Les insectes sont tous aériens, pas seulement les bestioles qui friment en volant autours de nous, non TOUS, même les rampants, même ceux qui vont… sous l’eau!

De l’air, de l’air !

Quand les spécialistes parlent d’insectes aériens, ils ne parlent pas du fait qu’ils volent, mais du fait qu’ils possèdent un système respiratoire adapté au milieu aérien, un système qui permet de respirer de l’air gazeux. Comment? Chez nous, les mammifères¹, ça commence par un tuyau…

Schéma du système respiratoire des mammifères (Source)

L’air une fois inspiré en effet passe par la trachée qui est un tube flexible constitué de tissus cartilagineux. La trachée se divise ensuite en deux bronches (conduits respiratoires) et chaque bronche pénètre dans un poumon. L’air est inspiré à l’aide d’un muscle, le diaphragme, comme vous pouvez le voir ici² :

Le système respiratoire des mammifères (Source)

Dans le poumon se trouvent les alvéoles (des petits sacs creux) et c’est ici que se fait l’échange gazeux: le dioxygène absorbé passe dans le sang et va se fixer à l’hémoglobine (protéine présente dans les globules rouges du sang), lui permettant d’être transporté dans tous les tissus et organes. Vous ne saviez pas que c’était si complexe de respirer avouez-le!

le système respiratoire des insectes (Source)

Actias selene 5ème stade larvaire présentant des spiracles (de Shawn Hanrahan)

Le système respiratoire des insectes est en revanche un peu différent. Contrairement au système respiratoire des mammifères, il y a la présence, non pas d’un, mais de nombreux tuyaux ramifiés! Le plus étonnant dans cette histoire, c’est que ces tuyaux ramifiés ne débouchent pas sur une bouche ou un nez… Mais sur des trous le long du corps! Eh oui, à la surface de l’insecte, se trouvent des orifices appelés spiracles (aussi appelés stigmates) qui permettent d’échanger des gaz entre l’extérieur et l’intérieur. Ces spiracles sont ensuite connectés à un réseau de trachées à l’intérieur de l’insecte. Attention! Même si ça a le même nom, ce n’est pas du tout la même chose! Chez les insectes, la paroi des trachées est formée de cuticule, composé de chitine (un polysaccharide azoté).

Des trachées (Source)

Les trachées des insectes ont une forme de tube entouré de plusieurs anneaux (attention ça se complique grave). Ces anneaux, appelés les ténidies, sont des épaississements en spirale qui évitent que les trachées s’affaissent, ou même se ferment à cause du passage de l’air.

Les trachées se ramifient en trachéoles, plus petites, qui permettent la connexion entre organe/muscle et trachée. Ce système de transport de gaz se nomme la diffusion passive, car il ne nécessite pas de muscles pour diffuser le dioxygène vers les cellules, contrairement à celui des mammifères.

En revanche, la diffusion passive au sein des trachées limite la taille des insectes. En effet, la diffusion passive entraîne une limite de la diffusion de l’O₂ proportionnelle à la distance. Il est alors préférable que les distances que l’air doit parcourir soient courtes pour que certaines cellules ne soient pas asphyxiées! Ceci explique donc la petitesse des insectes!

La chitine est donc présente dans la cuticule entourant les trachées, mais aussi dans l’exosquelette des insectes (la structure rigide qui entoure l’insecte):

Schéma du système respiratoire de l’insecte (Source)

c’est qu’il y a en fait une continuité entre l’exosquelette et le système respiratoire! C’est comme si nous avions une carapace qui projetait des tubes dans notre corps pour apporter de l’air dans tous nos organes. En résumé, les mammifères n’ont qu’une seule trachée et les insectes en ont plusieurs. Les mammifères ont un nez et une bouche pour respirer, tandis que les insectes ont des spiracles. Mais pour de nombreux chercheurs, la principale différence est marquée par l’absence d’utilisation de protéines efficaces pour transporter l’O₂ dans le sang. Les insectes ne semblent pas utiliser leur sang (qu’on appelle l’hémolymphe) pour respirer.

Strudiella Devonica (Source)

Les trachées des insectes permettent donc d’approvisionner directement les cellules en air ! Les insectes ont donc un système respiratoire aérien développé qui fait de lui un animal aérien. Mais les insectes font partie d’un groupe plus large d’animaux, les arthropodes, qui initialement étaient aquatiques! Comment les insectes ont-ils fait pour devenir les rois de la terre ferme?? Tout simplement (oui bon, pas si simple) c’est la conversion du système respiratoire aquatique (échange gazeux à travers l’eau) en aérien qui leur a permis d’être les boss, car même si ce ne sont pas les premiers à être sortis de l’eau, ce sont les premiers animaux à s’être adaptés à la vie terrestre (le fossile d’insecte le plus ancien adapté au mode de vie aérien étant âgé de 360 millions d’années³ : Strudiella devonica). Une fois sur la terre ferme, les insectes aériens ont réalisé une diversification rapide et impressionnante (papillons, mouches, libellules… etc.) probablement due à d’autres adaptations acquises au cours de l’évolution (Les appendices, le vol et les ailes).  C’est ainsi qu’ils ont augmenté le nombre de cris de peur et de courses à très grande vitesse de certains humains dans les rues. On peut donc conclure que les insectes sont maintenant majoritairement adaptés au milieu terrestre. Mais saviez-vous que parmi les insectes, il y a des myriades d’exemples de retours à la vie aquatique?

