Trải qua hàng triệu năm hình thành và phát triển Trái Đất, các loài côn trùng đã xâm nhập và tồn tại ở khắp mọi nơi. Chúng dần tiến hóa với bộ vỏ và xương cứng nhằm tự bảo vệ khỏi những kẻ săn mồi và các mối nguy từ môi trường.
Tuy nhiên với tác nhân thời tiết thì sao, làm thế nào để côn trùng giữ ấm trong mùa đông, giải nhiệt trong mùa hè? Khi chúng hoàn toàn không có quần áo để mặc như con người?
Nóng và lạnh
Con người được xếp vào nhóm động vật (bậc cao) hằng nhiệt, và đồng thời cũng là loài sinh vật máu nóng. Cơ thể con người tự kiểm soát nhiệt độ không đổi ở 37 độ C và phát triển một số cơ chế nhằm giữ hoặc thoát nhiệt trong trường hợp cần thiết. Đổ mồ hôi, nổi da gà và run rẩy là một số cách mà cơ thể chúng ta cố gắng giữ nhiệt độ bên trong ở mức tối ưu nhất có thể. Một số loài động vật có vú khác thuộc nhóm hằng nhiệt cũng tiến hóa những cách thức giữ nhiệt khác nhau, như có lông dày (gấu) hoặc thở hổn hển (chó).
Trái với động vật hằng nhiệt là động vật biến nhiệt, hay còn có một cái tên khác thông dụng hơn là động vật máu lạnh, bao gồm các loài bò sát và lưỡng cư. Nhiệt độ cơ thể chúng thay đổi theo mức nhiệt môi trường xung quanh, và điều này bên cạnh một số tác hại về hành vi, cũng mang lại khá nhiều lợi ích, nhất là khả năng tồn tại cao hơn so với loài hằng nhiệt do chúng không cần phải nạp năng lượng để duy trì nhiệt độ bên trong cơ thể. Đó là lý do tại sao rắn và cá sấu là hai loài sống khá "dai" bất kể trong môi trường nào.
Vậy côn trùng sẽ rơi vào loại nào? Hằng nhiệt (máu nóng) hay biến nhiệt (máu lạnh)?
Côn trùng thật sự đa dạng về hình thức, hành vi và sự thích nghi.
Câu trả lời là cả hai. Mặc dù chúng được thống nhất là loài "côn trùng" bởi các đặc điểm về số chân và cơ thể ba phần (đầu, ngực và bụng), nhưng nếu xét về các yếu tố khác, thì chúng thật sự đa dạng về hình thức, hành vi và sự thích nghi. Vì vậy chúng ta sẽ có côn trùng hằng nhiệt và côn trùng biến nhiệt.
Chúng ta thường nghĩ côn trùng là loài động vật biến nhiệt. Điều đó đúng, nhưng không hoàn toàn. Về cơ bản, một vài loại bọ có thể chịu được nhiệt độ môi trường cao hơn. Các loài côn trùng chia thành hai loại chính là nội nhiệt và ngoại nhiệt.
Trong khi côn trùng ngoại nhiệt có cơ chế điều chỉnh nhiệt độ cơ thể theo nhiệt độ xung quanh, thì loài côn trùng nội nhiệt giữ nhiệt độ bên trong cơ thể chúng ở mức ổn định, đặc biệt là một số bộ phận cơ thể phải tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Quy trình sưởi ấm hay làm mát có chọn lọc một số bộ phận cơ thể nhất định được gọi là heterothermy. Và các động vật có khả năng này, như ong bắp cày, bướm đêm, bướm và bọ cánh cứng thường được gọi là khác nhiệt (heterothermic).
Cánh không chỉ dùng để bay
Đa số loài côn trùng có cánh, và để đôi cánh mỏng của chúng có thể nâng cơ thể lên không trung, cần phải có rất nhiều năng lượng. Điều này đòi hỏi cơ thể côn trùng phải có tốc độ trao đổi chất rất nhanh. Đặc biệt, tại vị trí cơ bắp điều khiển cánh của côn trùng, các phản ứng năng lượng đồng tạo ra rất nhiều nhiệt.
Một phương pháp làm nóng cơ thể giữa thời tiết giá lạnh của côn trùng là thông qua các chuyến bay. Cánh hoạt động mạnh làm tốc độ lưu thông máu tăng, giúp lan tỏa nhiệt đi khắp cơ thể. Nhiệt từ ngực – vị trí cánh – được truyền đến bụng dưới, sau đó truyền vào không khí qua bay hơi.
Thông qua các chuyến bay, côn trùng có thể làm nóng cơ thể giữa thời tiết giá lạnh.
Theo cách này, bụng sẽ đóng vai trò là một bộ tản nhiệt, nơi lượng nhiệt được tích trữ khi trời lạnh và là bộ tản nhiệt khi trời nóng. Đồng thời một phần lượt nhiệt tích trữ khi trời nóng sẽ được sử dụng khi thời tiết chuyển biến lạnh hơn. Côn trùng sẽ khó hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp, bởi các phản ứng trao đổi chất cần thiết cho chuyến bay sẽ không đủ nhanh do yếu tố này.
