Struktur und Funktion der Insekten Prof. Dr. Bernd Grünewald

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1 Struktur und Funktion der Insekten Prof. Dr. Bernd Grünewald Institut für Bienenkunde Oberursel Polytechnische Gesellschaft FB Biowissenschaften, Goethe-Universität

2 Anneliden - Arthropoden - Insekten

3 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

4 Was gibt es heute über Insekten? Integument Atmung Hämolymphsystem Ernährung und Verdauung Osmoregulation & Exkretion Video

5 Integument und Cuticula Sklerotisiertes Exoskelett

6 Was ist Chitin? Trehalose N-Acetylglucosamin Chitin Chitinsynthese Ausgangsstoff: Trehalose (aus Pflanzen) Synthese über verschiedene Reaktionen Aktivierung von N-Acetylglucosamin durch Phosphorylierung Polymerisierung durch Chitinsynthetase Chitin Biopolymer Monomer: Acetylglucosamin Polysaccharid (Poly-N-Acetylglucosamin Acetylierungsgrad unterschiedlich Vorkommen: Insekten, Pilzen, Schnecken

7 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)

8 Dettner und Peters 2003 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

9 Dettner und Peters 2003 Cuticula Wachs- und Porenkanäle Materialtransport Duftmoleküle Versorgung

10 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) Scharnier zwei Angelpunkte (dicondyl): z.b. Coxa-Trochanter Kugelgelenke (Vorsprung, Vertiefung) Seifert Entomologisches Praktikum

11 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

12 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

13 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

14 Dettner und Peters 2003 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

15 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

16 Dettner und Peters 2003 Herzschlag und Ostien Einstromostien: Zwei Grundtypen: Einstromostien (meisten Insekten) Zweiwegostien (Lepidoptera) Teilweise zusätzliche Ausströmostien Zweistromostien: Ursprünglich 1 Ostie pro Segment Apterygote Insekten (flügellose): bidirektionale Pumpe Pterygota (meisten Insekten): periodische Herzschlagumkehr: vorne hinten, Herzstillstand, hinten - vorne

17 Akzessorische Pulsationsorgane, z. B. das Antennenherz Periplaneta Ampullen (paarig oder unpaar) Dilatatormuskel Unpaare Ampullen (Diptera) Kontakt mit Kopfpulsationsorgan Hämolymphe in Extremität oder Flügel

18 Ernährung und Verdauung Hohe Diversität Allesfresser Pflanzenfresser Räuber Aasfresser Blutsauger Pflanzensauger Nektarsauger Saftsauger Strudler Holzfresser Parasitoide

19 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

20 Osmoregulation und Exkretion Malpighische Gefäße Blindgeschlossene Darmventrikel Mündung in Pylorusregion Anzahl zwischen 2 und 200 Länge 2 bis 200 µm Durchmesser µm Einschichtiges Epithel Sekretion / Exkretion ins Lumen Primärharn Wasserentzug im Darm

21 Bauplan eines Insekts

22 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

23 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?

24 Fachbegriffe zum Nachschlagen Telson Chitin Epidermis Epi-, Endo-, Exocuticula Resilin Apolyse, Ecdysis Exuvie Syndese Trachee Stigma Siphon Hämolymphe Mixocoel Diaphragma, Perikardialsinus Ostien Ampullen Malpighische Gefäße Oesophagus Tracheolen

25 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!