní aktivitu izolovaného svalu nebo svalnatého
orgánu jako např. střeva. Vypreparované střevo zbavené okolní tkáně je zavěšeno na vlákno
do komůrky vyplněné fyziologickým roztokem - vlákno je spojeno s oscilografem, schopným
zaznamenávat svalový stah jako signál. Po počáteční ekvilibraci (asi 1 hodinu) jsou do
roztoku přidávány testované látky a podle spontánní kontrakce je usuzováno na jejich
aktivitu.
Při provádění bioassay je často nutné vyloučit vliv vlastního endogenního hormonu, abychom
mohli monitorovat vliv hormonu aplikovaného. K tomu je třeba eliminovat příslušnou
endokrinní žlázu. Děje se tak buď operací, která se označuje příponou -ektomie (např.
allatektomie - odstranění corpora allata, ovariektomie - odstranění ovarií atd.) nebo tzv.
ligaturou - což je zaškrcení části těla obsahující příslušnou endokrinní žlázu (nař. hlavy)
pomocí jemné hedvábné nitě. Takový zásah může dlouhodobě přežít pouze živočich se
značnou automácií částí svého těla nebo dokonce tělních článků (což právě hmyz splňuje).
Při vyloučení hormonálního vlivu retrocerebrálního komplexu se provádí ligatura za hlavou
188
zpravidla přes prothorax - takovému jedinci je pochopitelně znemožněn příjem potravy, ale
ve vhodných podmínkách může přežívat několik týdnů.
- Kapalinová chromatografie - zavedení HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
jako základní purifikační metody znamenalo obrovský pokrok v kvalitě a rychlosti izolace
neuropeptidů. Kolony naplněné partikulemi o mikronové velikosti a vysoké mechanické tlaky
umožňují rychlý průtok mobilní fáze a dávají spolehlivé výsledky. Základní modifikací je
reverzní fáze RP HPLC, která dělí směs látek na základě různé hydrofobicity - zpravidla se
používá gradient mobilní fáze, která je na začátku dělení polárnější než stacionární fáze poměry
se pak podle lineárního gradientu obrací. Jako náplň do kolon se nejčastěji používá
křemičitý materiál, jehož silanové skupiny jsou chemicky derivatizovány organosilany - z nich
nejrozšířenější je C-18 oktadecyl. Jako mobilní fáze RP HPLC se nejčastěji používají roztoky
acetonitrilu (CH3CN) doplněného iontově párujícími reagenty jako kyselina trifluorooctová
(TFA) nebo kyselina heptafluorobutanová (HBTA).
- Edmanovo odbourávání - je postupné odbourávání aminokyselin z N-konce molekuly
bílkoviny, které umožňuje identifikovat odbourané aminokyseliny a zjišťovat tak jejich
sekvenci v molekule bílkoviny. Proces se skládá z několika kroků (obr. 90):
1. Navázání fenylisothiokyanátu (PITC) na -amino skupinu polypeptidu v bazickém
prostředí
2. Odštěpení první peptidické vazby, uvolnění první navázané aminokyseliny a její cyklace
v kyselém prostředí
3. Změna labilního anilinothioazolinonu na stabilnější fenylthiohydation (PTH); PTH s
navázanými aminokyselinami se pak separují a identifikují pomocí RP HPLC.
N-terminální Edmanova degradace je použitelná pouze pro proteiny s volnými -aminoskupinami,
nedá se použít u proteinů s blokovanou aminoskupinou na první aminokyselině (u
hmyzích hormonů je to často kyselina pyroglutámová p-Glu). Pokud chceme sekvenovat
takovou zablokovanou bílkovinu, je nutno tuto aminokyselinu odštěpit a zpřístupnit tak
molekulu reakci. Edmanovo odbourávání představuje sled reakcí, které nejsou kvantitativní,
což znamená, že PTH signál klesá. Proto je možnost sekvenace pouze částečná, omezená na
N-konec molekuly o velikosti 30 - 40 aminokyselin a klesá s délkou molekuly. To lze do určité
míry obejít enzymatickou fragmentací molekuly a postupnou analýzou štěpů. Při použití
vhodných enzymů tak lze identifikovat i celou molekulu.
Pro úspěšné sekvenování je důležitá čistota proteinu. Ta musí být minimálně 80%.
Protein, který tvoří jeden "peak" na HPLC nebo jeden proužek na polyakrylamidové gelové
elektroforéze (PAGE) ještě nemusí být čistý, naopak zpravidla obsahuje více frakcí. Proto je
nutné separační techniky kombinovat. Pro rutinní sekvenování je třeba asi 50 - 100 pmol
materiálu. Velmi citlivá je metoda mikrosekvence, kdy vzorek po dělení na polyakrylamidové
gelové elektroforéze (PAGE) je přenesen ("oblotován") na polyvinyliden difluoridovou
(PVDF) membránu, odkud je vyřezán a aplikován na sekvenaci. Tato metoda je méně přesná,
ale zato velmi šetrná k vlastnímu vzorku a citlivá - pracuje v pmol množstvích.
- Hmotnostní spektrometrie - používá se pro přesné měření hmoty proteinů (peptidů), pro
potvrzení výsledků sekvenace nebo přímo navazuje na Edmanovu degradaci a podílí se na
objasnění primární struktury. Má mnoho modifikací. Často se používá FAB (Fast Atom
Bombardment) - metoda jejímž základem je ionizace (protonace nebo deprotonace) molekuly
bílkoviny paprskem argonu nebo xenonu. Dnes lze ionizovat molekuly do velikosti až 15 kDa.
Pro extrémně přesné určení molekulové hmotnosti proteinu (zlomky Da) při použití velmi
malého množství materiálu (1pmol a méně) se používá metoda MALDI (Matrix-Assisted
Laser Desorption/Ionization), která je schopna pracovat s biopolymery až do hmotnosti 300
189
kDa. Jedna z nejcitlivějších metod je elektrosprayová hmotnostní spektrometrie. Pracuje s
proteiny do 100 kDa a množstvím podle materiálu na úrovni pmol až fmol.
190
- Imunologické techniky - jsou založené na reakci protilátka x antigen. Mezi nejdůležitější
patří imunohisto(cyto)chemické metody, které kvalitativně detekují přítomnost hmyzích
peptidických antigenů (immunoreactive ,,like" materiál) ve tkáních nebo buňkách;
blottingové metody (Western blotting), které semikvantitativně identifikují antigenní materiál
v extraktech tkání a orgánů rozdělených na gelové elektroforéze; a dvojice kvantitativních
metod - radioimunoassay (RIA) a enzyme-linked immunoabsorbent assay (ELISA), které
selektivně měří minimální množství peptidových antigenů mezi ostatními bílkovinami v
komplexních biologických vzorcích.
- Molekulárně biologické metody - nejintenzívněji se rozvíjející oblast, která znamenala velký
pokrok v charakterizaci neuropeptidů a jejich genů. Sekvence aminokyselin v molekulách
velkých peptidů nebo proteinů může být molekulárně biologickými metodami dedukována z
příslušní DNA sekvence. K tomu je nutná znalost částečné N-terminální sekvence dané
bílkovinné molekuly, aby bylo možno připravit oligonukleotidové próby pro skrínování
komplementární DNA (cDNA) nebo genomové DNA knihovny. Pozitivní DNA klony se pak
sekvenují a ze získaných výsledků se dedukuje aminokyselinová sekvence proteinu.
Dalšími technikami lze zjistit aminokyselinové sekvence prekursorů hormonů; pomocí
PCR (Polymerase Chain Reaction) lze připravit velké množství identických kopií daného
segmentu DNA; specifických hmyzích virů - bakulovirů - jako rekombinatních vektorů může
být využito pro produkci proteinů, které lze jinak velmi těžko chemicky syntetizovat (v praxi je
tak syntetizován lidský růstový hormon, jehož gen byl pomocí bakulovirů vnesen do larev
bource morušového, kde se exprimuje a produkuje do hemolymfy odkud se izoluje).
Metodami molekulární biologie se zjistilo, že geny hmyzích neurohormonů lze rozdělit do
3 skupin:
1. Preprohormony obsahují signální peptid a neuropeptid. Např. prekursory eklozního
hormonu a neuroparsinu. Tento typ není u obratlovců znám.
2. Preprohormony obsahují signální peptid, neuropeptid a další strukturně nepříbuzné
peptidy. Např. prekursory bombyxinu a adipokinetického hormonu.
