Nutrition, digestion et fonctions vitales chez les animaux

Nutrition

Nutrition : Le processus par lequel toute matière vivante obtient l'énergie dont elle a besoin pour former ses propres structures et s'acquitter de ses fonctions vitales. La matière et l'énergie sont utilisées par les animaux pour grandir, se développer, jouer et socialiser. L'énergie provient du catabolisme de la matière organique, et les animaux pluricellulaires hétérotrophes obtiennent cette énergie en consommant des aliments.

Processus de la nutrition

Les principales étapes du processus nutritif sont :

• 1. L'ingestion et la digestion de la nourriture pour libérer les nutriments qu'elle contient.
• 2. La répartition des éléments nutritifs à toutes les cellules du corps.
• 3. L'absorption de l'oxygène depuis l'environnement extérieur et son transport ultérieur vers les cellules.
• 4. Le métabolisme cellulaire (catabolisme et anabolisme).
• 5. L'élimination des déchets produits par les cellules lors des phases précédentes.
• 6. L'évacuation de ces substances vers l'extérieur.

La digestion

La digestion implique la transformation des macromolécules qui forment les aliments en petites molécules simples qui peuvent être absorbées par les cellules. Les processus peuvent être physiques ou mécaniques (fragmentation des gros morceaux de nourriture en plus petits) et chimiques (hydrolyse par les sécrétions digestives et les enzymes).

Digestion intracellulaire

Certaines espèces n'ont pas de système digestif élaboré et effectuent la digestion dans des cellules spécialisées. Par exemple, les spongiaires réalisent la digestion des particules alimentaires dans des cellules appelées choanocytes qui tapissent l'intérieur du corps. Les choanocytes possèdent un flagelle et une structure en collerette. L'alimentation pénètre par des pores dans l'animal. Le flagelle propulse l'eau vers la collerette et les particules alimentaires sont filtrées et introduites dans les choanocytes par endocytose. La vacuole qui se forme contient des enzymes digestives lysosomales qui décomposent les aliments en molécules plus simples. Les résidus non digérés sont expulsés par exocytose. Ce type est appelé digestion intracellulaire. Ce procédé ne permet que la prise de particules microscopiques ; chaque cellule doit posséder l'équipement nécessaire pour digérer et assimiler les nutriments.

Digestion dans une cavité

Certains animaux développent une poche interne, une cavité gastrovasculaire, qui possède une seule ouverture servant à la fois de bouche et d'anus. Les gros morceaux de nourriture y sont partiellement dégradés : la nourriture est fragmentée et mélangée avec des enzymes digestives rejetées directement dans la cavité. Ce type est appelé digestion extracellulaire. Chez les cnidaires et les vers plats, la cavité digestive est très ramifiée pour faciliter la distribution des nutriments à toutes les cellules de l'organisme. La digestion dans la cavité n'est pas toujours complète : la nourriture prédigérée pénètre ensuite dans les cellules qui bordent la cavité pour y achever la digestion (digestion intracellulaire).

Digestion dans un tube digestif

La symétrie bilatérale s'accompagne souvent d'un tube digestif traversant le corps, avec deux ouvertures : une bouche et un anus. Ce tube permet de consommer de grandes quantités d'aliments et d'organiser le processus digestif en sections spécialisées (broyage, dégradation enzymatique, absorption des nutriments).

Régions du tube digestif

• Région de réception : bouche ou cavité buccale, pharynx musculaire et structures d'entrée. Ces organes sont adaptés au type d'aliment consommé. Les animaux qui se nourrissent de liquides ont développé des structures qui fonctionnent comme des pailles : la trompe des papillons qui se nourrissent de nectar, les pièces buccales piqueuses-suceuses des moustiques, etc.
• Région de stockage et de transport : œsophage puis organes de stockage temporaires comme le jabot (ou récolte) chez certains annélides, insectes et oiseaux.
• Région de broyage et de digestion initiale : l'estomac, une poche où les aliments sont entreposés et mélangés avec les sucs gastriques pour une digestion partielle. Certains animaux possèdent un gésier, estomac musculaire contenant des pierres ingérées qui broient la nourriture (oiseaux), ou un moulin gastrique calcaire chez certains crustacés ; les insectes ont des dents chitineuses.

