BIO2525
Animaux : Structures et fonctions
Les insectes, les Arthropodes dominants
Introduction
Caractéristiques des Insectes
Les insectes sont les membres dominants du groupe des Arthropodes et possèdent donc les mêmes caractéristiques que les autres membres de ce groupe telles que présentées au début du laboratoire précédent. Cependant, ils possèdent certaines caractéristiques qui les distinguent des autres Arthropodes. Ces caractéristiques incluent la tagmatisation du corps en trois régions principales: la tête, le thorax et l'abdomen. Chaque tagma se spécialise pour certaines fonctions. La tête est impliquée dans l'alimentation et la perception sensorielle, le thorax est le centre locomoteur et finalement l'abdomen contient les organes vitaux et les organes reproducteurs.
Les insectes ont trois paires de pattes mais la présence des ailes n'est pas une caractéristique ancestrale puisque les formes les plus primitives n'ont pas d'ailes. Les insectes partagent aussi des caractéristiques avec certains autres Arthropodes. Ces caractéristiques incluent les mandibules, qui sont aussi trouvées chez les Crustacés et les appendices uniramés et les tubes trachéens trouvés chez les Chélicerates.
Avec un groupe d'animaux si grand il est difficile d'utiliser un seul spécimen typique de la Classe des Insectes ou de produire un assortiment complet d'animaux à examiner. Vous observerez donc deux insectes différents pour identifier les caractéristiques principales du groupe.
Il est important, lorsqu'on examine des spécimens d'insectes, de réaliser que même les structures internes peuvent être considérablement modifiées ou organisées de façon différente. La sauterelle, Romalea micropterus, sera utilisée pour illustrer les caractéristiques externes principales d'un insecte. Traditionnellement, la sauterelle est utilisée pour ce genre d'exercice de laboratoire parce qu'elle illustre un nombre de caractéristiques primitives ou ancestrales. Cependant elle n'est pas un spécimen approprié pour étudier l'anatomie interne parce que les préservatifs rendent les différents tissus difficiles à distinguer. Une blatte, Periplaneta americana, qui a été anesthésiée au dioxyde de carbone, sera utilisée pour l'anatomie interne. Vous devez être conscients que bien que ces animaux représentent des bons exemples de l'architecture générale des insectes, chacun est un animal très spécialisé.
La sauterelle, Romalea micropterus
Le matériel de démonstration vous permettra de comparer les insectes à d'autres Arthropodes pour identifier les différences et les similitudes entre les deux groupes.
Anatomie externe
Identifier les trois segments principaux (tagmata) d'un insecte (Fig. 59): la tête, le thorax et l'abdomen. Le corps est couvert d'un exosquelette composé de cuticule qui est déposée par l'épiderme sous-jacent. L'exosquelette est divisé en un nombre de plaques dures, ou sclérites, qui sont séparées les unes des autres par des sutures ou des membranes. À l'endroit où les différentes régions de cuticule durcie s'appuient l'une contre l'autre, la cuticule est plus mince et membraneuse, ce qui permet une plus grande flexibilité entre les sclérites. Vous pouvez observer cette membrane flexible au point de jonction des pattes avec le thorax.
Figure 59. Anatomie externe d'une sauterelle
La tête est composée de six segments, mais elle n'a pas de lignes externes ou sutures pour indiquer ces segments individuels. Identifiez les caractéristiques principales de la tête d'insecte (Fig. 60). Les yeux composés sont situés latéralement et si vous observez attentivement sous le microscope à dissection vous verrez le dessin compliqué formé par les ommatidies, qui sont les unités optiques répétées de l'oeil. En plus de l'oeil composé, trois ocelles sont aussi situés sur la tête et servent de photorécepteurs. Les antennes sont évidentes. Examinez-les attentivement à l'aide du microscope à dissection et observez les nombreuses soies sensorielles réparties à travers leur surface. Les soies ont un rôle principalement chimiosensoriel. Pour les apercevoir, vous devrez attendre que le préservatif se soit évaporé.
Figure 60. Tête d'une sauterelle
Les pièces buccales de la sauterelle (Fig. 61) sont semblables à la forme ancestrale trouvée chez les mandibulates. Examinez soigneusement et retirez les pièces buccales. Le labre est suspendu au clypeus et forme la lèvre supérieure ou palais de la cavité buccale. Les mandibules sont sclérifiées et durcies et deux régions sont apparentes: une coupante ou incisive, l'autre broyante ou molaire.