3. Preprohormony obsahují signální peptid a řadu kopií stejného nebo podobného
neuropeptidu (izoformy). Např. prekursory pro allatostatiny.
V následujícím textu jsou hmyzí neurohormony rozděleny do pěti základních skupin podle
svého účinku v organismu. U hormonů s pleiotropním účinkem je takový zástupce zařazen do
skupiny, která odpovídá jeho hlavnímu nebo nejlépe prostudovanému účinku.
1. Hormony řídící metabolismus a homeostázu
2. Hormony řídící metamorfózu, vývoj a růst
3. Hormony řídící pohlavní funkce (gonádotropní peptidy)
4. Hormony modifikující svalovou kontrakci (myotropní peptidy)
5. Hormony řídící barvoměnu (chromatotropiny)
10.2.3.1. Hormony řídící metabolismus a homeostázu
1. Adipokinetické hormony (AKH) - patří do jedné z největších a nejlépe prozkoumaných
peptidických skupin - RPCH/AKH family (red pigment concentrating hormone/adipokinetic
191
hormone family). Dnes je u této skupiny známo už přes 30 zástupců u hmyzu (téměř ze všech
významných hmyzích řádů) a jeden zástupce u korýšů. U AKH jsou známy primární
struktury (AKH-I z Locusta migratoria byl první sekvenovaný hmyzí peptid) a dobře jsou
prozkoumány jejich metabolické účinky. Jde o hormony, které můžeme nazvat stresové,
stimulují reakce vedoucí k uvolnění energie a inhibují syntetické reakce. Energeticky
zajišťují především let a pohyb vůbec.
Syntetizují a uvolňují se v corpora cardiaca (CC). U sarančat se AKH syntetizují v
buňkách tvořících - glandulární lobus CC, ukládány jsou v - zásobním lobu; malé množství
AKH-I se syntetizuje i v mozku. Přestože jsou u sarančete stěhovavého známy tři AKH
(AKH-I, AKH-II a AKH-III), zdá se, že jsou všechny syntetizovány ve stejných neurosekretorických
buňkách a dokonce byly prokázány ve stejných sekretorických granulích. Každý z
hormonů má specifickou mRNA, která je translatována do prekursoru pre-pro-AKH o
složení: signální peptid + příslušná AKH sekvence + sekvence pro další peptid s neznámou
funkcí.
Primárním signálem pro uvolnění hormonu do hemolymfy je let či pohyb obecně a výdej
hormonů je pečlivě kontrolován zpětnovazebně hladinou metabolitů. Inaktivace AKH po
ukončení jeho působení je zajištěna membránově vázanými endopeptidázami.
Chemicky jsou AKH okta- až dekapeptidy s N-koncem blokovaným p-Glu (kyselina
pyroglutámová) a s C-koncem amidovaným.
Funkce - primární funkcí AKH je mobilizace lipidů z tukového tělesa a jejich utilizace
tkáněmi hlavně pak svalovinou během letu (kritický význam u sarančat během migračních
letů). Je to také jejich poprvé zjištěná funkce, podle které dostaly svůj název.
Vlastní proces mobilizace lipidů je spuštěn uvolněním AKH z corpora cardiaca (obr. 91).
Odtud se hormon dostává k buňkám tukového tělesa, kde je specifickým receptorem
převeden na nitrobuněčný signál neboli aktivací adenylátcyklázy dochází k produkci cAMP druhého
posla. Ten v přítomnosti Ca++
iontů spouští proteinkinázovou kaskádu, jejímž cílem
je aktivovat lipázu ke štěpení triacyglycorolu na diacylglycerol - transportní formu tuků.
Diacylglycerol je pak exponován na povrchu buněk tukového tělesa, odkud je
prostřednictvím lipophorinů přebírán a transportován do místa spotřeby, tedy především do
pracujícího svalu (viz také kap. 5.1.2.). Vlastní přenos se realizuje připojením diacylglycerolu
na HDLp (high density lipophorin složený z apolipoproteinů ApoLp-I a II, někdy ještě za
přítomnosti ApoLp-III), čímž vzniká transportní jednotka LDLp (low density lipophorin),
která efektivně přepraví diacylglycerol ke svalu. Na membráně svalové buňky je
diacyglycerol hydrolyzován na glycerol a mastné kyseliny pomocí lipázy - přenos na ni je
zajištěn specifickým lipophorino-vým receptorem, jehož činnost je také stimulována AKH.
Tím se lipophorin opět mění na HDLp (příp. se od něj ještě odpoutá ApoLp-III) a prázdný
nosič se účastní přepravy další molekuly diacylglycerolu. Hovoříme tak o - kyvadlovém
192
systému přepravy diacylglycerolu. Mastné kyseliny jsou dále enzymaticky odbourávány a
slouží jako zdroj energie.
193
Z dalších funkcí AKH jsou známé - aktivace glykogen fosforylázy, stimulace vylučování
trehalózy z tukového tělesa, stimulace srdeční činnosti, zvýšení svalového napětí a inhibice
syntézy lipidů, bílkovin i RNA.
Kromě AKH patří do této skupiny řada příbuzných peptidů s podobnými účinky - hypertrehalosemické
hormony, ale mnohé AKH zvyšují hladinu cukrů v hemolymfě také.
Cílovými tkáněmi všech těchto hormonů jsou tukové těleso a svaly. Řízení hladiny cukrů v
hmyzím těle je zajištěno podobně jako u obratlovců prostřednictvím hormonů. Toto řízení
však není tak přesné jako u obratlovců - hmyz přežije i značné výkyvy hladiny cukrů v
hemolymfě.
2. Diuretické hormony - hormony z corpora cardiaca, suboesophageálního ganglia i
thorakálních ganglií, které stimulují zpětnou resorpci vody z Malpighických trubic a tím i
diurézu, produkci moči. Diuretické hormony se dělí do dvou kategorií:
a) hormony homologní s obratlovčími CRF (corticotropin releasing factor)
b) hormony s kininovou aktivitou - myokininy (viz kap. 10.2.3.4.)
Diuretické hormony byly zjištěny u řady hmyzích zástupců. U některých motýlů stimulují
posteklozní diurézu - vyloučení mekonia - odpadního produktu metabolismu během vývoje
kukly, který vyloučí motýl krátce po vylíhnutí z kukly.
3. Antidiuretické hormony - jsou vylučovány z břišní nervové pásky, stimulují zpětnou
resorpci vody ze střeva do hemolymfy a podílí se tak na hospodaření s vodou a ionty. Není
dosud známa jejich primární struktura s vyjímkou - neuroparsinu - antigonádotropního
hormonu (viz 10.2.3.3.) s antidiuretickými účinky.
4. Chloride transport stimulating hormone - neurohormon z corpora cardiaca, který
stimuluje resorpci Cli
dalších iontů z rekta. Funkčně příbuzný je - ion transport peptide z
corpora cardiaca, který stimuluje obdobný proces ve středním střevě.
10.2.3.2. Hormony řídící metamorfózu, vývoj a růst
1. PTTH (prothoracikotropní hormon, prothoracikotropin, dříve zvaný aktivační hormon) je
základní metamorfózní neurohormon, jehož důsledky byly objeveny Polákem Kopečem již
v roce 1921; vzniká v neurosekretorických buňkách protocerebra. Základní funkcí PTTH je
aktivace prothorakálních žláz a stimulace syntézy a uvolňování ekdysteroidů. Kontroluje tak
svlékací procesy a zahajuje vlastní nástup metamórfozy. PTTH je produkován pouze v
určitou denní dobu, což pravděpodobně zajišťuje, aby ke svlékání v přírodních podmínkách
194
docházelo v noci. Neurohemálním orgánem jsou corpora cardiaca, u některých Lepidopter i
dalších druhů hmyzu to mohou být i corpora allata nebo přímo mozek. Primární struktura
byla popsána u několika druhů motýlů. Nejvíce studií však bylo provedeno u Bombyx mori a
Manduca sexta, kde byly popsány dva druhy PTTH:
- 22 - 30 kDa PTTH - velký ("big") PTTH
- 4 - 5 kDa PTTH bombyxin - malý ("small") PTTH
a) Velký PTTH - jeho primární funkcí je stimulace syntézy ekdysteroidů; experimentálně
bylo prokázáno, že aktivuje vývoj decerebrovaných kukel (po odstranění vlastního mozku) a
stimuluje in vitro produkci ekdysteroidů v prothorakálních žlázách u B. mori. Je zajímavé, že
velký PTTH z bource je u Samia cynthia neaktivní. Po chemické stránce se jedná o - homodimer
(dva stejné peptidické řetězce) (každá podjednotka 109 aminokyselin) s občasným
výskytem mikroheterogenity. Obsahuje cukernou složku, je to tedy glykoprotein, ale ta ještě
nebyla identifikována. Každá podjednotka obsahuje 7 cysteinů, které tvoří 1 interřetězcový a
3 intrařetězcové můstky. Gen pro PTTH obsahuje signální peptid, 2-kDa peptid, 6-kDa peptid
a PTTH podjednotku. Southernová hybridizace ukázala, že u B. mori se nachází v haploidním
genomu jedna kopie PTTH genu, který se zdá být příbuzný s genem obratlovčího růstového
faktoru.