Chez les ruminants, la digestion commence presque sans mastication : la nourriture fermentée dans le rumen est ensuite régurgitée, remâchée (cud) puis avalée à nouveau. Le tube digestif des ruminants comporte plusieurs chambres (rumen, réticulum, feuillet et caillette) ; les trois premières proviennent de l'œsophage. La caillette est le véritable estomac où la digestion chimique a lieu.

• Région de digestion et d'absorption des nutriments : l'intestin, divisé en intestin grêle et gros intestin, est le lieu de la plupart des digestions chimiques et de l'absorption des nutriments qui traversent la paroi intestinale pour atteindre la circulation sanguine. Les glandes annexes importantes chez les vertébrés sont le foie et le pancréas.
• Région d'absorption d'eau et d'expulsion : dans le gros intestin se réalise la réabsorption d'eau et la formation des matières fécales, expulsées par l'anus. Chez de nombreux invertébrés et chez des vertébrés (amphibiens, reptiles et oiseaux), l'anus communique avec un cloaque, chambre où s'ouvrent aussi les voies urinaires et génitales. Chez beaucoup d'animaux (insectes, reptiles), la réabsorption d'eau est très efficace et produit des excréments très secs.

Exemples d'adaptations des pièces buccales

• Les crustacés : la première paire d'appendices marcheurs peut se transformer en puissantes griffes pour attraper les proies.
• Les araignées : des chélicères percantes et venimeuses immobilisent la proie ; les enzymes digestives externes liquéfient les tissus, qui sont ensuite aspirés.
• Les céphalopodes : tentacules pour capturer la proie et bec cornée pour la déchirer.
• Les étoiles de mer : elles ouvrent les coquilles des bivalves et expulsent une partie de leur estomac pour digérer la chair.
• La radula des gastéropodes : langue râpeuse avec de petites dents pour manger.
• La lanterne d'Aristote des oursins : un ensemble de pièces calcaires utilisé pour racler les algues.
• Parmi les vertébrés apparaissent les premières dents et la langue. Chez les oiseaux et les tortues, les dents sont remplacées par un bec.

Chez les mammifères, la digestion commence dans la bouche : l'action conjointe des dents et de la langue écrase la nourriture et la mélange avec la salive, qui contient une enzyme appelée amylase salivaire (ptialine) qui dégrade partiellement l'amidon en maltose.

Région de stockage et de transport

L'œsophage est la région qui transporte les aliments vers l'estomac. Dans certains animaux, une dilatation de l'œsophage sert de réserve : le jabot ou récolte.

Région de broyage et de digestion initiale

L'estomac est une dilatation du tube digestif où les aliments sont remués et mélangés aux sucs digestifs sécrétés par les cellules stomacales. Les animaux qui n'ont pas de dents ou qui n'utilisent pas la mastication peuvent posséder un gésier musculaire pour broyer la nourriture. Certains animaux avalent des pierres qui facilitent le broyage. Chez les crustacés, un ensemble de pièces forme le moulin gastrique ; chez les insectes, il existe des structures masticatrices chitineuses.

Région de digestion et absorption des nutriments

L'intestin grêle effectue la majeure partie de la digestion chimique et l'absorption des nutriments. L'épithélium intestinal sécrète des enzymes et reçoit les sécrétions des glandes annexes (foie et pancréas chez les vertébrés). La paroi intestinale présente des replis, des villosités et des microvillosités qui augmentent considérablement la surface d'absorption. Chez certaines espèces (par ex. requins), la muqueuse intestinale est enroulée en spirale (valvule spirale) pour ralentir le passage des aliments.

