Une Étude Révèle Que Les Coléoptères Respirent Fort

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Appareil respiratoire complexe trouvé dans les coléoptères.

Les rayons X permettant de décoller efficacement les coléoptères, opaques, ont révélé que les insectes avaient un appareil respiratoire au travail plus complexe que celui suspecté auparavant.
En dépit de leur corps relativement petit, les insectes ont besoin de plus qu'un simple système respiratoire minuscule pour aspirer suffisamment d'oxygène pour mener à bien des processus de base tels que le sabordage.
Les résultats d'une étude récente révèlent que plutôt que de l'air passivement entrant et sortant passablement, un gonflage et un dégonflage gracieux des tubes trachéaux aident à transporter l'oxygène à travers le corps des coléoptères.
"Ces tubes sont compressés de manière rythmique et chez cette espèce, cela se produit en l'espace d'une seconde", a déclaré le chercheur Jake Socha du Laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois. Socha a présenté la recherche lors d'une réunion de l'American Physiological Society (APS) à Washington, DC le mois dernier.
La "compression trachéale", analogue à la respiration chez l'homme et les autres vertébrés, pourrait être chorégraphiée par une pompe musculaire telle que suggérée par la recherche.
Navette aérienne
Les coléoptères respirent déjà d'une manière assez sophistiquée, en utilisant jusqu'à 18 minuscules orifices, appelés spiracles, qui parsèment la partie médiane et postérieure de leur corps. Lorsque les pores sont ouverts, de l'air riche en oxygène peut se diffuser dans les tubes trachéaux reliés aux trous. L'oxygène est ensuite transporté par des milliers de tubes interconnectés et ramifiés et déversé dans des cellules. Le produit résiduel, le dioxyde de carbone, traverse ensuite les tubes et sort par les trous.
"La conception du système d'échange de gaz pose un problème fondamental et il s'agit d'un problème d'échelle", a déclaré Socha.
Ce qu'il veut dire, c'est que lorsqu'un animal grandit, son volume augmente plus que sa surface et il en va de même pour ses cellules. Les molécules de gaz pénètrent dans les cellules par la surface, de sorte que la taille de cette "entrée" affecte directement la quantité d'oxygène qui peut entrer et sortir.
"Si vous regardez une seule cellule, alors que la cellule devient plus large, la diffusion ne va pas fonctionner pour obtenir de l'oxygène dans la cellule car la diffusion ne fait qu'une certaine distance", a déclaré Scott Kirkton de Union College à New York. Kirkton étudie la respiration des insectes mais n’a pas participé à cette étude sur les coléoptères.
Ce mouvement aléatoire de molécules d’oxygène, appelé diffusion, ne peut transporter l’air entrant jusqu’à présent, et c’est ensuite aux processus mécaniques de prendre le relais. "Alors que le rapport surface / volume devient plus petit, vous ne pourrez pas obtenir d'oxygène. Vous devez avoir un autre moyen de le transporter", a déclaré Kirkton WordsSideKick.com.
Des études récentes ont montré que les insectes, y compris les coléoptères, les libellules et les cafards, utilisent des mouvements corporels actifs pour assurer une respiration optimale. Certains pompent leurs ailes pour éviter l'air d'entrer et de sortir de leur corps, d'autres pressent leur ventre pour aspirer l'oxygène nécessaire. Les mécanismes relèvent tous de la convection, ou mouvement d'air massif.
"La respiration [des insectes] nous ressemble beaucoup plus que ne le pensaient les gens à l'origine. Ils ont un composant convectif comme le nôtre et ils ont un composant diffusif comme le nôtre", a déclaré Kirkton.
Vision aux rayons x
Jusqu'à présent, le fonctionnement interne des insectes, des libellules aux minuscules coléoptères, était interdit aux yeux humains. "Principalement parce que les insectes sont opaques, vous ne pouvez pas voir ce qui se passe avec ces tubes", a déclaré Socha.
Une technique reposant sur des faisceaux de rayons X de grande puissance a permis à des scientifiques comme Socha d’avoir une vision sous le capot de coléoptères vivants et respirants.
Dans la récente étude, Socha et ses collègues ont collecté des coléoptères dans une forêt de la région et les ont collés à une petite montagne. Ensuite, ils ont placé les coléoptères à un endroit situé dans un accélérateur circulaire à particules appelé Advanced Photon Source du Laboratoire national Argonne. L'accélérateur accélère les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière, processus qui génère des rayons X d'un milliard de fois plus puissants que ceux utilisés dans les hôpitaux.
Le résultat était une vidéo montrant les "contours au crayon" des tubes respiratoires très fins. Les minuscules tubes se sont serrés et libérés dans un motif d'ondulations qui a commencé dans un cycle parfaitement chronométré. "Donc, en une seconde, il y a une déflation puis une ré-inflation rapide. Cela semble se produire partout à la fois", a déclaré Socha.
Ils ont remarqué un motif étrange de minuscules empreintes le long de chaque tube lorsque l'animal inspirait et exhalait. "Ces compressions semblent être ces fossettes en forme de ballon de football qui sont enfoncées dans les tubes trachéaux", a déclaré Socha.
Les scientifiques ne savent pas exactement comment ces compressions aident le dendroctone. "La compression peut accélérer le flux d'air frais et faciliter l'échange d'oxygène", a expliqué Socha. Une autre idée est qu'en évacuant plus rapidement le dioxyde de carbone, les réservoirs ne s'ouvriraient que pendant une courte période, ce qui réduirait la perte d'eau par les pores. "Ou cela peut simplement déplacer l'air dans le corps", a déclaré Socha.
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