b) Malý PTTH - bombyxin - izolovaný z bource morušového je ve vlastním těle neaktivní,
ale kupodivu je aktivní u Samia cynthia - jeho funkce u bource není zcela jasná. U M. sexta
jsou obě vlastní formy PTTH (velký i malý) aktivní. Dodnes bylo izolováno pět druhů
bombyxinů (I - V), které jsou si velmi podobné. Bombyxin je podobný inzulínu (40%
homologie) - patří do tzv. insulin superfamily, skládá se ze dvou řetězců (A a B - tedy
heterodimer), obsahuje cysteiny, které tvoří tři disulfidické můstky, které jsou uspořádány a
umístěny stejně jako u inzulínu (jeden intrařetězcový můstek na A řetězci a dva
interřetězcové můstky mezi A a B). Také terciární struktura je podobná inzulínu.
Jednotlivé bombyxiny se na molekulární úrovni liší především v povrchových oblastech
molekuly, protože sekvence aminokyselin, které tvoří v centru molekuly hydrofobní plášť, jsou
velmi konzervovaná. To může vysvětlovat, proč je inzulín neaktivní v assay se S. cynthia.
Bombyxin I je produkován 4 páry medialnědorsálních neurosekretorických buněk a je
transportován do corpora allata. Obsah bombyxinu během vývoje v mozku kolísá, což
naznačuje jeho úlohu, zatím neznámou, během vývoje. Ukazuje se, že by bombyxin mohl hrát
roli v glycidovém metabolismu svým hypotrehalosemickým účinkem.
Nukleotidová sekvenční analýza DNA kódující bombyxin ukázala, že preprobombyxinový
gen je organizován stejně jako preproinzulínový gen. Biosyntéza obou hormonů je tedy
organizována stejně. Na druhé straně však bombyxinový genom obsahuje větší množství
bombyxinových genů, zatímco u obratlovců existuje inzulínový gen v jedné nebo dvou kopiích
na haploidní genom.
Peptid o hmotnosti 5kDa, homologní s inzulínovou rodinou (superfamily) byl izolován také
z Locusta migratoria, není však homologní s podobnými hmyzími peptidy.
195
Relativně nedávno byl identifikován také prothoracikostatický hormon
(prothoracikostatin, PTSH), který inhibuje činnost prothorakálních žláz - byl zjištěn u vyšších
much (Sarcophaga) a některých Lepidopter.
2. Allatostatiny a allatotropin - neuropeptidy z neurosekrečních buněk mozku inhibující
resp. stimulující sekreci juvenilního hormonu (JH). Vyskytují se u celé řady hmyzu např. u
motýlů, švábů, cvrčků.
- allatotropin - byl izolován u Manduca sexta, aktivuje syntézu JH u imág, ale u larev a
kukel je neaktivní. Je zajímavé, že allatotropin byl zjištěn pouze v jedné formě u M. sexta,
zatímco allatostatinů je známa celá řada. Synteticky připravený allatotropin byl u některých
testovaných druhů aktivní, u jiných neaktivní, což naznačuje jeho druhovou specificitu.
- allatostatiny - existuje jich několik desítek a tvoří allatostatinovou rodinu. U Periplaneta
americana jich bylo identifikováno 13, u cvrčka Gryllus bimaculatus byly izolovány dvě
skupiny allatostatinů (A a B), vůči nimž jsou corpora allata daného cvrčka různě senzitivní.
Sensitivita corpora allata vůči allatostatinům závisí zřejmě na specificitě peptidů a vyskytuje
se u nymf i imag. Allatostatiny mají amidován C-konec molekuly a přítomnost amidu je
kritická pro aktivitu hormonu. Pokud je amid odstraněn aktivita se ztrácí. Pro zachování
aktivity je důležitá také konzervovaná C-koncová pentapeptidová oblast, která je
pravděpodobně zásadní pro rozpoznání receptoru.
Imunohistochemicky bylo zjištěno, že allatostatinové buňky se nachází prakticky v celé
periferní nervové soustavě, takže allatostatiny budou mít i jiné funkce, než bylo dosud
popsáno. Zdá se, že působí jako modulátory jiných peptidů např. proctolinu (vliv na srdeční
činnost), je prokázán také jejich inhibiční účinek na svalovou kontrakci střeva.
3. Eklozní hormon a (ETH) ecdysis triggering hormone
Jde o hormony ovlivňující ekdysi a eklozní chování:
- eklozní hormon - je syntetizován v mozku a v břišní nervové pásce, stimuluje eklozi
(líhnutí larev z vajíček a imag z kukel), svlékání larev, kukel a imag a přes CCAP (cructacean
cardioactive peptide) spouští eklozní chování. Kromě toho působí na plasticitu kutikuly
během svlékání a iniciuje programovou degeneraci intersegmentálních svalů, které chybí u
dospělců. Primárním účinkem je však vliv na CNS. U bource morušového je znám gen, který
byl syntetizován a exprimován v Escherichia coli, což vedlo k produkci biologicky aktivního
eklozního hormonu mimo tělo bource. Eklozní hormon byl popsán u celé řady hmyzích
zástupců.
- ETH (ecdysis triggering hormone) - hormon produkovaný epitracheálními žlázami (Inka
buňkami těchto žláz - nejde tedy o neurohormon), které se nachází segmentálně u larev, kukel
i imag (byly popsány např. u M. sexta). Žlázy jsou umístěny na ventrolaterální tracheální
trubici v blízkosti spirakulí. Produkovaný peptid není strukturálně podobný ekloznímu
hormonu, spolupůsobí s ním však na řízení ekdyse. ETH stimuluje produkci eklozního
hormonu a přes nervovou pásku spouští pre-eklozní chování, dále se předpokládá, že ETH
kontroluje poslední kroky odbourávání staré kutikuly před jejím svlečením.
196
4. Burzikon - hormon pocházející z břišní nervové pásky, který se podílí na kontrole
svlékacích procesů na úrovni sklerotizace, plasticity a tmavnutí kutikuly larev. Jeden z
nejdéle známých neurohormonů. Působí v součinnosti s ekdysteroidy, eklozním hormonem a
ETH. Byl popsán u celé řady hmyzích zástupců.
5. Faktory regulující puparizaci much - skupina neurohormonů popsaná u Cyclorrhapha
(vyšší mouchy). Řídí procesy puparizace - tmavnutí a tvrdnutí kutikuly pupária, mobilizaci a
immobilizaci puparia, eklozní chování. Některé z těchto faktorů byly zjištěny i u jiných
zástupců.
6. PBAN I, II, III (pheromone biosynthesis activating neuropeptides) - skupina neuropeptidů
stimulujících syntézu a produkci feromonů u Lepidopter. Jsou syntetizovány v mozku a
podjícnovém gangliu, neurohemálním orgánem jsou corpora cardiaca. Jednotlivé PBAN se
částečně liší v sekvenci aminokyselin, PBAN III bude asi prekursorem I a II. Stimulace
syntézy feromonů spočívá v aktivaci enzymů podílejících se na syntéze mastných kyselin prekursorů
biosyntézy feromonů. Kromě PBAN existuje několik dalších - feromonotropních
faktorů.
