Was ist Chitin? - Institut für Bienenkunde

Struktur und Funktion der Insekten
Prof. Dr. Bernd Grünewald
Institut für Bienenkunde Oberursel
Polytechnische Gesellschaft
FB Biowissenschaften, Goethe-Universität
[email protected]
www.institut-fuer-bienenkunde.de
Anneliden - Arthropoden - Insekten
Äußere Anatomie eines Insekts
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Kopf-Thorax-Abdomen: spezialisierte Tagmata
Drei Beinpaare am Thorax, Abdominalbeine nur larval
Zwei Komplexaugen, 3 Ocellen
Ein Antennenpaar
Landlebewesen (Tracheen)
Primär flügellos, viele rezente Pterygoten
Was gibt es heute über Insekten?
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Integument
Atmung
Hämolymphsystem
Ernährung und Verdauung
Osmoregulation & Exkretion
• Video
Integument und Cuticula
 Sklerotisiertes Exoskelett
Was ist Chitin?
Trehalose
N-Acetylglucosamin
Chitinsynthese
• Ausgangsstoff: Trehalose (aus Pflanzen)
• Synthese über verschiedene
Reaktionen
• Aktivierung von N-Acetylglucosamin
durch Phosphorylierung
• Polymerisierung durch Chitinsynthetase
Chitin
Chitin
• Biopolymer
• Monomer: Acetylglucosamin
• Polysaccharid (Poly-N-Acetylglucosamin
• Acetylierungsgrad unterschiedlich
• Vorkommen: Insekten, Pilzen,
Schnecken
Cuticula
 Epidermis ist einschichtiges Epithel
Sezernierung der Cuticula
Chitin + Proteine (Resilin!) + Lipide
• Schichtenbau der Cuticula:
Epicuticula (außen, chitinfrei)
Exocuticula (sklerotisiert)
Endocuticula (nicht sklerotisiert)
(Endo- und Exocuticula = Procuticula)
Cuticula
 Epidermis als einschichtiges Epithel
Sezernierung der Cuticula
Chitin (1/3) + Proteine (2/3, z.B. Resilin!) +
Lipide
Dettner und Peters 2003
 Schichtenbau der Cuticula:
Epicuticula (außen, chitinfrei)
Exocuticula (sklerotisiert)
Endocuticula (nicht sklerotisiert)
 Häutung:
1. Apolyse: Trennung von Epidermis und
alter Cuticula (Exuvie)
2. Enzymatischer Abbau der alten
Endocuticula
3. Verdau der alten Endocuticula
4. Abscheidung der neuen Procuticula
5. Ecdysis: Schlüpfen
Dettner und Peters 2003
Cuticula
Wachs- und Porenkanäle
 Materialtransport
 Duftmoleküle
 Versorgung
Gelenke eines Exoskelettes
Syndese
Scharnier
dicondyl:
Kugelgelenk
Verbindung von Skleriten, Gelenke
• Problem: starres Exoskelett
• Einfachste Version: Syndese (schmaler
Membranstreifen zwischen Cuticulaplatten):
Thorakal-, Abdominalsegmente
monocondyl
• Scharniergelenk (Nut und Falz):
einfache Artikulation (monocondyl):
z.B. Trochanter-Femur, Femur-Tibia (oft)
zwei Angelpunkte (dicondyl):
Scharnier
z.B. Coxa-Trochanter
• Kugelgelenke (Vorsprung, Vertiefung)
Seifert – Entomologisches Praktikum
Atmung – Wie funktionieren Tracheen und Kiemen?
• Insekten sind primär landlebende Tiere
• Kein Gasaustausch über die Cuticula
• Tracheen:
• weitverzweigtes Röhrensystem
• kutikuläre Röhren
• Querkommissuren zwischen
Hemisphären
Hickman et al. 2008
Atmung – Tracheen und Kiemen
• Ontogenese: ektodermale hohle Einstülpungen der Epidermis
• Abdomen, teilweise Thorax, nie am Kopf
• Seitliche Mündungen = Stigmen
• Versteifung durch Taenidien
• Große innere Oberfläche
• Tracheolen = feinste Endverzweigungen
Hickman et al. 2008
Atmung – Tracheen und Kiemen
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Stigmen = Öffnungen nach außen
Cuticuläre Filterreusen (Schutz gegen eindringende Partikel)
Stigmenventile = Verschlußapparate
Verdunstungsschutz, Druckerhaltung, gerichteter
Gasaustausch
• Muskel als Schließer, selten als Öffner
• Band (elastische Spange) und Bügel (starr)
• Teilweise komplizierte Konstruktionen
Atmung – Wie funktionieren Tracheen und Kiemen?