De l’eau, de l’eau !

Alors s’il y a bien un truc qui va vous scier les pattes, c’est les insectes aquatiques. Figurez-vous que certaines de ces bestioles aériennes sont revenues à une vie aquatique. Cependant, elles ont toujours un système respiratoire trachéen et des spiracles pour respirer de l’air gazeux. Mesdames et Messieurs, les insectes aquatiques sont bel et bien des insectes… aériens! En gros, ils font de la plongée!

La Nèpe cendrée le 12 August 2014 par Didier Descouens
à l’Etang de la Maourine, Toulouse, France.

Certains se contentent d’un tuba comme la Nèpe cendrée (de la Famille des hétéroptères) qui respire grâce à 2 demi-gouttières qu’elle pointe à la surface de l’eau. Ce tuba se trouve… Bah euh… Comment dire ça de façon subtile… À l’extrémité de son abdomen!

Corixa punctata, le 15 Juin 2005 par Piet Spaans

D’autres ont plus de courage, comme la Corise⁴ (une petite punaise aquatique), qui nage sur le dos et prend une bubulle d’air entre son abdomen et les ailes au niveau dorsal pour se faire une réserve! (sur l’illustration, les reflets argentés délimitent la bulle) . L’air piégé dans la bulle va ensuite passer par les spiracles pour que l’insecte puisse respirer.

Notonecte, le 26 Mars 2013 par Didier Descouens à l’Etang de la Maourine, Toulouse, France.

Chez la notonecte, c’est le même principe, sauf qu’elle nage sur le dos et sa bulle se trouve donc sur son ventre (ceci est possible car elle a un système trachéen fonctionnel avec des spiracles qui se ferment sous l’eau). En revanche, à cause des différences de pressions entre les gaz dans la bulle et les gaz dans l’eau, la bulle d’air n’est pas étanche, et donc rapetisse avec le temps, ce qui est un peu relou. Mais tout cela reste assez stylé on doit l’admettre.

Ce n’est pas le tout de buller sous l’eau!  Les insectes parfaitement aériens ont un système respiratoire permettant de capter des gaz purs.

Un dytique de Chenu, Jean Charles, Desmarest, E.

Mais certains insectes purement aquatiques possèdent aussi un système respiratoire capable d’absorber directement des gaz dissous dans l’eau. D’après une étude parue en 2012⁵, certains dytiques (Dytiscidae) peuvent rester sous l’eau pendant plusieurs semaines, voire des mois ! Ils récupèrent l’oxygène dissous dans l’eau et font passer l’oxygène à travers les stigmates. Il y a enfin les trachéobranchies⁶!

Trachéobranchies de La larve d’éphémère (Source)

Ce sont des branchies externes, reliées aux trachées, pouvant extraire l’oxygène présent dans l’eau. La larve d’éphémère par exemple porte des trachéobranchies. Mais pour que cela soit possible, il faut soit que la demande du corps de l’insecte en oxygène reste faible, soit que les insectes restent petits (car la demande en oxygène est proportionnelle à la taille de l’insecte). Si le taux d’oxygène est trop faible dans l’eau, ils peuvent aussi basculer en mode respiration normale (en utilisant leurs trachées et leurs spiracles). Ils doivent dans ce cas-là retourner à la surface. L’insecte doit donc avoir une taille relativement proportionnelle au taux d’oxygène dans l’eau. Tout ça, ces petites bestioles ne le font pas que pour avoir la classe, mais notamment pour éviter les allers-retours à la surface, où les risques de prédations sont élevés pour nos petits amis⁵.

Des protéines respiratoires chez les insectes ?

Comme dit précédemment, la différence majeure entre le système respiratoire des insectes et des mammifères, c’est qu’il y a absence d’utilisation des protéines pour le transport d’O₂ via le sang. En effet, chez les tétrapodes (et les mammifères en particulier) les protéines respiratoires sont indispensables pour la respiration: les hémoglobines ont une affinité avec l’O₂ et permettent que ce gaz soit transporté dans le sang jusqu’aux organes. Mais récemment plusieurs découvertes ont été faites sur certains insectes qui utilisent également des protéines respiratoires⁷.

Chez les drosophiles (les fameuses mouches du vinaigre) par exemple, on a découvert dans une étude menée en 2007⁸, qu’elles possédaient elles aussi des hémoglobines, produites majoritairement dans le système trachéal. Comme chez les mammifères, cette hémoglobine a une forte affinité avec l’oxygène et, en forte quantité, elles stockent l’oxygène dans le système trachéal chez la mouche. Il y a aussi des hémoglobines extracellulaires qui sont présentes à l’extérieur des cellules, dans l’hémolymphe (le sang des insectes).