Figure 61. Pièces buccales d'une sauterelle
Les maxilles (Fig. 62) sont aussi paires et composées d'une lacinia dentelée, d'une galea et d'un palpe maxillaire sensoriel qui ressemble à une jambe utilisée comme organe du goût. Cette structure est aussi recouverte de poils sensoriels semblables à ceux qui sont observés sur les antennes. Le labium est formé de deux pièces fusionnées et forme le plancher de la cavité buccale. Là encore, les palpes labiaux sensoriels sont présents. L'hypopharynx n'est pas un appendice mais se trouve dans la cavité buccale et joue le rôle de la langue.
Figure 62. La maxille d'une sauterelle
Les pièces buccales de la sauterelle sont typique d'un omnivore et peuvent couper et broyer la nourriture. Bien qu'elles représentent la forme ancestrale, elles ne sont pas représentatives des pièces buccales de tous les insectes. La cuticule des insectes est une matière plastique pouvant être modifiée pour prendre différentes formes et cette plasticité peut être bien illustrée par l'examen des pièces buccales d'autres groupes d'insectes.
Les pièces buccales de la mouche domestique (Fig. 63) sont modifiées pour permettre d'éponger des liquides. Les centaines de sillons du lobe du labium agissent comme des capillaires aspirant le liquide dans le canal alimentaire central. Pouvez-vous identifier les 5 pièces buccales ancestrales chez la mouche?
Figure 63. Pièces buccales d'une mouche
Les pièces buccales du moustique (Fig. 64) servent à percer et sucer le sang. Chez cet insecte, les cinq pièces buccales ancestrales sont présentes mais sont allongées au point de prendre l'apparence d'aiguilles. Elles permettent de percer la peau et un capillaire sous-jacent. Les pièces buccales s'imbriquent les unes dans les autres et permettent à l'insecte de boire comme si c'était une paille.
Figure 64. Pièces buccales d'un moustique
Les pièces buccales du papillon (Fig. 65) lui permettent de boire le nectar retrouvé à la base des fleurs. Comme ce long appareil buccal est encombrant, il est enroulé pour ne pas entraver le vol. Lorsqu'ils se nourrissent, le proboscis est déroulé en pompant de l'hémolymphe à l'intérieur. Certaines des 5 pièces buccales ancestrales sont disparues chez cet insecte. Lesquelles?
Figure 65. Pièces buccales d'un papillon
Le thorax a une fonction locomotrice et est composé de trois segments: le prothorax, le mésothorax et le métathorax. Chacun de ces segments thoraciques porte une paire d'appendices et lorsque les ailes sont présentes, elles sont situées aux segments mésothoracique et métathoracique. Les segments thoraciques peuvent être divisés en trois sclérites distincts ou majeurs qui incluent le tergite dorsal, les pleures latéraux et le sternite localisé ventralement. Deux paires d'orifices spiraculaires sont situées sur le thorax et ceux-ci contrôlent l'entrée d'air dans le système trachéen interne. Localisez les spiracles et le tympan, un organe auditif sur le thorax.
La patte d'insecte (Fig. 66) est composée de six segments et le tarse est aussi divisé en segments qui donnent à l'extrémité distale de l'appendice une apparence multisegmentée. Les segments majeurs de la patte sont: coxa, trochanter, fémur, tibia et tarse. Le dernier segment tarsien porte deux griffes. Retirez la patte de derrière de votre sauterelle et essayez de fléchir les jointures au long de la patte. La présence d'un exosquelette signifie que les unités peuvent seulement plier dans un plan. Le fait d'avoir une série de jointures permet à l'extrémité distale de l'appendice de se mouvoir dans tous les plans. Les ailes d'un insecte sont souvent membraneuses et renforcées par une série de crêtes ou nervures. Cet arrangement de nervures et nervures transverses est un outil taxonomique important pour l'identification des insectes.
Figure 66. Patte d'un insecte
La segmentation de l'abdomen des insectes varie selon les groupes d'insectes mais, à l'origine, ce tagma était composé de 11 segments. Un segment abdominal typique se compose d'un tergite sclérifié (le sclérite dorsal) et d'un sternite qui est ventral. Dans cette région, les pleures sont membraneuses. Les orifices spiraculaires sont localisés sur chacun des segments. Les segments terminaux portent des appendices, les cerques, impliqués dans la copulation ou la ponte.