Région d'absorption d'eau et d'expulsion

Le gros intestin réabsorbe l'eau et transforme les matières non digérées en matières fécales, expulsées par l'anus. Chez de nombreux animaux, l'anus s'ouvre dans un cloaque qui reçoit aussi les voies urinaires et génitales. L'efficacité de la réabsorption d'eau varie selon les espèces et dépend de l'environnement (des excréments plus secs chez les animaux économes en eau).

Fonction respiratoire

La respiration est le processus d'échange gazeux entre l'organisme et l'environnement. La respiration cellulaire, processus catabolique réalisé dans les mitochondries, implique l'oxydation de la matière organique pour extraire l'énergie liée aux liaisons chimiques. L'entrée et la sortie des gaz s'effectuent par diffusion à travers une surface respiratoire.

Caractéristiques des surfaces respiratoires

• Maintenir l'épithélium humide, car la diffusion des gaz se fait au travers d'un milieu aqueux.
• Présenter une grande surface pour un échange efficace.
• Être suffisamment mince pour permettre le passage des gaz.

Respiration sans organe respiratoire spécialisé

Les éponges, les cnidaires, les plathelminthes et les nématodes respirent par diffusion directe à travers la surface corporelle. Leur corps agit comme membrane respiratoire : les gaz se diffusent directement entre l'eau ou l'air environnant et les cellules. Les oligochètes et les hirudinées améliorent l'efficacité de la respiration cutanée grâce à un vaste réseau de capillaires sous la peau qui distribuent l'oxygène et collectent le dioxyde de carbone.

Respiration en milieu aquatique

Les branchies sont des extensions très ramifiées et fortement vascularisées de la surface corporelle, immergées dans l'eau, assurant des échanges gazeux efficaces. Chez certains invertébrés (polychètes, crustacés, larves) et chez certains échinodermes et amphibiens, les branchies sont externes et non protégées. Chez les bivalves et les céphalopodes, les branchies sont internes, immergées dans la cavité du manteau et protégées. Chez les poissons chondrichtyens, des cloisons interbranchiales et un opercule protègent les branchies ; chez les ostéichthyens, les branchies sont protégées par l'opercule osseux.

Respiration en milieu terrestre

Les organismes terrestres ont développé des structures spécialisées :

• Trachées : système de tubes conduisant l'air atmosphérique directement aux cellules chez les insectes. Les trachées se ramifient en trachéoles très fines proches des cellules. L'air pénètre par des orifices appelés stigmates, souvent munis de valves pour limiter la perte d'eau et l'entrée de débris.
• Poumons : cavités internes vascularisées issues de l'invagination du tractus digestif antérieur, dont les parois sont minces pour faciliter les échanges gazeux entre l'air et le sang. L'air pénètre par des voies aériennes comprenant le nez, la bouche, le pharynx, le larynx, la trachée et les bronches.

Fonction circulatoire

La fonction circulatoire distribue aux cellules les nutriments absorbés par le tube digestif et l'oxygène capté par le système respiratoire, et transporte les déchets vers le système excréteur. Le sang est le liquide de transport ; les vaisseaux sanguins forment le réseau de distribution et le cœur est la pompe propulsive.

Systèmes circulatoires

• Système circulatoire ouvert : le sang quitte partiellement les vaisseaux et remplit des espaces intercellulaires. Le cœur pompe le sang dans des vaisseaux ouverts qui déversent le sang dans les lacunes ; après échanges, le sang est recueilli par d'autres vaisseaux qui le ramènent vers les organes respiratoires (branchies ou poumons) pour l'oxygénation avant retour au cœur. Les arthropodes ont souvent un cœur avec des ostioles, orifices permettant un flux d'entrée du sang.
• Système circulatoire fermé : le sang circule en permanence à l'intérieur de vaisseaux (artères, artérioles, capillaires, veinules, veines). On le retrouve chez les annélides, les céphalopodes et les vertébrés. Ce système permet une distribution plus rapide et sélective des nutriments et une élimination plus efficace des déchets.

