Schémas complexes de circulation de l'hémolymphe dans les ailes des sauterelles

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 313 (2023) Citer cet article

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Les systèmes vivants d'un insecte - circulation, respiration et système nerveux ramifié - s'étendent du corps jusqu'à l'aile. La circulation de l'hémolymphe de l'aile est essentielle pour hydrater les tissus et fournir des nutriments aux systèmes vivants tels que les organes sensoriels de l'aile. Malgré le rôle essentiel de la circulation hémolymphale dans le maintien du bon fonctionnement des ailes, les ailes sont souvent considérées comme des cuticules « sans vie » et les flux restent largement non quantifiés. La microscopie fluorescente à grande vitesse et le suivi des particules de l'hémolymphe dans les ailes et le corps de la sauterelle Schistocerca americana ont révélé un flux dynamique dans chaque veine des ailes antérieures et postérieures. Le système global forme un circuit, mais le comportement de l'écoulement local est complexe, présentant trois types distincts : écoulement pulsatile, apériodique et « avec fuite ». Les cœurs des ailes thoraciques extraient l'hémolymphe de l'aile à des fréquences plus lentes que celles du vaisseau dorsal ; cependant, la vitesse de retour de l'hémolymphe (dans l'aile postérieure) est plus rapide que dans celle du vaisseau dorsal. Pour caractériser la mécanique de l'écoulement interne de l'aile, nous avons cartographié les paramètres d'écoulement sans dimension à travers les ailes, révélant des régimes d'écoulement visqueux. Les ailes soutiennent des comportements d'insectes écologiquement importants tels que la pollinisation et la migration. L'analyse du système circulatoire des ailes fournit un modèle pour les études futures portant sur l'hémodynamique critique nécessaire au maintien de la santé des ailes et du vol des insectes.

Les ailes des insectes sont souvent considérées comme une cuticule morte et sans vie, mais une aile fonctionnelle et saine est inextricablement liée au flux circulatoire actif au sein1,2,3. L'hémolymphe, le sang d'un insecte, sert à hydrater les tissus, à fournir des nutriments aux systèmes nerveux et respiratoire et à faire circuler les cellules impliquées dans la fonction immunitaire, assurant ainsi une fonction physiologique essentielle chez tous les insectes4,5,6. Ces systèmes s'étendent et se ramifient également dans l'aile, nécessitant une alimentation par hémolymphe, comme dans le corps7,8. Le flux d'hémolymphe est également impliqué dans le développement des insectes, servant d'outil hydraulique pendant la croissance, la métamorphose, l'éclosion et l'expansion des ailes9,10. Au sein de l’aile elle-même, la circulation de l’hémolymphe est nécessaire aux organes vivants et aux structures sensorielles11, tels que les organes producteurs d’odeurs sur les ailes des lépidoptères8 et les milliers de poils sensoriels répartis sur les ailes des libellules6,12,13. Les tissus structurels intégrés dans les veines des ailes, comme la résiline14,15, dépendent de l'hydratation de l'hémolymphe, conférant à l'aile mouillée et vivante des propriétés mécaniques différentes de celles d'une aile sèche et morte, démontrant le rôle essentiel de la circulation pour le vol des insectes16. En fait, sous la dessiccation, la cuticule des insectes diminue considérablement en résistance17. Cependant, bien que les propriétés structurelles et aérodynamiques des ailes des insectes soient relativement bien étudiées18, les systèmes vivants internes à l’intérieur des ailes – et le flux qui les alimente – ont été largement ignorés, malgré leur importance cruciale pour l’écologie et l’évolution des insectes.

Certaines grandes tendances concernant la circulation dans les ailes sont bien comprises. Parmi 14 ordres d'insectes, il existe deux principaux modèles de flux chez les insectes au repos : le flux détourné (unidirectionnel : semblable à un circuit) et le flux de marée (bidirectionnel : dans toutes les veines à la fois, puis vers l'extérieur)7,19,20. Les ailes de moustiques, par exemple, présentent un flux détourné au sein de leurs minuscules ailes millimétriques, entraînées par un cœur d'aile thoracique indépendant qui extrait l'hémolymphe de l'aile de manière pulsatile21. Les lépidoptères, en revanche, démontrent un écoulement de marée chez certaines espèces ; le papillon géant de l'Atlas (Attacus atlas), avec une envergure de 30 cm, utilise plusieurs cœurs d'ailes thoraciques, des sacs aériens thoraciques et des trachées s'étendant dans les veines pour pousser puis tirer l'hémolymphe à travers toutes les veines des ailes19. Des travaux récents sur des lépidoptères plus petits ont révélé un écoulement de marée chez une espèce (Vanessa cardui) mais un écoulement détourné chez deux autres (Satyrium caryaevorus et Parrhasius m-album) avec des organes producteurs d'odeurs dans leurs ailes8, ce qui suggère que les modèles d'écoulement peuvent fonctionner pour desservir des structures d'ailes spécifiques. .