Institut für Bienenkunde Oberursel Polytechnische Gesellschaft

FB Biowissenschaften, Goethe-Universität b.gruenewald@bio.uni-frankfurt.de

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Struktur und Funktion der Insekten

Prof. Dr. Bernd Grünewald

Anneliden - Arthropoden - Insekten

Äußere Anatomie eines Insekts

1. Kopf-Thorax-Abdomen: spezialisierte Tagmata

2. Drei Beinpaare am Thorax, Abdominalbeine nur larval

3. Zwei Komplexaugen, 3 Ocellen

4. Ein Antennenpaar

5. Landlebewesen (Tracheen)

6. Primär flügellos, viele rezente Pterygoten

Was gibt es heute über Insekten?

• Integument

• Atmung

• Hämolymphsystem

• Ernährung und Verdauung

• Osmoregulation & Exkretion

• Video

Integument und Cuticula

Sklerotisiertes Exoskelett

Was ist Chitin?

Chitin

Chitin

• Biopolymer

• Monomer: Acetylglucosamin

• Polysaccharid (Poly-N-Acetylglucosamin

• Acetylierungsgrad unterschiedlich

• Vorkommen: Insekten, Pilzen, Schnecken

Trehalose

Chitinsynthese

• Ausgangsstoff: Trehalose (aus Pflanzen)

• Synthese über verschiedene Reaktionen

• Aktivierung von N-Acetylglucosamin durch Phosphorylierung

• Polymerisierung durch Chitin-synthetase

N-Acetylglucosamin

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

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

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Cuticula

Wachs- und Porenkanäle

Materialtransport

Duftmoleküle

Versorgung

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Gelenke eines Exoskelettes

Verbindung von Skleriten, Gelenke

• Problem: starres Exoskelett

• Einfachste Version: Syndese (schmaler

Membranstreifen zwischen Cuticulaplatten):

Thorakal-, Abdominalsegmente

• Scharniergelenk (Nut und Falz):

einfache Artikulation (monocondyl):

z.B. Trochanter-Femur, Femur-Tibia (oft)

zwei Angelpunkte (dicondyl):

z.B. Coxa-Trochanter

• Kugelgelenke (Vorsprung, Vertiefung)

Syndese

Scharnier monocondyl

dicondyl: Kugelgelenk

Scharnier

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

• 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?

• Hohe Diversität • Luftsäcke • Tracheenkiemen

A Machilis (Felsenspringer) B Collembolen C Schildlaus D Larve von Musca E Schwimmlarve von Culex F Aeschna-Larve G Ephemeridenlarve H Schabe I Honigbiene

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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

Zwei Grundtypen: • Einstromostien (meisten Insekten) • Zweiwegostien (Lepidoptera) • Teilweise zusätzliche Ausströmostien

• Ursprünglich 1 Ostie pro Segment • Apterygote Insekten (flügellose):

bidirektionale Pumpe • Pterygota (meisten Insekten):

periodische Herzschlagumkehr: vorne – hinten, Herzstillstand, hinten - vorne

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Zweistromostien:

Einstromostien:

Akzessorische Pulsationsorgane, z. B. das Antennenherz

Periplaneta

• Ampullen (paarig oder unpaar) • Dilatatormuskel • Unpaare Ampullen (Diptera) • Kontakt mit Kopfpulsationsorgan • Hämolymphe in Extremität oder Flügel

Ernährung und Verdauung

Hohe Diversität

• Allesfresser • Pflanzenfresser • Räuber • Aasfresser

• 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

www.australian-insects.com

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

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?

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Fachbegriffe zum Nachschlagen

• Telson

• Chitin

• Epidermis

• Epi-, Endo-, Exocuticula

• Resilin

• Apolyse, Ecdysis

• Exuvie

• Syndese

• Trachee

• Tracheolen

• Stigma

• Siphon

• Hämolymphe

• Mixocoel

• Diaphragma, Perikardialsinus

• Ostien

• Ampullen

• Malpighische Gefäße

• Oesophagus

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!