Dettner und Peters 2003
• Hohe Diversität
• Luftsäcke
• Tracheenkiemen
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Machilis (Felsenspringer)
Collembolen
Schildlaus
Larve von Musca
Schwimmlarve von Culex
Aeschna-Larve
Ephemeridenlarve
Schabe
Honigbiene
Hämolymphsystem
Offenes Kreislaufsystem
• Dorsalgefäß, abdominal: Herz
• Mixocoel  Blut und interstitielle
Gewebsflüssigkeit bilden
Hämolymphe
• Plasma + Hämocyten
• Stofftransport (Nährstoffe,
Metabolite, Abbauprodukte)
• Signalstoffe (Hormone, Transmitter)
• Immunabwehr, Wundverschluß
• Turgor bei Larven
• Thermoregulation
Dettner und Peters 2003
Herzschlag und Ostien
Einstromostien:
Zwei Grundtypen:
• Einstromostien (meisten Insekten)
• Zweiwegostien (Lepidoptera)
• Teilweise zusätzliche Ausströmostien
Dettner und Peters 2003
Zweistromostien:
• Ursprünglich 1 Ostie pro Segment
• Apterygote Insekten (flügellose):
bidirektionale Pumpe
• Pterygota (meisten Insekten):
periodische Herzschlagumkehr:
vorne – hinten,
Herzstillstand,
hinten - vorne
Akzessorische Pulsationsorgane,
z. B. das Antennenherz
Periplaneta
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Ampullen (paarig oder unpaar)
Dilatatormuskel
Unpaare Ampullen (Diptera)
Kontakt mit Kopfpulsationsorgan
Hämolymphe in Extremität oder Flügel
Ernährung und Verdauung
Hohe Diversität
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Allesfresser
Pflanzenfresser
Räuber
Aasfresser
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•
Blutsauger
Pflanzensauger
Nektarsauger
Saftsauger
• Strudler
• Holzfresser
• Parasitoide
Ernährung und Verdauung
Darmgliederung (z. B. Grille)
• Mund
• Oesophagus
• Kropf (Cuticula, Nahrungsspeicher, z. B. Honigblase)
• Proventrikulus (muskulös, Zerkleinerung, Reuse,
Schließmuskel zum Mitteldarm)
• Caecus (Sekretion, Symbionten)
• Mitteldarm (Adsorption von Nahrung, Sekretion von
Verdauungsenzymen)
• Pylorus (Ventil zum Hinterdarm)
• Malpighische Gefäße (Exkretion, Osmoregulation)
• Hinterdarm (muskulös, Wasserresorption
• Rectum
• After
• Fettkörper (Trophocyten, zelluläres Netzwerk, Lappen,
nahe Darm): „Leber der Insekten“
Osmoregulation und Exkretion
Malpighische Gefäße
• Blindgeschlossene Darmventrikel
• Mündung in Pylorusregion
• Anzahl zwischen 2 und 200
• Länge 2 bis 200 µm
• Durchmesser 30 – 100 µm
• Einschichtiges Epithel
• Sekretion / Exkretion ins Lumen
• Primärharn
• Wasserentzug im Darm
Bauplan eines Insekts
www.australian-insects.com
Bauplan eines Insekts
1. antenna
2. ocelli (lower)
3. ocelli (upper)
4. compound eye
5. brain (cerebral ganglia)
6. prothorax
7. dorsal artery
8. tracheal tubes (trunk with spiracle)
9. mesothorax
10. metathorax
11. forewing
12. hindwing
13. mid-gut (stomach)
14. heart
15. ovary
16. hind-gut (intestine, rectum & anus)
17. anus
18. vagina
19. nerve chord (abdominal ganglia)
20. Malpighian tubes
21. pillow
22. claws
23. tarsus
24. tibia
25. femur
26. trochanter
27. fore-gut (crop, gizzard)
28. thoracic ganglion
29. coxa
30. salivary gland
31. subesophageal ganglion
32. mouthparts
www.australian-insects.com
Tobias Pfau
Fragen
• Welche Funktion haben Malpighische Gefäße?
• Skizzieren Sie den Aufbau eines typischen Insektendarms!
• Welche Formen der Flugsteuerung kennen Sie? Beschreiben Sie
deren Funktionsprinzipien.
• Aus welchen Teilen besteht ein Insektenbein?
• Was ist ein Stigma, wie ist es aufgebaut und wozu dient es?
Fachbegriffe zum Nachschlagen
• Telson
• Stigma
• Chitin
• Siphon
• Epidermis
• Hämolymphe
• Epi-, Endo-, Exocuticula
• Mixocoel
• Resilin
• Diaphragma, Perikardialsinus
• Apolyse, Ecdysis
• Ostien
• Exuvie
• Ampullen
• Syndese
• Malpighische Gefäße
• Trachee
• Oesophagus
• Tracheolen
Aquatische Insekten
Atemsiphonen bei Culicidenlarven
• Larven und Puppen von Dipteren, Lepidopteren, Coleopteren
• Veratmen Luftvorrat aus der Atmosphäre
• Atemvorrat muß regelmäßig erneuert werden
• Reduktion der Stigmen auf ein Paar
• Caudale Siphone (Larven von Culiciden – A1)
• Prothorakale Atemhörnchen (Puppen von Culiciden - A2)
• Teilweise mit Sägezähnchen und Haltevorrichtungen (Mansonia)
• Durchbrechen Wasserfilm
• Frischluft über Stigmen
NICHT KLAUSURRELEVANT! NUR ZU IHRER INFORMATION!