Système respiratoire des insectes - Respiratory system of insects
Le système respiratoire d' un insecte est le système avec lequel il introduit les gaz respiratoires à l'intérieur et effectue les échanges gazeux .
L'air pénètre dans le système respiratoire des insectes par une série d'ouvertures externes appelées stigmates . Ces ouvertures externes, qui agissent comme des valves musculaires chez certains insectes, mènent au système respiratoire interne, un réseau dense de tubes appelés trachées . Ce réseau de trachées transversales et longitudinales égalise la pression dans tout le système.
Il est responsable de fournir suffisamment d' oxygène (O 2 ) à toutes les cellules du corps et d'éliminer le dioxyde de carbone (CO 2 ) qui est produit en tant que déchet de la respiration cellulaire . Le système respiratoire des insectes (et de nombreux autres arthropodes) est séparé du système circulatoire .
Structure du stigmate
Les insectes ont des stigmates sur leurs exosquelettes pour permettre à l'air d'entrer dans la trachée . Chez les insectes, les tubes trachéaux fournissent principalement de l' oxygène directement dans les tissus des insectes . Les stigmates peuvent être ouverts et fermés de manière efficace pour réduire les pertes d'eau. Cela se fait en contractant les muscles plus proches entourant le stigmate. Pour s'ouvrir, le muscle se détend. Le muscle le plus proche est contrôlé par le système nerveux central mais peut également réagir à des stimuli chimiques localisés. Plusieurs insectes aquatiques ont des méthodes de fermeture similaires ou alternatives pour empêcher l'eau de pénétrer dans la trachée. Les spiracles peuvent également être entourés de poils pour minimiser le mouvement d'air en vrac autour de l'ouverture et ainsi minimiser la perte d'eau.
Les stigmates sont situés latéralement le long du thorax et de l'abdomen de la plupart des insectes, généralement une paire de stigmates par segment du corps. Le flux d'air est régulé par de petits muscles qui actionnent une ou deux valves en forme de clapet à l'intérieur de chaque stigmate, se contractant pour fermer le spiracle ou se relaxant pour l'ouvrir.
Structure des trachées
Après avoir traversé un stigmate, l'air pénètre dans un tronc trachéal longitudinal, se diffusant finalement dans un réseau complexe et ramifié de tubes trachéaux qui se subdivise en diamètres de plus en plus petits et atteint chaque partie du corps. Au bout de chaque branche trachéale, une cellule spéciale fournit une interface mince et humide pour l'échange de gaz entre l'air atmosphérique et une cellule vivante. L'oxygène dans le tube trachéal se dissout d'abord dans le liquide de la trachéole, puis diffuse à travers la membrane cellulaire dans le cytoplasme d'une cellule adjacente. Dans le même temps, le dioxyde de carbone, produit en tant que déchet de la respiration cellulaire, se diffuse hors de la cellule et, éventuellement, hors du corps par le système trachéal.
Chaque tube trachéal se développe comme une invagination de l' ectoderme au cours du développement embryonnaire. Pour empêcher son effondrement sous la pression, un mince « fil » de renforcement de la cuticule ( les taenidies ) s'enroule en spirale à travers la paroi membraneuse. Cette conception (structure similaire à un tuyau de chauffage sur une automobile ou à un conduit d'échappement sur une sécheuse) donne aux tubes trachéaux la capacité de fléchir et de s'étirer sans développer de plis qui pourraient restreindre le flux d'air.
L'absence de taenidies dans certaines parties du système trachéal permet la formation de sacs aériens pliables, des structures en forme de ballon qui peuvent stocker une réserve d'air. Dans les milieux terrestres secs, cet apport d'air temporaire permet à un insecte de conserver l'eau en fermant ses stigmates pendant les périodes de stress évaporatif élevé. Les insectes aquatiques consomment l'air stocké lorsqu'ils sont sous l'eau ou l'utilisent pour réguler la flottabilité. Au cours d'une mue, les sacs aériens se remplissent et s'agrandissent à mesure que l'insecte se libère de l'ancien exosquelette et en agrandit un nouveau. Entre les mues, les sacs aériens offrent de l'espace pour une nouvelle croissance, diminuant de volume à mesure qu'ils sont comprimés par l'expansion des organes internes.
Les petits insectes dépendent presque exclusivement de la diffusion passive et de l'activité physique pour le mouvement des gaz dans le système trachéal. Cependant, les insectes plus gros peuvent nécessiter une ventilation active du système trachéal (en particulier lorsqu'ils sont actifs ou soumis à un stress thermique). Ils y parviennent en ouvrant certains stigmates et en fermant d'autres tout en utilisant les muscles abdominaux pour augmenter et contracter alternativement le volume corporel. Bien que ces mouvements pulsatoires chassent l'air d'un bout à l'autre du corps à travers les troncs trachéaux longitudinaux, la diffusion est toujours importante pour distribuer l'oxygène aux cellules individuelles à travers le réseau de tubes trachéaux plus petits. En fait, le taux de diffusion des gaz est considéré comme l'un des principaux facteurs limitants (avec le poids de l'exosquelette) qui limite la taille des insectes. Cependant, des périodes de l'histoire ancienne de la Terre, telles que le Carbonifère , présentaient des niveaux d'oxygène beaucoup plus élevés (jusqu'à 35%) qui ont permis aux plus gros insectes, tels que les méganeuras , ainsi que les arachnides , d'évoluer.
Modèles théoriques
On croyait autrefois que les insectes échangeaient des gaz avec l'environnement en continu par la simple diffusion de gaz dans le système trachéal. Plus récemment, une grande variation dans les modèles de ventilation des insectes a été documentée, suggérant que la respiration des insectes est très variable. Certains petits insectes manifestent une respiration continue et peuvent manquer de contrôle musculaire des stigmates. D'autres, cependant, utilisent la contraction musculaire de l' abdomen ainsi que la contraction et la relaxation coordonnées du stigmate pour générer des schémas d'échange gazeux cycliques et pour réduire la perte d'eau dans l'atmosphère. La forme la plus extrême de ces modèles est appelée cycles d' échange de gaz discontinus (DGC). Une modélisation récente a décrit le mécanisme du transport aérien dans les échanges gazeux cycliques de manière informatique et analytique.