La blatte, Periplaneta americana
Les observations de l'anatomie interne sont plus faciles si les spécimens sont submergés dans l'eau ou une solution saline. Bien qu'à première vue cela puisse paraître bizarre cela permet aux tissus internes d'être suspendus plutôt qu'affaissés par leur masse. Il est donc plus facile de distinguer les différents organes. Ceci est vrai particulièrement pour la blatte anesthésiée et les tissus continueront de fonctionner si vous utilisez une solution saline pour recouvrir l'animal. Épinglez votre spécimen vers un côté de votre plat à dissection afin de l'immobiliser pendant que vous l'examinez au microscope de façon plus minutieuse.
Anatomie externe
Comparez les caractéristiques externes de la blatte (Figs. 67 et 68) à celle de la sauterelle (Fig. 59).
Figure 67. Vue ventrale de la blatte
Figure 68. Vue dorsale de la blatte
Anatomie interne (Figs. 69-72)
Les blattes sont anesthésiées et vous devez êtres vigilants de ne pas leur laisser le temps de se réveiller et de s'échapper. Les blattes seront immobilisées en utilisant du dioxyde de carbone et resteront tranquilles quelques minutes. Pendant cette courte période de temps assurez-vous d'immobiliser votre spécimen complètement dans le plat à dissection en retirant les ailes et les pattes. Immobilisez-la la face dorsale au-dessus en l'épinglant de chaque côté du prothorax et de l'extrémité de l'abdomen. Lorsque vous épinglerez l'abdomen prenez soin d'étendre l'abdomen afin d'exposer les membranes intersegmentaires. Couvrez votre spécimen de solution saline qui prolongera la période d'anesthésie. Les insectes ont un système nerveux segmenté et leurs réflexes et comportements peuvent être décrits comme des arcs réflexes dans chaque segment. Le cerveau n'est en fait qu'une série de ganglions fusionnés qui coordonnent l'information provenant des structures sensorielles de la tête.
Après avoir enlevé les ailes et les pattes vous pouvez avoir noté un liquide clair qui suinte des blessures. Ce liquide est l'hémolymphe ou sang. Pourquoi n'est-il pas rouge? Observez sous le microscope à dissection, le vaisseau sanguin dorsal ou coeur. Dans quelle direction circule l'hémolymphe?
Retirez chaque tergite en partant de l'avant-dernier tergite et en avançant vers la tête. Coupez soigneusement le long du bord latéral sans endommager les tissus sous-jacents. Prenez votre temps à cette étape et retirez les tissus connectifs des tergites en les enlevant. À ce moment les structures sous-jacentes paraissent blanches ou transparentes et si vous avez utilisé de la solution saline le coeur devrait rester à sa place et continuer de battre.
Trois structures devraient être visibles: le coeur, une quantité considérable de matière blanche et duveteuse qui est le corps adipeux, et de nombreux tubes luisants qui se ramifient par tout le corps. Ces derniers sont le tronc trachéen et la trachée.
Le système circulatoire
Le système circulatoire d'un insecte est schématisé à la Figure 69. C'est un système circulatoire ouvert qui se compose d'un coeur contenu dans la cavité péricardique dorsale et de l'hémocoele qui est une série de cavités et de sinus qui entourent tous les organes. La cavité péricardique et l'hémocoele sont séparés par le diaphragme dorsal. Dans un insecte l'hémocoele n'est pas le coelome embryonnaire. Quelle est l'origine de l'hémocoele? Suivez le coeur vers l'arrière jusqu'au 9ième segment abdominal où il se termine en sac. À l'extrémité antérieure le coeur s'étend dans le thorax où il devient une aorte courte qui s'ouvre près du cerveau.
Figure 69. Système circulatoire d'un insecte
Si vous observez attentivement la dissection vous verrez que le coeur est composé d'une série de losanges. Ceci est dû aux muscles alaires arrangés de façon segmentaire et qui bordent chaque côté de la cavité péricardique. Ces muscles changent la forme de la cavité péricardique et le mouvement du flux sanguin se fait conjointement à l'ouverture et à la fermeture des ostioles. Examinez les ailes d'une blatte immobilisée et voyez si vous pouvez observer le sang circuler dans les nervures de l'aile. Ces nervures sont aussi des extensions de la cavité coelomique et on ne doit pas les confondre avec les veines telles que nous les connaissons en biologie des vertébrés.
