L'excrétion et la circulation chez les animaux

L'excrétion

Ce n'est pas seulement un mécanisme d'élimination des déchets, mais il maintient également la composition chimique et les caractéristiques du milieu intérieur.

Toutes les fonctions par lesquelles le corps expulse quelque chose vers l'extérieur sont utilisées pour excréter : les larmes, le sperme, le cérumen...

Par l'excrétion, les résidus du catabolisme cellulaire sont éliminés. On la confond habituellement avec la défécation (élimination par l'anus des déchets non digérés ou non assimilables par le corps) ou la sécrétion (production par l'organisme de substances potentiellement utiles qui sont libérées à l'extérieur plus tard).

Les processus d'excrétion

Il existe trois types de processus :

• Filtration : Passage de substances du milieu intérieur vers les tubes excréteurs par un processus de diffusion. Il s'agit d'un processus spontané qui se fait selon un gradient de concentration.
• Réabsorption (ou résorption) : Retour vers le milieu intérieur de substances (eau, matières organiques, sels...) essentielles pour le corps qui étaient passées dans le tube de filtration. Cela nécessite une dépense énergétique.
• Sécrétion (ou décharge) : Transfert par transport actif de substances du milieu intérieur vers l'organe excréteur qui n'étaient pas passées lors de la filtration, car elles étaient moins concentrées, afin de former l'urine. Ce processus nécessite de l'énergie.

Les déchets

Les principales substances excrétées par les animaux peuvent être classées en deux groupes :

• Les produits non azotés : Ils se composent principalement de CO₂ (éliminé par la respiration), d'eau (éliminée par l'appareil excréteur, la transpiration et l'expiration), de sels minéraux (éliminés dans l'urine et la sueur) et de pigments biliaires (éliminés par les fèces).
• Les produits azotés : Dérivés du métabolisme des acides aminés et des acides nucléiques. Ces composés peuvent être éliminés sous forme de diverses substances. Selon la substance principalement excrétée, les animaux sont classés en trois groupes :
  • Ammoniotéliques (ex. poissons) : Le produit d'excrétion est l'ammoniac.
  • Uricotéliques (ex. insectes, oiseaux et reptiles) : Le produit d'excrétion est l'acide urique.
  • Uréotéliques (ex. amphibiens, reptiles, tortues et mammifères) : Le produit d'excrétion est l'urée.

Types de tubes excréteurs

Le tube excréteur a une extrémité en contact avec l'extérieur et l'autre extrémité en cul-de-sac. Le tube est creux et comporte une paroi formée par l'endothélium.

Organes excréteurs des invertébrés

Les groupes les plus simples (Cnidaires et Spongiaires) n'ont pas d'organes spécialisés dans l'excrétion ; l'élimination des déchets se fait directement à l'extérieur par la surface du corps. Le reste des invertébrés a développé des structures anatomiques spécialisées ou des organes excréteurs.

Organes excréteurs des vertébrés

Les organes excréteurs des vertébrés sont les reins, qui sont formés par un ensemble d'unités appelées néphrons.

Chez les mammifères, les femelles ont un appareil excréteur totalement indépendant de l'appareil génital, tandis que chez les mâles, les appareils excréteur et génital partagent leur dernière portion : l'urètre.

Structure des reins

• Capsule rénale : Couche la plus externe.
• Zone corticale (cortex) : Forme une couverture continue sous la capsule du rein, présentant des prolongements vers l'intérieur.
• Médulla (moelle rénale) : Située dans les prolongements du cortex, elle présente un aspect strié.
• Bassinet du rein (pyélon) : Zone de tubes qui recueillent l'urine.

Le néphron

Il se compose d'un corpuscule rénal, qui produit la filtration du fluide du plasma sanguin, et d'un tube contourné de longueur variable, avec différentes spécialisations morphologiques et fonctionnelles, qui se charge de la réabsorption et de la sécrétion active des solutés. Les tubules de plusieurs néphrons se réunissent dans le canal collecteur et se jettent dans l'uretère.

Formation de l'urine

L'urine est un liquide composé d'eau et de substances de déchets. Dans les néphrons, le processus de formation se déroule en trois étapes :

• La filtration : Filtre le sang dans la capsule de Bowman.
• La réabsorption (ou résorption) : Récupère les substances utiles qui ont été filtrées dans la capsule de Bowman.
• La sécrétion : Certaines substances passent du sang vers l'urine formée dans le néphron.