7. Diapauzní hormon - je syntetizován v podjícnovém gangliu samic B. mori a stimuluje
embryonální diapauzu ve vajíčkách nakladených aktivní samicí. Cílovým orgánem jsou
ovária samic již v době konce kuklového vývoje, tedy ve stadiu farátního imaga (těsně před
dosažením dospělosti matky). Diapauzní hormon ovlivňuje metabolismus cukrů, dochází ke
zvýšené akumulaci glykogenu ve vyvíjejících se oocytech. Ovlivňuje také aktivitu trehalázy.
Je zajímavé, že byl nalezen i u samců.
U bource morušového existují ve dvě formy diapauzního hormonu lišící se v jedné
aminokyselině. Strukturálně je podobný PBANu, sám má také feromonotropní a myotropní
účinky. Také opačně se zjistilo, že PBAN a některé myotropní peptidy vyvolávají diapauzu u
hmyzu. Diapauza jako taková je kontrolována i PTTH, juvenilními hormony a ekdysteroidy
(viz. kap. 7.2.)
Vajíčka v diapauze u B. mori se dají uměle probudit jejich ponořením na vhodnou dobu do
slabé HCl. Diapauzní hormon byl zjištěn i u jiných druhů.
10.2.3.2.1. Hormonální řízení ekdyse
Hormonální řízení ekdyse je složitý komplexní proces zahrnující vliv - juvenilního
hormonu (JH), ekdysonu (E) a několika neurohormonů (obr. 92 a 93). Celý proces je řízen z
mozku, kde se registruje dosažení určité kritické velikosti těla, které je zásadní pro spuštění
celého procesu. Jakmile je kritické velikosti dosaženo, je svlékání zahájeno poklesem hladiny
JH (v posledním larválním instaru je JH při spouštění metamorfózy zcela nepřítomen - viz
197
kap. 10.2.2.) a produkcí prothoracicotropního hormonu (PTTH) (obr. 92) z neurosekretorických
buněk mozku. PTTH působí na prothorakální žlázy a stimuluje je k produkci ekdysonu,
který se ve tkáních hydroxyluje na 20-OH ekdyson - aktivní formu svlékacího hormonu. 20-
198
199
OH ekdyson reguluje genovou expresi v epidermálních buňkách, čímž spouští apolýzu staré a
produkci nové kutikuly.
Na řízení dalších kroků svlékacího procesu se podílí 4 neurohormony - ecdysis triggering
hormone (ETH), eklozní hormon (EH), crustacean cardioactive peptide (CCAP) a burzikon
(obr. 93). Signálem k jejich spuštění je pravděpodobně pokles titru ekdysteroidů spolu se
zvýšením citlivosti cílových tkání pro EH. Proces je zahájen uvolněním ETH z epitracheálních
buněk. ETH působí na nervovou pásku a spouští tak pre-eklozní chování, působí ale také
na mozek a stimuluje tak produkci EH - mezi produkcí obou těchto hormonů se vytváří
pozitivní zpětná vazba, kdy se oba hormony vzájemně posilují ve své produkci. EH je
produkován do nervové soustavy i do hemolymfy, což vede k produkci CCAP z ventrálního
ganglia. CCAP inhibuje pre-eklozní chování a spouští eklozní chování.
Program pre- a eklozního chování je kontrolován z abdominálních ganglií a spočívá v
ovlivnění aktivit motorických neuronů. Pre-eklozní chování představuje specifické antifázní
svalové kontrakce probíhající podél obou bočních stran abdomenu. Eklozní chování spočívá
v synchronní aktivitě abdominální svaloviny, která produkuje vlny kontrakce probíhající přes
celý abdomen. Cílem těchto aktivit je osvobodit abdomen od staré kutikuly. Celé toto
chování je inhibováno vyššími centry CNS po ukončení svlékání.
Proces svlékání je ukončen produkcí burzikonu z abdominálních ganglií, jehož uvolnění je
také iniciováno EH. Burzikon zvyšuje plasticitu kutikuly a iniciuje její tvrdnutí a tmavnutí.
Produkce burzikonu je ukončena odvržením exuvie. V této fázi je ještě znovu uplatňuje
CCAP, který stimuluje srdeční činnost. Cílem je zvýšit proudění hemolymfy a usnadnit tak
její průtok do tělních výběžků (např. křídel).
10.2.3.3. Hormony řídící pohlavní funkce (gonádotropní peptidy)
Skupina neurohormonů převážně z mozku, které stimulují nebo inhibují pohlavní funkce vývoj
ovárií, vitelogenézu, transport zásobních látek z tukového tělesa do ovárií, syntézu
ekdysteroidů, rozvoj testes. Klíčovou roli v řízení těchto pohlavních funkcí hrají epiteliální
hormony - ekdysteroidy a juvenilní hormony, ale nezanedbatelná role připadá i neurohormonům.
Podle účinku na pohlavní funkce dělíme gonádotropní neurohormony na dvě skupiny:
1. stimulační gonádotropní neurohormony (gonadotropiny):
- ovary maturing parsin (OMP) - peptid z mediálních neurosekretorických buněk mozku,
který se podílí na produkci vitellogeninů, ale mechanismus účinku není zcela jasný. Působí
také jako ekdysiotropní faktor - stimuluje sekreci ekdysteroidů z ovárií. Předpokládá se, že
existuje ještě další faktor stimulující produkci ekdysteroidů z ovárií - folicle cell tropic
hormone (FTCH), který se ale liší od OMP.
200
- egg development neurohormone (EDNH) - stimuluje vývoj vajíček v ováriích (viz také
kap. 11.6.1.). Někdy se nazývá také - ovarian ecdysteroidogenic factor, protože jeho úkolem
je stimulace ovariálních folikulárních buněk k sekreci ekdysonu. EDNH je produkován v
mediálních neurosekretorických buňkách mozku a ukládán v CC. Jeho činnost může být
eliminována oostatickými hormony.
- PTTH (viz kap. 10.2.3.2)
2. inhibiční neurohormony (antigonadotropiny) - inhibují vývoj vajíček v ovariálních
folikulech. Tato inhibice zajišťuje, že pouze jedno nebo několik vajíček prodělá ovariální
cyklus. Do této skupiny patří:
- neuroparsin - má inhibiční účinek na corpora allata a syntézu juvenilního hormonu. Dále
má hypertrehalosemický a hyperlipaemický účinek, působí i antidiureticky.
- oostatické hormony a TMOF (trypsin-modulating oostatic factor) - inhibují transport
vitellogeninů přes hemolymfu do ovárií hlavně působením na juvenilní hormon, modulují
syntézu ovariálních ekdysteroidů, inhibují syntézu trypsinu a dalších proteolytických enzymů
ve střevě (což je kritické pro krevsající hmyz a jeho rozmnožování) nebo uvolňování EDNH.
Někdy se tato skupina hormonů označuje jako folikulostatiny.
10.2.3.4. Hormony modifikující svalovou kontrakci (myotropní peptidy)
Velká skupina neurohormonů stimulujících svalovou činnost. Působí na aktivitu - srdce,
svaloviny střev, ovárií i kosterní svalovinu, čímž stimulují příslušné funkce. Často působí na
více orgánů současně.
1. Proctolin - nejznámější zástupce a jeden s prvních hmyzích neurohormonů, které byly
izolovány a strukturně definovány (byl izolován ze 125 kg celých těl švábů!). Vyskytuje se u
mnoha hmyzích druhů i jiných arthropod. Stimuluje především rytmické kontrakce - srdce,
dále pak střeva a oviduktů. Působí také jako neuromodulátor viscerální i skeletální svaloviny.
2. Kardiostimulační hormony - činnost srdce je kromě proctolinu stimulována také crustacean
cardioactive peptide (CCAP) - hormonem z ganglií břišní nervové pásky. Je to
hormon podílející se na řízení procesu svlékání, kde spouští eklozní chování larev a stimuluje
srdeční činnost. Jsou známy i další kardiostimulační peptidy, některé patří do AKH/RPCH
rodiny a mají také hypertrehalosemické účinky.
3. Skupiny myotropních neurohormonů - myokininy, sulfakininy, pyrokinyny, tachykininy,
periviscerokininy, FMRF-amid - a myoinhibiční peptidy. Řada z nich má i další funkce - např.
diuretickou aktivitu.
10.2.3.5. Hormony řídící barvoměnu (chromatotropiny)
Skupina hormonů řídících barevné změny v kutikule i epidermálních buňkách, které
souvisí s distribucí pigmentů. Patří sem např. PDF - pigment dispersing factor, MRCH -
201
melanization and reddish coloratig hormone (izolovaný z bource morušového a identický s
PBAN). Některé chromatotropiny patří k AKH/RPCH rodině.