Hémoglobine d’insecte (Source)

Le transport d’oxygène chez les insectes est peut-être encore plus complexe que ce que l’on pouvait penser! Dans cette même étude de 2007⁸, des variantes de l’hémoglobine ont été découvertes chez les insectes, mais leurs fonctions sont encore inconnues. Est-ce que les insectes utiliseraient finalement des protéines respiratoires comme nous ? Des études futures nous permettront donc d’en savoir plus sur ces mystérieuses protéines et leurs fonctions dans la respiration des insectes.

Les insectes nous donnent du fil à retordre. Eux, qui se vantent d’être les rois de la respiration avec leur système de transport passif de l’oxygène, absorbé par les stigmates et ensuite transporté jusqu’aux cellules par les trachées, ils possèderaient en plus un système bien plus complexe qui fait intervenir des protéines respiratoires. Dans tous les cas, vous en connaissez assez pour ne plus bugger sur les bugs…

Nous faisons avec toute l’équipe de CBioNum une présentation sur tous nos articles en direct lors de la DiderOdyssée :

Où ça ? Dans l’amphithéâtre Buffon (15 rue Hélène Brion 75013 Paris) lors de l’événement DiderOdyssée.

Quand ça ? Le vendredi 28 avril à partir de 14h

Venez nombreux! On va bien s’amuser!

→ Billet de blog co-écrit par : Camille Guihot-Jouffray & Maya Arnould

Références :

¹. La respiration des mammifères http://slideplayer.fr/slide/3424514/ et http://www.cosmovisions.com/mammiferes.htm

². Freeman, Scott. Biological Science, 4th Edition. San Francisco: Pearson Education Inc., 2011., Harrison, Jon. http://icb.oxfordjournals.org/content/37/1/73.full.pdf (Ventilatory Mechanism and Control in Grasshoppers) Amer. Zool., 37:73-81 (1997), Ritchison, Gary. http://people.eku.edu/ritchisong/birdrespiration.html » (Avian Respiration). Course materials for Ornithology 554/754 http://tabletopwhale.com/2014/10/24/3-different-ways-to-breathe.html

³. Tong, K., Duchene, S., Ho, S., & Lo, N. (2015). Comment on « Phylogenomics resolves the timing and pattern of insect evolution ». Science, 349(6247), 487-487. http://dx.doi.org/10.1126/science.aaa5460  et

Hörnschemeyer, T., Haug, J., Bethoux, O., Beutel, R., Charbonnier, S., & Hegna, T. et al. (2013). Is Strudiella a Devonian insect?. Nature, 494(7437), E3-E4. http://dx.doi.org/10.1038/nature11887

⁴. MyrmecoFourmis, Les naucores et les corises : http://www.myrmecofourmis.fr/Les-naucores-et-les-corises-des-punaises-aquatiques

⁵. Madsen, B. (2012). Submersion respiration in small diving beetles (Dytiscidae). Aquatic Insects, 34(sup1), 57-76. doi: 10.1080/01650424.2012.643026

⁶. La trachéobranchie : http://aramel.free.fr/INSECTES32bis.shtml

^7. Hankeln, T. (2002). Characterization of Drosophila Hemoglobin. EVIDENCE FOR HEMOGLOBIN-MEDIATED RESPIRATION IN INSECTS. Journal Of Biological Chemistry, 277(32), 29012-29017. doi:10.1074/jbc.m204009200

^8. Burmester, T. & Hankeln, T. (2007). The respiratory proteins of insects. Journal Of Insect Physiology, 53(4), 285-294. doi:10.1016/j.jinsphys.2006.12.006

9. l’internaute, http://www.linternaute.com/science/biologie/comment/05/respiration-insectes/comment-respiration-insectes.shtml

10. Cosmovision, L’anatomie Insectes : http://www.cosmovisions.com/insectesAnatomie.htm

11. La respiration dans le monde animal, Les insectes de la mare et la respiration : http://www.chambon.ac-versailles.fr/science/faune/phy_a/resp/milieu_insect.htm

12. Strange stuff and funky things, Trachée n’est pas jouer : http://ssaft.com/Blog/dotclear/?post/2012/12/29/Un-TP-un-article-Trachee-nest-pas-jouer

13. Passion Entomologie, Nouvelle Phylogénie de l’évolution des insectes établie : http://passion-entomologie.fr/phylogenie-insectes/

14. de Sanctis, D., Dewilde, S., Vonrhein, C., Pesce, A., Moens, L., & Ascenzi, P. et al. (2005). Bishistidyl Heme Hexacoordination, a Key Structural Property in Drosophila melanogaster Hemoglobin. Journal Of Biological Chemistry, 280(29), 27222-27229. http://dx.doi.org/10.1074/jbc.m503814200