L'urine formée passe ensuite dans les canaux collecteurs des reins, puis dans les uretères, et de là vers la vessie, où elle est stockée jusqu'à ce qu'elle soit évacuée à travers l'urètre.

L'excrétion et la pression osmotique

L'excrétion ne consiste pas seulement à expulser les déchets, elle régule également la quantité d'eau et de sels minéraux pour maintenir constante la concentration du milieu intérieur et l'équilibre osmotique.

Il existe différentes stratégies pour prévenir la perte ou le gain d'H₂O :

• Les animaux simples : Ils vivent dans un milieu isotonique par rapport à l'extérieur, ce qui n'entraîne ni perte ni gain d'eau.
• Les animaux d'eau douce : Ils ont un milieu intérieur hypertonique par rapport à l'extérieur. L'afflux constant d'eau par osmose poserait de graves problèmes ; pour compenser, ces animaux ne boivent pas et urinent beaucoup.
• Les animaux d'eau de mer : Ils ont un milieu intérieur hypotonique et ont tendance à perdre de l'eau par osmose. Ils utilisent deux stratégies différentes :
  • Les poissons osseux boivent beaucoup d'eau, urinent très peu et possèdent des pompes dans les branchies qui régulent l'élimination des sels.
  • Les poissons cartilagineux maintiennent leur milieu intérieur isotonique par rapport à l'extérieur en conservant l'urée en solution dans leurs cellules.
• Les animaux terrestres : Ils ont tendance à perdre de l'eau et sont les mieux adaptés à la rétention d'eau. À cette fin, les tubes du néphron sont très longs, de sorte que le filtrat se déplace à travers les tubules et que l'eau soit réabsorbée tout au long du parcours.

Le transport de matières

Chez les animaux les plus simples, le moyen de transport est le liquide extracellulaire, tandis que chez les animaux mais complexes, le système circulatoire est composé d'un liquide, de vaisseaux et d'un mécanisme de propulsion (moteur).

Les liquides circulants

Ils sont composés d'eau, de sels minéraux, de protéines... et d'un certain nombre de pigments responsables du transport des gaz.

• L'hydrolymphe : Propre aux échinodermes. Sa composition est similaire à celle de l'eau de mer et elle ne contient pas de molécules de transport de gaz. Ses fonctions se limitent au transport des nutriments et des déchets métaboliques.
• L'hémolymphe : Typique de nombreux invertébrés. Chez certains, elle contient un pigment respiratoire, l'hémocyanine.
• La lymphe : Unique aux vertébrés. Sa composition est similaire à celle du sang, mais sans globules rouges ni plaquettes.
• Le sang : Se trouve chez les vertébrés et les annélides. Chez les vertébrés, il contient de l'hémoglobine comme pigment respiratoire unique ; chez les annélides, le pigment est l'hémoérythrine.

Le sang

Le sang est l'un des fluides circulants des vertébrés. Il est composé d'un liquide jaunâtre appelé plasma, dans lequel se trouvent de l'eau, des sels minéraux et des nutriments dissous. Il contient également des cellules :

• Les globules rouges (hématies) : Ils sont remplis d'hémoglobine. Ils transportent l'O₂ et une petite quantité de CO₂ (le reste étant transporté dissous dans le plasma). On en compte entre 4,5 et 5 millions par mm³.
• Les globules blancs (leucocytes) : Ils sont chargés de défendre l'organisme et le font de deux manières :
  • Par phagocytose (digestion intracellulaire) : C'est le rôle des macrophages.
  • En fabriquant des anticorps spécifiques contre différents antigènes (des protéines reconnues comme étrangères, provenant généralement d'un virus...). L'anticorps est spécifique à chaque antigène et n'est produit qu'en sa présence. C'est le rôle des lymphocytes.
• Les plaquettes : Ce sont des fragments de cellules qui contiennent une protéine appelée fibrinogène (qui se transforme en fibrine insoluble pour former un réseau de fibres emprisonnant les cellules et formant un caillot). Cela se produit lors d'une blessure.