10.2.4. Feromony
Feromony se označují také jako - exohormony a můžeme je definovat jako látky, které
zajišťují chemickou komunikaci mezi jedinci téhož druhu. Jsou vylučovány - exokrinními
žlázami - zpravidla ve velmi malém množství do okolního prostředí mimo tělo. Látky jsou to
převážně volatilní (např. terpeny), čímž může docházet k jejich snadnému šíření vzduchem.
Někdy se však setkáváme i s kapalnými kontaktními feromony. Zpravidla působí již ve velmi
nízké koncentraci a na velkou vzdálenost. Jedinec je tak schopen zachytit a reagovat již na
množství několika molekul látky. Feromony po zachycení smyslovým orgánem spouští určitý
typ chování nebo vyvolávají změny ve vývojových procesech.
Žláznaté buňky a orgány syntetizující feromony jsou lokalizovány na různých místech těla
jak samců, tak i samic. Uvolňování feromonů ze žláz je řízeno jak nervově, tak i hormonálně
(PBAN viz kap. 10.2.3.2.) - řada mechanismů však zůstává neobjasněna. Ve vzduchu je
šíření feromonů ovlivněno - atmosférickými podmínkami, především však směrem větru
(obr. 94). Cílový jedinec zachycuje molekuly feromonu čichovými orgány na tykadlech, kde
feromon dochází do styku s - receptorem a způsobí depolarizaci receptorového neuronu. Tím
je signál zachycen a dále zpracován v mozku, kde vzniká příslušná odpověď spouštějící
určitý typ chování.
Izolace a následná identifikace feromonů je obtížná, protože feromony jsou produkovány a
aktivně působí jen ve velmi malých množstvích. Na izolaci látky je pak třeba řádově 100.000
- 1.000.000 jedinců. V posledních letech, kdy došlo ke zvýšení citlivosti analytických
separačních metod (chromatografické metody HPLC, GC atd.) se množství jedinců nutných
na izolaci takových látek snižuje, ale stále je nutno nashromáždit značné množství materiálu.
Dnes jsou již známy stovky látek s feromonovými účinky, velmi často se používají v praxi ke
kontrole hmyzích populací - monitoringu stavu, početnosti výskytu škůdců, hubení spolu s
insekticidy atd.
Feromony ovlivňují celou škálu hmyzího chování, podle typu tohoto chování rozlišujeme:
1. Sexuální feromony - tvoří největší skupinu. Většina sexuálních feromonů je sekretována
samicemi a působí stimulačně na samce (v některých případech je tomu ale i opačně). Jestliže
samec zachytí takový stimul, lokalizuje samici podle směru přicházejícího feromonu
(zpravidla proti větru), spustí se v něm sexuální chování a následuje páření. Tato skupina
feromonů vykazuje velmi silný - biologický efekt a hraje klíčovou roli ve spuštění předpářícího
(pre-mating) chování.
2. Výstražné feromony - další velká skupina feromonů. Byly identifikovány u exo- i
endopterygot. Zvláště běžné a typické jsou pro sociální hmyz - termity, mravence, včely. Zde
202
jsou základem chemické komunikace. Spouští agresivní chování vos nebo mravenčích a
termitích vojáků. Nebyly identifikovány u čmeláků. Obecně zajišťují tyto feromony obranné
chování a únikové reakce před predátory.
203
3. Agregační feromony - látky produkované jedním nebo oběma pohlavími daného druhu
za účelem agregace jedinců. Od sexuálních feromonů se liší tím, že nepůsobí jen na jedince
opačného pohlaví, ale obecně. Taková agregace se děje za účelem obrany, z potravních
důvodů (shromáždění jedinců v místě zdroje potravy), reprodukce obecně nebo jejich
kombinace. Jsou známy u více řádů hmyzu, ale nejrozšířenější jsou u brouků.
U některých druhů nacházíme také - anti-agregační feromony. Působí opačně - např.
odpuzování od přeplněného zdroje potravy atd.
Existují další mnohé skupiny feromonů (např. stopovací) - nejsou však tak známy jako
předchozí skupiny.
Látky, které jsou sekretovány jedinci určitého druhu a působí na jedince jiného druhu, se
obecně nazývají - allelochemikálie. Jako allelochemikálie mohou být využívány feromony
nebo hormony. Toho využívá řada symbiotických nebo parazitických organismů - parazitoidi
mohou produkovaný feromon zachytit jako signál k napadení hostitele, endoparazitoidi
mohou produkcí hormonů synchronizovat vývoj hostitele s vývojem svým, případně mohou
sami kontrolovat hostitelův endokrinní režim: např. někteří parazitoidi mohou vylučovat
juvenilní hormon, kterým udržují hostitele v larválním stadiu, a tak si vytváří optimálnější
podmínky pro svůj vývoj.
Podle svého účinku můžeme allelochemikálie rozdělit na:
- kairomony - látky, sloužící k užitku příjemcům, kteří je zachycují, ale přinášející
nevýhody svému producentovi. Např. myrceny a další terpenoidy produkované jehličnatými
stromy přitahují dřevokazné brouky, feromony hmyzu lákají parazitoidy atd.
- allomony - látky, které přináší užitek producentovi a jsou neutrální pro příjemce. Např.
alkylpyraziny, obranné a repelentní chemikálie, které odrazují predátora od útoku - často jsou
spojeny s určitými mimikrami (aposematické zbarvení).
- synomony - látky přinášející užitek producentovi i příjemci. Např. terpeny produkované
jehličnany, které slouží jako kairomony pro dřevokazné brouky mohou být využity jako
synomony parazitoidy uvedeného hmyzu.
204
11. Činnost pohlavních orgánů a rozmnožování
Reprodukční orgány hmyzu vykazují obrovskou tvarovou variabilitu, ale i přesto je možné
určit jejich obecné základní části a vymezit jim odpovídající funkce.
11. 1. Samičí pohlavní systém
Hlavní funkcí samičích pohlavních orgánů je produkce vajíček včetně tvorby jejich
ochranných struktur a skladování samčích spermií do doby, kdy jsou vajíčka připravena k
oplodnění. Transport spermií do místa jejich uložení a jejich následné postupné uvolňování je
zajištěno pohybovou aktivitou spermií, ale u mnohých samic se tomuto pohybu napomáhá
svalovou kontrakcí reprodukčního traktu. Základními částmi samičí pohlavní soustavy (obr.
95) jsou - ovaria - skládající se z ovariol, které se spojují v místě zvaném - calyx a které ústí
do laterálního oviduktu. Pár laterálních oviduktů tvoří dále - společný ovidukt, který ústí
gonoporem do genitální komory často zvané burza copulatrix. Ta ústí ven vulvou, která může
být velmi úzká a uzavírat tak genitální komoru. Mezi vulvou a komorou může být více či
méně znatelná trubice zvaná - vagina. Do genitální komory ústí dva typy ektodermálních
žláz. První z nich se nazývá - spermatheca a ukládají se v ní spermie do doby fertilizace. Do
spermatheky často ústí - spermathekální žláza, která produkuje sekret sloužící k udržení a
výživě spermií. Druhá žláza se nazývá - akcesorická (přídatná) a její sekret má řadu druhově
závislých funkcí. Zpravidla však slouží k ochraně a přilepení vajíčka k substrátu (odtud se
někdy nazývají - cementové žlázy). U Hymenopter jsou přeměněny v - jedové žlázy, u
mouchy tse-tse (Glossina) se nazývají - mléčné žlázy, protože vyživují vyvíjející se larvy
(adenotrofní viviparie).
Základní stavební a funkční jednotkou ovaria je ovariola, která se skládá z terminálního
filamentu, germária (kde probíhají mitózy tvořící primární oocyty), vitellária (kde oocyty
rostou akumulací žloutku procesem zvaným vitellogeneze) a pedicelu (stopka). Ovarioly
obsahují vyvíjející se vajíčka, která jsou obklopena vrstvou folikulárních buněk tvořících
epitel. Oocyt spolu s okolním epitelem vytváří útvar, který se nazývá - folikulus. Podle typu
výživy vajíček dělíme ovarioly na meroistické, které obsahují - trofocyty - specializované
nutritivní buňky a panoistické (atrofní) s nepřítomností těchto buněk (obr. 96). Meroistické
ovarioly se dále dělí podle uspořádání trofocytů na telotrofní, kde jsou trofocyty nahloučeny
v germariu a zůstávají spojeny s oocyty cytoplazmatickými můstky a - polytrofní, kdy
trofocyty zůstávají přímo spojeny s oocyty a putují s nimi ovariolou. Typ ovarioly je řádově
(podřádově) specifický.