Système respiratoire
Vous noterez les grands tubes argentés qui s'étendent de chaque côté de l'animal et qui font partie du système respiratoire (Fig. 70). Ceux-ci sont les troncs trachéens, les tuyaux qui sont connectés à l'extérieur par les spiracles. Ils paraissent être argentés parce qu'ils sont remplis d'air. Les troncs trachéens plus grands sont supportés intérieurement par un anneau en spirale de cuticule, la taenidie, qu'on peut observer sous le microscope à dissection. Tachez de suivre le système trachéen. Vous noterez qu'il s'étend par tout le corps et que les tubes deviennent de plus en plus petits. Quelle est la différence entre un tube trachéen et une trachéole?
Figure 70. Le système respiratoire d'un insecte
La grande quantité de matière blanche et floconneuse qui cache la plupart des organes sous-jacents est le corps adipeux. Cet organe est plus qu'un simple amas de graisse comme son nom le suggère puisqu'il est impliqué dans la synthèse de protéines, la détoxication et dans une grande variété d'activités métaboliques essentielles à l'insecte. La structure équivalente chez les Vertébrés est le foie. Pour observer les organes sous-jacents vous devrez ôter ce tissu avec soin.
Le système digestif
Le système digestif qui se trouve au dessous est apparent une fois que le corps adipeux, la trachée et le coeur sont enlevés. Il consiste en un tube enroulé dans l'abdomen. Coupez vers l'avant à travers le thorax et retirez soigneusement le tissu musculaire alaire afin de mettre en évidence le tube digestif.
Le tube digestif est composé de trois régions: le stomodeum, le mésentéron et le proctodeum. Le stomodeum et le proctodeum sont tous deux bordés de cuticule et le contenu du mésentéron est contenu dans une membrane péritrophique. Quel est le rôle de la membrane péritrophique? La bouche mène à un pharynx tubulaire qui devient l'oesophage lorsque il passe de la tête au thorax. C'est à ce niveau que le tube digestif devient visible dans votre dissection.
L'oesophage devient un jabot, un sac élargi qui s'étend dans l'abdomen. Si vous bougez doucement les muscles de côté dans la région mésothoracique vous devriez être capable de voir les glandes salivaires grises pâles qui se trouvent de chaque côté du jabot. Les conduits salivaires se vident dans la cavité buccale à la base de l'hypopharynx. Déroulez soigneusement la portion enroulée du tube digestif et placez-la de côté de façon à rendre toutes les parties visibles (Fig. 71).
Là où le jabot se rétrécit brusquement, il devient le gésier ou proventricule qui est une courte région durcie. Le proventricule marque la jonction entre le stomodeum et le mésentéron. La région antérieure du mésentéron est aussi indiquée par la présence de huit excroissances tubulaires qui ce terminent en sac appelés diverticules gastriques. Ces poches du mésentéron sont impliqués dans des fonctions digestives spécialisées. Le mésentéron est le site principal de la sécrétion enzymatique et de l'absorption des aliments. La partie postérieure du mésentéron débute au point de jonction avec les tubules de Malpighi.
Après la jonction avec les tubules de Malpighi commence le gros intestin ou colon. Le rectum, qui est court et qui se distingue par des striations longitudinales est localisé à l'extrémité la plus postérieure du proctodeum. Il s'ouvre vers l'extérieur par l'anus.
Système excréteur
Les tubules de Malpighi s'étendent dans toute la cavité abdominale et sont baignées par l'hémolymphe. Enlevez quelques tubules et examinez-les sur une lame au microscope. Une fibre musculaire simple est enroulée autour de chaque tubule, lui permettant de se déplacer à l'intérieur de la cavité. Ces tubes fins qui s'étendent par tout le corps sont impliqués dans le processus d'excrétion et leur position suspendue dans l'hémolymphe leur permet de filtrer et de purifier l'hémolymphe qui les entoure. Le filtrat est rejeté dans le côlon et lorsqu'il atteint le rectum, l'eau et les sels essentiels sont réabsorbés, laissant derrière les déchets azotés qui sont rejetés avec les fèces par l'anus. Pour cette raison le système excréteur chez les insectes est aussi appelé le complexe proctodeum-tubules de Malpighi.
Le système reproducteur de la blatte
Vous devez identifier le système reproducteur des insectes mâle et femelle, aussi vous devez vous assurer d'observer des spécimens de chacun des deux sexes. Comment distinguer les sexes extérieurement?