Organisation des vaisseaux sanguins

• Artères : vaisseaux qui quittent le cœur ; leurs parois contiennent une épaisseur de muscles lisses et de tissu élastique qui permet de varier leur diamètre.
• Artérioles : petites artères avec une fine couche de muscle lisse ; à la jonction avec les capillaires, des sphincters précapillaires régulent le flux sanguin.
• Capillaires : vaisseaux où s'effectuent les échanges par diffusion des nutriments et déchets entre le sang et les cellules. Ils possèdent des parois très minces, formées d'une seule couche cellulaire, et forment de vastes réseaux capillaires.
• Veinules : recueillent le sang des capillaires et le transfèrent vers des veines de plus gros diamètre.
• Veines : vaisseaux responsables du retour du sang vers le cœur ; leurs couches musculaires sont plus minces que celles des artères et elles comportent des valves empêchant le reflux. Les contractions musculaires périphériques favorisent le flux veineux vers le cœur.

Types de circulation

• Circulation simple : le sang quitte le cœur, effectue un circuit complet dans le corps et revient au cœur (présente chez certains poissons).
• Circulation double : le sang passe deux fois par le cœur lors d'un cycle complet : circulation pulmonaire (cœur → poumons → cœur) et circulation systémique (cœur → corps → cœur). Chez les mammifères, le cœur est à quatre chambres (deux oreillettes, deux ventricules) et assure une séparation complète du sang oxygéné et désoxygéné, ce qui permet une concentration en oxygène plus élevée dans le sang artériel et favorise l'endothermie.

Fonction excrétrice et homéostasie

Fonction excrétrice : les principaux déchets métaboliques sont le dioxyde de carbone, l'eau et les déchets azotés. L'élimination de ces déchets contribue au maintien de l'homéostasie, c'est-à-dire la constance des caractéristiques du milieu interne (concentration en sels, pH, etc.). L'homéostasie implique une action coordonnée des systèmes nerveux, endocrinien, circulatoire et des surfaces en contact avec l'extérieur (peau, voies respiratoires, digestives et excrétion).

L'excrétion

L'excrétion est l'élimination des déchets métaboliques produits par les cellules. L'osmorégulation est l'échange de sels et d'eau entre le milieu extracellulaire et l'extérieur afin de compenser les gains et pertes de ces substances.

Appareils excréteurs

Les systèmes excréteurs sont des réseaux de tubes qui recueillent les fluides (sang, hémolymphe ou liquide extracellulaire), ajustent leur composition par réabsorption des substances utiles et par sécrétion active des déchets, puis les conduisent vers un collecteur. Chez les vertébrés, l'organe excréteur principal est le rein, composé de milliers de néphrons, unités fonctionnelles et filtres du système.

Structure du néphron

• Glomérule : pelote de capillaires où le sang est filtré sous pression ; les parois capillaires sont très perméables à l'eau et aux solutés, mais retiennent les protéines et les éléments figurés.
• Capsule de Bowman : sac en forme de coupe entourant le glomérule et recueillant l'ultrafiltrat sanguin, un mélange de déchets et de nutriments transmis à la portion tubulaire.
• Tubule rénal : long tube de petit calibre modifiant la composition de l'ultrafiltrat par réabsorption et sécrétion ; il comporte une portion proximale, une portion distale et, chez les oiseaux et les mammifères, un segment en forme d'anse appelé anse de Henle.

Osmorégulation chez les vertébrés

Les vertébrés terrestres sont exposés à un air généralement peu pourvu en eau relative, ce qui provoque des pertes d'eau par évaporation à travers la peau et les poumons, ainsi que par les fèces et l'urine. Les mammifères excrètent principalement l'urée ; leurs néphrons possèdent une anse de Henle qui permet de récupérer l'eau et de produire une urine hypertonique, économisant ainsi l'eau corporelle.