205
11.2. Samčí pohlavní žlázy
Hlavní funkcí samčí pohlavní soustavy je produkovat a uchovávat spermie a zajistit jejich
transport v životaschopném stavu do pohlavních orgánů samice. Hlavní částí samčí pohlavní
206
Obr. 96
207
soustavy (obr. 95) jsou - varlata (testes), která se skládají z testikulárních trubic neboli
folikulů, které produkují samčí pohlavní buňky - spermie. Trubice ústí do - spermiduktů
neboli chámovodů (vasa deferentia), které se zpravidla posteriorně rozšiřují a tvoří zásobní
orgány - vesicula seminalis. Podobně jako u samic se zde tvoří - akcesorické (přídatné) žlázy.
Jsou mezodermálního nebo jen vyjímečně ektodermálního původu. Funkcí těchto žláz je
produkce - sekretů. Ty mohou vytvářet specializovaný útvar - spermatofor, který obklopuje,
chrání a vyživuje shluky spermií během jejich transportu do samice. U těch druhů hmyzu,
které produkují spermie samostatné, nenahloučené do spermatoforu (Heteroptera, Coleoptera,
Diptera, Hymenoptera), hraje tuto ochrannou funkci přímo sekretovaná tekutina. Sekret
akcesorických žláz také usnadňuje páření a může ovlivňovat i samičí chování. Pár vývodů
vasa deferencia ústí do - chámometu (ductus ejaculatorius) - trubice, která transportuje
semeno přes - penis a jeho distální část zvanou - aedaegus do gonoporu.
11.3. Kopulace a fertilizace
Kopulace je výsledkem složitého behaviorálního procesu, který umožňuje setkání dvou
jedinců jednoho druhu a opačného pohlaví. U primitivních druhů (Collembola, Diplura)
dochází k tomu, že samec odkládá svůj spermatofor na substrát, odkud si ho samice sama
bere a vkládá do pohlavního ústrojí. U Pterigot dochází k vlastní kopulaci, fyzickému spojení
samce a samice, kdy se spermie (samostatné nebo nahloučené do spermatoforu) přesunují
přes aedaegus do pohlavního ústrojí samice (obr. 97). Kopulaci předchází řada druhově
specifických senzorických stimulů, které často pokračují během páření. Samec zpravidla
mechanicky stimuluje nohy, tykadla, genitálie nebo jiné části těla samice, případně vyluzuje
zvuky. Spermie jsou samcem předávány do samičí burza copulatrix nebo přímo do
spermatheky či jejího vývodu. Páření je usnadněno vlhkým sekretem produkovaným
akcesorickými žlázami, který se podílí také na finálním zrání spermií a jejich výživě nebo
ovlivňuje samičí fyziologii. V některých případech mohou složky sekretu ovlivňovat
ovipozici, a když se dostanou do hemolymfy, tak ovlivňují nervový a endokrinní systém
samice. Spermie jsou v samičích reprodukčních orgánech uloženy ve spermathece (často i od
různých samců), a tam přetrvávají někdy i velmi dlouho - u včel i 3 a více let. V tom případě
jsou vyživovány sekretem spermathekální žlázy. Spermie jsou pak podle potřeby uvolňovány
a oplozují vajíčka procházející oviduktem a vaginou. Do vajíčka se dostávají otvorem
zvaným - micropyle. Celý proces je precizně řízen (orientace vajíček směrem k spermathece,
počet uvolňovaných spermií atd.) tak, aby byl co nejekonomičtější.
11.4. Kladení vajíček
208
Téměř všechen hmyz je - oviparní tj. klade vajíčka. Obecně platí, že vajíčko je rychle po
ovulaci (tj. po uvolnění z ovarioly) oplodněno a vykladeno. Ovulace je kontrolována nervově
i hormonálně. Kladení pak představuje proces, kdy je vajíčko vypuzeno z genitálií ven (obr.
209
98), což je často spojeno s určitým typem chování jako je zahrabávání vajíček do substrátu,
jejich kladení na substrát, do živočišných nebo rostlinných těl atd. Hmyzí vajíčko je
považováno za zralé, i když se ještě nachází v ovariích, ale už je ukončena tvorba jeho obalů
- membrana vitellina (primární obal - vzniká činností oocytu) a chorion (sekundární obal vzniká
činností folikulárních buněk). Chorion se může dále dělit na - voskovou vrstvu,
endochorion a exochorion (obr. 98). Vaječné obaly mají několik funkcí - umožňují selektivní
průnik spermií, svou elasticitou usnadňují ovipozici, chrání embryo a zajišťují mu vhodné
prostředí jako je vlhkost, teplota, bariera mikrobiální infekce a umožňují také výměnu plynů kyslíku
a oxidu uhličitého. Vosková vrstvička je významná hlavně u druhů kladoucích
vajíčka do suchého prostředí, protože zabraňuje ztrátám vody. Vajíčka jsou u hmyzu relativně
velká - 0,2 až 20 mm.
Kromě uvedených vaječných obalů je mnoho vajíček opatřeno ještě terciárními obaly
(bílkovinnými, cementovými), které vznikají činností samičích akcesorických žláz, a které
slouží k přilepení vajíček na substrát. U některých druhů bývá snůška vajíček s tenkými obaly
obklopena - oothékou, která chrání vyvíjející se vajíčka před vysušením. U švábů je to
kapsovitý, hnědě zbarvený útvar, u sarančat je oothéka pěnovitá atd.
U mnoha druhů hmyzu se vyvíjí speciální samičí orgán - ovipozitor (kladélko), které
vzniká na 8. a 9. abdominálním článku, a které slouží ke kladení vajíček do vhodného
substrátu (Thysanura, Odonata, Hymenoptera, Diptera, Lepidoptera, Orthoptera, Hemiptera
atd.). Kladélko se často může teleskopicky vysouvat a pronikat na místo určení. Je opatřeno
řadou senzil (obr. 98), které informují matku o vhodnosti substrátu pro kladení. U některých
Hymenopter (vosy, včely, mravenci) ztratilo kladélko původní význam a přeměnilo se na
jedem vybavené žihadlo.
11. 5. Fyziologická kontrola reprodukce
Reprodukce je ovlivněna řadou faktorů vnějšího i vnitřního prostředí. Jsou to teplota,
vlhkost, dostupnost potravy a vhodných míst na kladení atd. Tyto vnější faktory mohou být
doplněny fyziologicko-vývojovými faktory jako stupeň zralosti oocytů, výživné podmínky
atd. Kopulace může spustit ovipozici a vývoj oocytů prostřednictvím enzymů nebo peptidů ze
samčích přídatných žláz přenesených do těla samice. Oplodnění vajíčka pak spouští proces
embryogeneze. Regulace reprodukce je komplexní záležitost zahrnující senzorické receptory,
nervovou integraci podnětů v mozku i hormonální stimuly transportované nervovými axony
nebo hemolymfou do cílových tkání nebo dalších endokrinních žláz. Na řízení reprodukce se
podílí všechny tři skupiny hmyzích hormonů - ekdysteriody, juvenilní hormony (JH) i
neurohormony (obr. 99). Obecně řečeno JH hrají úlohu ve funkci orgánů jako jsou ovaria
210
(řízení vitellogeneze - viz kap. 11.6.) nebo přídatné žlázy, ekdysteroidy ovlivňují spíše
morfogenezu a neuropeptidy různá stádia rozmnožování - regulují další endokrinní funkce
nebo přímo řídí ovulaci a ovipozici (viz kap. 10.2.3.3.).
211
212
11.6. Vitellogeneze
Důležitým procesem probíhajícím ve vyvíjejících se oocytech je vitellogeneze. Je to
proces, kdy se do oocytů dostávají energetické a výživné zásoby ve formě žloutku.