Chez les femelles (Fig. 72) deux ovaires se trouvent dans le corps adipeux sur chaque côté de l'abdomen et chacun est composé de huit ovarioles et chacune de celles-ci produisent un oeuf. Les oeufs passent par l'oviducte et sont enfermés dans l'oothèque, qui est un casier à oeufs. L'oothèque est alors déposée sur le sol comme une structure blanche et molle qui se durcit et se colore rapidement à mesure que la sclérification s'accomplit. Ceci forme une enveloppe protectrice solide pour les insectes qui se développent à l'intérieur. Si vous avez une oothèque intacte ne la jetez pas! Donnez-la au démonstrateur (à la démonstratrice) qui en disposera. Ceci est essentiel pour assurer que le bâtiment ne soit pas infesté par les blattes.
Figure 71. Anatomie interne de la blatte femelle
Trouvez les oviductes latéraux et bien que vous puissiez ne pas le voir vous devez savoir qu'ils se vident dans un oviducte commun ou oviducte médian qui s'ouvre vers l'extérieur via l'ovipositeur. La raison pour laquelle il peut s'avérer difficile de voir l'oviducte commun est qu'on trouve dans cette région de grosses glandes accessoires qui ont l'apparence de spaghetti mouillés. Ils sont impliqués dans la production de l'oothèque qui contient les oeufs. Située à la jonction des oviductes se trouve une petite spermathèque brune qui emmagasine le sperme reçu lors de l'accouplement. Lorsque que les oeufs passent à ce point ils sont fertilisés.
Chez les mâles (Fig. 72) les testicules sont difficiles à voir puisqu'ils sont translucides et dispersés dans la masse du corps adipeux. Chaque testicule est composé d'un nombre de follicules et chacun produit du sperme. Le sperme passe par le canal déférent, le canal éjaculateur médian et plus tard à la femelle pendant l'accouplement. Deux glandes proéminentes avec des projections en forme de doigts sont situées à l'extrémité postérieure de l'abdomen et sont les glandes accessoires mâles ou corps fongiformes (ce terme n'est pas utilisé pour tous les insectes). Les glandes accessoires mâles sont impliquées dans la production de liquide séminal qui est passé avec le sperme à la femelle et dans la production du spermatophore. Si vous mettez soigneusement les corps fongiformes de côté vous verrez aussi une glande plus longue en forme de doigts, la glande conglobée qui s'ouvre aussi dans le canal éjaculateur.
Figure 72. Anatomie interne de la blatte mâle
Le système nerveux
Le système nerveux est apparent une fois que le système alimentaire est placé de côté. La corde nerveuse apparaît comme une ligne blanche qui parcourt la ligne médiane ventrale de l'animal. Retirez la solution saline du plat à dissection et ajoutez de l'alcool 70% sur votre spécimen. L'éthanol fixe les tissus et la corde nerveuse paraîtra plus blanche. En même temps elle deviendra plutôt cassante, aussi soyez prudent lorsque vous touchez ou retirez les tissus qui l'entourent. La corde nerveuse des insectes est une structure paire et un ganglion est situé à chaque segment. La nature paire de la corde nerveuse peut toutefois être cachée par l'excès de tissus adipeux. Vous noterez que le dernier ganglion abdominal paraît plus grand que les autres ganglions situés dans ce segment (tagma). Ceci est la conséquence d'une fusion des derniers ganglions et ce ganglion composé est impliqué dans la fonction de reproduction. Écartez le tissu musculaire du thorax et suivez la corde nerveuse vers l'avant et localisez les ganglions agrandis dans les trois segments thoraciques. Sont-ils tous de la même taille? Pourquoi peuvent-ils être de taille différente?
Cycles biologiques des Insectes (Figs. 73, 74)
Les cycles biologiques des insectes diffèrent d'un groupe à un autre. Chez certains, les adultes et les jeunes se ressemblent beaucoup. Ce cycle est le résultat d'une métamorphose simple ou incomplète et les insectes sont dits hémimétaboles (Fig. 73). La seule différence évidente entre l'insecte mature et immature est la présence d'ailes.
Figure 73. Un cycle biologique hémimétabole
Pour les insectes avec une métamorphose complète il n'y a pas de ressemblance du tout entre l'adulte et le jeune (Fig. 74). On pense communément à la chenille et au papillon comme exemple. Mais cela inclut aussi le ver blanc et la mouche, les larves et les scarabés. Dans tous les cas, il y a un stade nymphal entre le stade larvaire et le stade adulte. En fait, la plupart des insectes ont une métamorphose complète et sont holométaboles. Seuls les insectes les plus primitifs ne subissent pas de métamorphose et ils peuvent même continuer à muer en adultes, quelque chose que ni les insectes hémimétaboles ni les insectes holométaboles ne peuvent faire.
Figure 74. Un cycle biologique holométabole