Thông thường trước khi bay, chúng sẽ thực hiện một thói quen khởi động nhỏ, bằng cách vỗ cánh mạnh mẽ qua lại giống như run rẩy, để tạo ra một lượng nhiệt vừa đủ. Điều này có thể hiểu là chúng phải làm nóng "động cơ" trong vài phút trước khi đủ ấm để có thể cất cánh.
Chu kỳ vô ích
Đặc biệt ở côn trùng, vỗ cánh không phải là cách duy nhất để làm ấm. Vài nghiên cứu đã phát hiện ra một "chu kỳ vô ích" có trên ong mật giúp chúng có thể tự làm ấm cơ thể. Chu kỳ vô ích là cái tên khá chính xác để mô tả quá trình này, hoàn toàn không có ích gì ngoại trừ vô tình giúp côn trùng làm ấm cơ thể.
Theo Wikipedia, chu kỳ vô ích, hay còn được gọi là chu trình cơ chất, xảy ra khi hai con đường trao đổi chất thực hiện đồng thời theo hướng ngược nhau và không có tác dụng tổng thể nào ngoài việc tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt. Ở côn trùng, đó là chu trình đường phân – phân rã glucozơ, và tân tạo đường – tạo ra glucozơ.
Chu kỳ vô ích ở côn trùng.
Fructozơ 6 – phốt phát (F6P) sẽ được phosphoryl hóa thành Fructozơ 1,6 – bi phốt phát (F1,6P) với enzim xúc tác PFK (phosphofructokinase) trong quá trình đường phân. Ngược lại, Fructozơ 1,6 – bi phốt phát chuyển đổi thành hai phân tử trong quá trình tân tạo đường. Phản ứng đầu tiên sẽ cần năng lượng dưới dạng ATP, tuy nhiên phản ứng ngược lại thì không.
Các tế bào phá vỡ ATP nhằm cung cấp năng lượng cho các quá trình, đồng thời, quá trình sản xuất ATP cũng sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt. Thực hiện chu trình cơ chất nhiều lần sẽ làm ATP cạn kiệt nhanh chóng mà không tạo ra lợi ích gì. Tuy nhiên các tế bào trong cơ thể côn trùng sẽ phải hoạt động nhiều hơn để duy trì nguồn cung ATP, và điều đó – như đã nói ở trên – sẽ tạo ra lượng nhiệt nhất định đủ để chúng sưởi ấm.
Thông thường, cả hai phản ứng sẽ không thực hiện đồng thời. Hoặc là đường phân, hoặc là tái tạo đường. Tuy nhiên, một số loài ong có khả năng tự bắt đầu chu trình này để tạo ra nhiệt, cũng có một số nghiên cứu đã phản bác lại kết luận này. Cuộc tranh luận vẫn đang được diễn ra giữa các nhà nghiên cứu về vai trò của quá trình trao đổi chất trong việc điều chỉnh nhiệt ở côn trùng.
Cảm nhận nhiệt độ
Để có thể điều tiết được nhiệt độ cơ thể phù hợp với môi trường ngoài, trước tiên, côn trùng phải biết thời tiết đang nóng hay lạnh. Chúng sẽ tiến hành "đo và ước lượng" nhiệt độ ngoài thông qua một nhóm các tế bào tiếp nhận (receptor) nằm trên phần râu, được gọi là các kênh TRP (Trasient Receptor Potential).
Côn trùng sẽ không cần phải mặc thêm áo ấm hay đổ mồ hôi vì đã tự có các cơ chế điều hòa bên trong cơ thể.
Tế bào tiếp nhận sẽ cảm nhận được thay đổi của nhiệt độ xung quanh, sau đó gửi luồng tín hiệu thông tin đến hệ thần kinh của chúng. Hệ thống thần kinh – thông qua các cơ chế mà các nhà khoa học vẫn còn đang khám phá – thực hiện những thay đổi cần thiết trên cơ thể côn trùng.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc loại bỏ một số tế bào tiếp nhận sẽ khiến côn trùng bị hạ thân nhiệt (nhiệt độ cơ thể chúng giảm xuống mức bình thường), trong khi chặn các kênh TRP khác khiến chúng tăng thân nhiệt (nhiệt độ cơ thể chúng tăng cao hơn bình thường). Thú vị hơn, các kênh TRP đã được bảo tồn trong quá trình tiến hóa hàng triệu năm, điều đó có nghĩa DNA của người và côn trùng sẽ có một số gen tương tự nhau đảm nhận việc phát hiện thay đổi nhiệt độ. Mặc dù vậy, côn trùng sẽ không cần phải mặc thêm áo ấm hay đổ mồ hôi vì đã tự có các cơ chế điều hòa bên trong cơ thể – và với kích thước quá nhỏ bé của chúng.