Vitellogeneze zahrnuje produkci specifických samičích (fosfo)lipoglykoproteinů vitellogeninů
a jejich transport do oocytů. Vitellogeniny se skládají z podjednotek a jejich
molekulová hmotnost je několik set kDa. Výsledkem vitellogeneze je produkce zralého
oocytu. Je to proces, který je zahájen v době, kdy se vajíčko nachází v terminální části
ovarioly, ale jeho hlavní část probíhá ve vitelláriu. Vitellogeniny jsou syntetizovány v
trofocytech v tukovém tělese nebo vzácně také v ováriích (někteří brouci a vyšší dvoukřídlí).
Trofocyty prodělávají během vitellogenézy značné cytologické změny. Tyto buňky normálně
slouží k ukládání zásobních tuků a glykogenu, ale s nastupující vitellogenézou se mění na
buňky s obrovskou proteinovou produkcí. Prodělávají tři vývojové fáze:
1. previtellogení fáze - buňky obsahují velké tukové inkluze, glykogen a mají malé jádro
2. vitellogenní fáze - buňky mají velký obsah drsného endoplazmatického retikula (RER) a
Golgiho aparátu, velké jádro a laločnatá jadérka
3. terminální fáze - buňky mají velký obsah lysozymů
Po vytvoření proteinového základu jsou molekuly vitellogeninů glykosilovány nebo
fosforylovány a navazují se na nich tukové komponenty. Poté jsou vyloučeny do hemolymfy
a transportovány do ovárií, kde vstupují endocytózou s pomocí specifických receptorů do
oocytů. Místem vstupu jsou zpravidla specifické oblasti na bázi oocytárních mikroklků v
místech krytých specifickou bílkovinou - klatrinem. Po vstupu se vitellogeniny oddělují od
receptorů a vytváří proteiny zvané - vitelliny. Jejich chemické složení se může od
vitellogeninů lišit. Vitelliny vytváří žloutková zrna, ve kterých jsou dlouhodobě uložena v
krystalické formě. Do oocytů jsou během vitellogenézy transportovány také tukové kapénky
pocházející z folikulárních buněk nebo z trofocytů z tukového tělesa.
Během embryonálního vývoje jsou vitelliny utilizovány a slouží jako hlavní výživný zdroj
pro vyvíjející se embryo.
11.6.1. Řízení procesu vitellogeneze
Řízení procesu vitellogeneze je složitý nervově a hormonálně řízený proces, na kterém se
podílí všechny skupiny hmyzích hormonů - JH, ekdysteroidy i neurohormony. U různých
druhů hmyzu se v tomto procesu vyskytují určité odchylky - v zásadě však můžeme
mechanismus řízení vitelogeneze rozdělit na dvě skupiny. U jedné skupiny, kam patří většina
druhů hmyzu kromě Dipter, hraje hlavní roli v řízení syntézy vitelogeninu (Vg) v tukovém
tělese juvenilní hormon (JH), u druhé skupiny reprezentované zástupci Dipter hrají tuto roli
213
ekdysteroidy. Neurohormony v tomto procesu hrají obecně vedlejší, i když také
nezanedbatel-né role:
1. skupina - většina druhů hmyzu - (obr. 100) signálem pro spuštění syntézy Vg bývá
přítomnost potravy (zpravidla postačuje její vůně) nebo také signály související s pářením.
Tyto signály jsou registrovány mozkem a vedou ke stimulaci produkce JH z corpora allata
prostřednictvím adenotropního neurohormonu - allatotropinu. JH působí přímo na stimulaci
syntézy Vg v trofocytech tukového tělesa tím, že ovlivňuje expresi příslušných genů. Syntéza
Vg tak zahrnuje klasickou mašinerii typickou pro sekreční bílkoviny a představuje model
hormonálně regulované genové exprese. Odtud je pak Vg transportován do vyvíjejících se
oocytů. Vlastní vstup Vg do oocytů je zajištěn pomocí specifických receptorů, jejichž činnost
je také řízena JH. Pouze oocyt ošetřený JH je schopen přijímat tento transportovaný Vg.
Speciální faktor produkovaný terminálním oocytem u většiny druhů hmyzu navíc zajišťuje,
že pouze terminální oocyt akumuluje Vg, zatímco mladší oocyty jsou inhibovány. Ukončení
syntézy Vg je zahájeno stimuly z terminálního oocytu, které iniciují produkci adipokinetického
hormonu (AKH) z corpora cardiaca. AKH pak inhibuje produkci Vg přímo v tukovém
tělese. Spuštění procesu mobilizace lipidů z tukového tělesa prostřednictvím AKH v tomto
případě nehrozí, protože inhibice syntézy Vg je spuštěna již při 10% množství AKH nutného
ke spuštění mobilizace lipidů.
Vitelogeneze je v širším slova smyslu stimulována nejen JH, ale i gonádotropními
hormony - ovary maturing parsin (OMP) a egg development neurohormone (EDNH), které
podobně jako u Dipter (viz níže) stimulují ovaria k produkci ekdysonu. OMP indukuje také
expresi vitellogeninového genu, i když tento mechanismus není zcela jasný.
Vitellogeneze může být na druhé straně také inhibována - oostatickými hormony (viz kap.
10.2.3.3.)
2. skupina - Diptera - (obr. 101) jak již bylo naznačeno, v řízení procesu vitelogeneze u
Dipter hraje důležitou roli ekdyson (E). Protože však prothorakální žlázy u imag chybí, je
produkce E zajištěna přímo folikulárními buňkami ovariol. Tato produkce je spuštěna
gonádotropním neurohormonem - EDNH (egg development neurohormone) uvolňovaným z
mozkových neurosekretorických buněk. Uvolnění tohoto hormonu je stimulováno naplněním
střeva krví, tedy příjmem potravy. Tento hormon je však schopen stimulovat k produkci E
pouze takové folikulární buňky, které byly již dříve ošetřeny JH. JH se uplatňuje tedy i v
tomto procesu řízení vitelogeneze, ale nehraje zde principiální roli. Ta připadá E, který se v
tukovém tělese mění na 20-OH ekdyson, a který reguluje syntézu Vg v trofocytech. U Dipter
(ale i některých brouků) jsou navíc Vg syntetizovány také v ovariálních buňkách - v tomto
případě se Vg označuje jako - žloutkový protein (yolk protein). Ostatní kroky řízení
vitelogeneze jsou u Dipter podobné výše popsanému procesu.
214
215
216
12. Hmyzí produkty využitelné člověkem
Hmyz vytváří celou řadu produktů, které mohou sloužit k užitku člověka. Mezi
nejdůležitější patří hedvábí, med, vosky, laky a jedy. Člověk je na hmyzu také nepřímo
závislý jako na opylovačích, v některých částech světa je hmyz také důležitou složkou lidské
potravy; hmyz je důležitým modelovým objektem základního i aplikovaného výzkumu.
1. Hedvábí - je produktem u hmyzu relativně rozšířeným, produkovaným ve žlázách
různého původu, ale nejčastěji se s ním setkáváme u larev chrostíků a motýlů. Nejznámějším
zástupcem, který produkuje komerčně využitelné hedvábí je bourec morušový Bombyx mori.
Hedvábí je u larev motýlů produkováno ve - snovacích žlázách (obr. 102) a je primárně
využíváno na tvorbu kokonů, které chrání vyvíjející se kuklu. Snovací žlázy Lepidopter jsou
přeměněné labiální žlázy a jsou dobře přizpůsobeny své funkci - mohutné syntéze a sekreci
hedvábí. Z hlediska intenzity produkce, je to nejvýkonnější syntetický systém v celé
živočišné říši. Snovací žlázy lze snadno morfologicky a funkčně rozdělit na tři oddíly přední,
střední a zadní oddíl. Chemicky je hedvábné vlákno složeno z několika druhů
bílkovin. Základní složkou je mohutná bílkovina - fibroin - (molekulová hmotnost asi 360
kDa) sekretovaná v gelovité konzistenci zadním oddílem žláz. Fibroin má charakteristickou
strukturu i aminokyselinové složení, které zajišťuje jeho obrovskou pevnost a pružnost.
Kromě fibroinu se v zadním oddíle žláz syntetizuje několik bílkovin o malé molekulové
hmotnosti, jejichž funkce není zcela jasná, zdá se, že hrají roli při přeměně tekutého fibroinu
na pevné vlákno. Některé z těchto bílkovin vykazují aktivitu inhibitorů proteáz a
pravděpodobně tak chrání hedvábí proti mikrobiálnímu rozkladu.
Další složkou hedvábí jsou bílkoviny - sericiny - syntetizované ve středním oddíle žláz.