Il existe deux types de sang :

• Le sang artériel : Sang riche en O₂ et pauvre en CO₂, qui vient de passer par la surface respiratoire pour capter l'O₂ et ne l'a pas encore distribué aux cellules.
• Le sang veineux : Sang pauvre en O₂ et riche en CO₂, qui a laissé son O₂ aux cellules et n'est pas encore repassé par la surface respiratoire.

Ces deux types de sang peuvent circuler aussi bien dans les veines que dans les artères.

Les vaisseaux

Ce sont les conduits dans lesquels circulent les fluides. Dans le cas des vertébrés, il existe deux types de vaisseaux :

• Les vaisseaux sanguins : Ils comprennent les artères (qui transportent le sang du cœur vers les tissus), les veines (qui ramènent le sang vers le cœur) et les capillaires (siège des échanges de nutriments et de gaz entre le sang et les tissus).
• Les vaisseaux lymphatiques : Ils sont constitués d'un réseau de capillaires. Tout au long de leur parcours, ils passent par des renflements, les ganglions lymphatiques, répartis dans tout le corps et formés de tissu conjonctif où se trouvent les lymphocytes qui y achèvent leur maturation.

Le système lymphatique

Sa fonction est de drainer le liquide interstitiel (situé entre les cellules).

L'échange de gaz et de nutriments entre le sang et les cellules ne se fait pas directement : les substances passent d'abord par le liquide interstitiel, et certaines y restent. Les vaisseaux lymphatiques recueillent ce qui reste dans le liquide interstitiel et le retournent dans le sang.

Une autre fonction du système lymphatique est la production de lymphocytes dans les ganglions lymphatiques et leur libération dans le sang par la lymphe.

L'ensemble du système lymphatique se déverse dans le sang par la veine sous-clavière interne.

Le mécanisme de propulsion

Tous les animaux ont besoin d'un mécanisme de pompage qui assure la circulation des fluides. Ce mécanisme peut être dû aux mouvements du corps provoqués par les muscles, ou à l'existence d'un organe de propulsion comme le cœur.

Les cœurs sont des vaisseaux formés de muscles modifiés qui se contractent et se relâchent pour propulser les fluides circulants. Il existe plusieurs types de cœurs :

• Tubulaire : Typique des arthropodes, il a la forme d'un tube.
• Cloisonné : Présent chez les mollusques et les vertébrés. Il est constitué de deux types de cavités : les oreillettes, par lesquelles le sang entre, et les ventricules, par lesquels il sort.

Modèles de systèmes circulatoires

Selon que le fluide circule ou non entièrement à l'intérieur de vaisseaux, il existe deux types de systèmes circulatoires :

• Ouvert : (Chez certains invertébrés) Les fluides circulants ne passent pas uniquement par l'intérieur de vaisseaux et baignent directement toutes les cellules du corps, ou s'écoulent à travers des vaisseaux qui s'ouvrent finalement dans les cavités corporelles. Il y a un contact direct entre le fluide circulant et les cellules.
• Fermé : (Chez les vertébrés) Les fluides circulent entièrement à l'intérieur de vaisseaux qui parcourent tout le corps. Le contact entre le liquide et les cellules n'est pas direct, mais s'effectue à travers des surfaces d'échange. Les nutriments et les gaz passent par diffusion à travers les capillaires.

Selon le nombre de circuits, le système fermé peut être :

• Simple : (Chez les poissons osseux) Il est constitué d'un seul circuit, de sorte que le fluide circulant ne passe qu'une seule fois par le cœur.
• Double : Le sang passe deux fois par le cœur, selon deux circuits :
  • La petite circulation (ou circulation pulmonaire) : Le sang désoxygéné part du cœur, va vers les poumons et retourne au cœur.
  • La grande circulation (ou circulation systémique) : Le sang oxygéné quitte le cœur vers les tissus, où il délivre l'oxygène et récupère le dioxyde de carbone, avant de retourner au cœur.

Les systèmes doubles peuvent être incomplets (chez les amphibiens et les reptiles, sauf les crocodiles), si la séparation entre les deux circuits n'est pas totale, ou complets (chez les oiseaux et les mammifères), si la présence de cloisons dans le cœur assure une séparation complète du sang oxygéné et désoxygéné, ce qui accroît l'efficacité du système.

L'origine de cette double circulation est liée à la respiration pulmonaire, qui nécessite un double passage par le cœur afin d'obtenir une pression suffisante pour propulser le sang dans tout le corps.