Jak název napovídá jsou bohaté na aminokyselinu serin a jsou rozpustné v horké vodě.
Fungují jako tmel - postupně se nabalují na fibroin, který postupuje ze zadního do středního
oddílu žláz, zpevňují ho a později se také podílí na stmelování fibroinových vláken z levé a
pravé snovací žlázy. Rozpustnosti sericinů ve vodě se využívá při přípravě komerčního
surového hedvábí - kokony se povaří ve vodě, sericiny se rozpustí a potom se odmotá vlákno,
které se používá na výrobu hedvábné tkaniny. Surové hedvábí je prakticky čistý fibroin. Z
jednoho kokonu bource morušového lze získat vlákno o délce 300 - 1200 m. Sericiny se
používají při výrobě kosmetiky a regeneračních krémů.
Přední oddíl snovacích žláz nemá syntetickou funkci a slouží jako trubice, kterou
postupuje vytvořené hedvábí. Přední oddíly pravé a levé snovací žlázy se spojují a ústí ven snovací
bradavkou. Ta funguje jako lis a vystřikuje hedvábí ven z těla, přičemž dochází k
přeměně tekutého hedvábí na pevné vlákno mechanismem, který ještě není zcela objasněn.
217
Činnost snovacích žláz je řízena hormonálně. Uplatňují se zde juvenilní hormony,
ekdysteroidy i neurohormony. S jistým zjednodušením se dá říci, že juvenilní hormony
218
zvyšují produkci snovacích žláz. Po aplikaci juvenilního hormonu či juvenoidu dochází sice k
primární inhibici snovacích žláz, ale aplikovaný hormon prodlouží larvální instar, a tedy i žír
larev, snovací žlázy jsou déle udržovány v tzv. akumulační fázi, kdy hromadí více živin a po
odeznění vlivu hormonu produkují větší larvy se zvětšenými snovacími žlázami více hedvábí.
Ekdysteroidy na druhé straně způsobují regresi a degradaci žláz. Na řízení produkce hedvábí
se podílí i neuropeptid (serikotropin) z mozku. Těchto poznatků se využívá v komerční
produkci hedvábí, kdy jsou larvy vhodného stáří ve velkochovech ošetřeny juvenoidy, které
zvyšují produkci hedvábí asi o 10%. Produkce hedvábí má několikatisíciletou tradici a v
zemích, které patří k jeho tradičním producentům (Japonsko, Čína, Korea) je i přes existenci
umělých vláken zcela nezastupitelné.
2. Med - je vysoce výživný a snadno stravitelný tekutý materiál připravovaný z nektaru
květů nebo z medovice (exkretů fytofágního hmyzu) několika druhy včel a čmeláků. Je
lepkavý, viskózní a podle svého původu bezbarvý, hnědý až černý. Skládá se hlavně z vody a
několika druhů cukrů - převážně levulózy a dextrózy. Dále obsahuje mastné kyseliny,
bílkoviny, vitamíny a minerální látky. Hlavním producentem medu je včela medonosná Apis
melifera, která je domestikována a chována člověkem v umělých úlech po tisíciletí. Med
vzniká ve voleti včel smícháním nektaru nebo medovice se slinami. Sliny obsahují amylázy
(invertázy) štěpící složitější cukry oligosacharidy na monosacharidy. Takto zpracovaný
materiál je zahušťován, vyvrhován z volete a umísťován do plástvových komůrek, kde slouží
jako výživná, energeticky bohatá potrava včelím larvám. Jeden kg medu představuje asi 160
tisíc letů včelích dělnic.
3. Vosky - jsou produkovány hmyzem v různé formě - jako jemný prášek (nosatci), ve
tvaru plátků (včela) nebo ve formě celistvých povlaků (červci). Chemicky jde o látky velmi
složité - jedná se zpravidla o směsi alkoholů, uhlovodíků a kyselin. Nejznámější je včelí vosk
- pevný materiál sekretovaný epidermálními žlázami mezi abdominálními sternity u včely
medonosné. Je využíván na stavbu šestibokých buněk včelího plástu, v nichž včely ukládají
pyl a med, a kde žijí vyvíjející se larvy. Včelí vosk je pro člověka znám asi od 6. století a
dodnes je nezastupitelně používán v kosmetice, farmaceutickém průmyslu, při výrobě svíček,
leštidel, zubního vosku atd.
4. Laky - jsou vyměšovány převážně červci. Po chemické stránce jsou to látky složené z
pryskyřic, vosků, pigmentů a cukrů. Nejdůležitější lak je produkován červcem Laccifer lacca,
který je nenahraditelnou surovinou při výrobě šelaku. Je to polymer tvořený laktony
219
odvozenými z různých hydroxykyselin. Šelak se používá na impregnaci látek a papíru, je
součástí leštidel, barev, umělých vosků, pyrotechnických pomůcek, vlasových barviv atd.
5. Hmyzí jedy - jsou produkovány modifikovanými přídatnými pohlavními žlázami u
některých Hymenopter. Jed se shromažďuje v jedovém váčku, který je spojen se žihadlem.
Při bodnutí je pak vytlačen do žihadla a do místa vpichu. Vlastní jedové agens je nízkomolekulární
protein s fosfolipázovou aktivitou, který hydrolyzuje lecithin na lyzolecithin, který
pak disperguje lipoproteiny v cytosolových strukturách buněk. To vyvolává tvorbu histaminu,
serotoninu a acetylcholinu. Tyto látky způsobují všechny symptomy doprovázející bodnutí
žihadlem tj. bolest, zarudnutí a otok. Jedy dále obsahují velké množství dalších enzymů
(hyaluronidázy, proteázy, lipázy, esterázy), které se podílejí na konečné reakci. Včely
používají žihadla k obraně, vosy pak dále k paralýze a lovu kořisti. Včelí jed se prakticky
používá ve farmaceutickém průmyslu k výrobě léků. Některé hmyzí jedy jsou používány
primitivními národy k výrobě účinných jedů používaných při lovu.
220
13. Literatura
1. Barnes R.S.K., Calow P. and Olive P.J.W.: The Invertebtares: a new synthesis, Blackwell
Scientific Publications, 1993
2. Barrington E.J.W.: Invertebrate Structure and Function, Houghton Mifflin Company,
Boston, 1979
3. Calow P.: Invertebrate Biology. A functional Approach, John Wiley & Sons, Groom Helm
London, 1981
4. Chapman N.F.: The Insects. Structure and Function. 4th edition, Cambridge University
Press, Cambridge, 1998
5. Downer R.G.H. and H. Laufer: Invertebrate Endocrinology Vol 1. Endocrinology of
Insects, Alan R. Liss, Inc., New York, 1986
6. Gäde G.: The Explosion of Structural Information on Insect Neuropeptides. In: Herz W.,
Kirby G.W., Moore R.E., Steglich W., Tamm Ch. (eds.), Progress in the Chemistry of
Organic Natural Products, Springer Wien, 1-128 pp, 1997
7. Gäde G., Hoffmann K.H and Spring J.H.: Hormonal Regulation in Insect: Facts, Gaps, and
Future Directions, Physiological Reviews, Vol. 77, No. 4, 963-1032 pp, 1997
8. Gullan P.J. and Cranston P.S.: The Insects: An Outline of Entomology, Chapman & Hall,
London, 1995
9. Highman C.H. and Hill L.: The Comparative Endocrinology of the Invertebrates, Edward
Arnold Ltd., 1969
10. Jánský L.: Fyziologie živočichů a člověka, Avicenum Praha, 1981
11. Kerkut G.A. and Gilbert L.I.: Comprehensive Insect Physiology, Biochemistry and
Pharmacology, Pergamon Press, Oxford, 1985
12. Knoz J.: Obecná zoologie, skripta PřF UJEP Brno, SNP Praha, 1979
13. Nation J.L.: Insect Physiology and Biochemistry, CRC Press, Boca Raton, 2002
14. Romoser W.S. and Stoffolano J.G.Jr.: The Science of Entomology, WCB Wm. C. Brown
Publisher, Dubugue Iowa, 1994
15. Štaifl J.: Ochrana rostlin I. Živočišní škůdci, skripta agronomické fakulty, VŠZ Praha,
SPN Praha, 1981
16. Wigglesworth V.B.: The Priciples of Insect Physiology, ed. 7, Chapman & Hall, London,
1972