Większość owadów w trakcie swojego cyklu życiowego przechodzi jakiś proces przeobrażenia, aby osiągnąć dorosłość – zwaną też fazą imago- (np. motyle). Proces ten nosi nazwę metamorfozy, choć jego istota jest daleka od metamorfozy przeprowadzanej przez płazy. Ale, czy nie zastanawialiście się kiedyś, dlaczego one dokonują tej przemiany? Jaki jest sens i pochodzenie metamorfozy owadów?
Dowiedz się więcej o różnych typach metamorfozy, pochodzeniu i sensie tych przemian dzięki temu artykułowi.
Metamorfoza to proces biologiczny, w którym zwierzęta rozwijają się po urodzeniu, obejmujący ogromne przekształcenia i/lub przebudowy anatomiczne (zarówno fizjologiczne, jak i anatomiczne) aż do osiągnięcia dorosłości.
Istnieją różne grupy zwierząt, które rozwijają się w tym procesie, jednak większość z nich nie ma wspólnego pochodzenia ani charakteru tych przekształceń. I tak, podczas gdy u płazów metamorfoza odbywa się poprzez reorganizację młodych, istniejących wcześniej narządów, u owadów ma miejsce rozbicie tkanek, a także pojawienie się zupełnie nowych skupisk komórek.
Ekdeza, czyli melting
Przede wszystkim, aby pojąć metamorfozę owadów, musimy mówić o moltowaniu. Co to znaczy linienie? I dlaczego jest to proces niezbędny dla owadów i stawonogów jako całości?
Każde zwierzę regeneruje w jakiś sposób swoje tkanki zewnętrzne, tzn. te tkanki, które mają kontakt ze środowiskiem i które chronią organizm przed naciskami zewnętrznymi. Np. ssaki okresowo regenerują swoje tkanki naskórkowe; wiele gadów często zrzuca skórę; ale co ze stawonogami?
Stawonogi, do których należą heksapody (grupa, w której znajdziemy wszystkie owady), są zewnętrznie pokryte mniej lub bardziej twardym egzoszkieletem. W przeciwieństwie do innych zewnętrznych tkanek zwierzęcych, egzoszkielet nie odrywa się stopniowo, a jego brak elastyczności ogranicza wzrost organizmu. Element ten staje się więc barierą ograniczającą ich rozmiary podczas wzrostu i właśnie dlatego, aby móc dalej rosnąć, muszą go zerwać i odrzucić. Ten rodzaj topnienia jest znany jako ekdeza, która jest typowa dla ecdysozoa (stawonogów i nematoda).
Popatrz na ten filmik z topnienia cykady!:
Czy wszystkie heksapody metamorfozują?
Odpowiedź brzmi NIE. Trzeba jednak zagłębić się w wyjaśnienie.
Wszystkie sześcioraczki metamorfują, aby rosnąć, ale nie wszystkie przechodzą radykalne zmiany, aby osiągnąć dorosłość (kiedy stają się zdolne do rozmnażania). Tak więc, możemy podzielić heksapody na dwie główne grupy:
HEXAPODSAMETABOLOUS (No metamorphosis)
Ta grupa obejmuje te heksapody tradycyjnie znane jako Apterygota lub bezskrzydłe heksapody (Non owadów heksapody -proturans, diplurans i colembolas- i bezskrzydłe owady jako Zygentoma lub znany również jako Thysanura -e.g. silverfishes lub Lepisma-) oraz Pterygota czyli owady uskrzydlone, które doznały wtórnej utraty skrzydeł.
Ponieważ nie posiadają one skrzydeł w żadnym momencie swojego cyklu życiowego, fazy młodzieńcze tego rodzaju sześcioraczków prawie nie różnią się od faz dorosłych. Tak więc, rozwój młodzieży jest prosty i nie przechodzą ogromne zmiany w celu uzyskania dorosłej budowy ciała, to znaczy, że nie ma metamorfozy w żadnym punkcie ich cyklu życia. Ten rodzaj rozwoju jest również znany jako rozwój bezpośredni.
Ametabolous hexapods can molt tens of times throughout their development (e.np. 50 razy u ryb srebrzystych, mniej więcej), nawet gdy osiągną dojrzałość płciową.
INSECTS THAT METAMORPHOSE
Ta grupa obejmuje owady z rzędu Pterygota lub owady skrzydlate (z wyjątkiem tych, które wtórnie utraciły skrzydła).
W przeciwieństwie do tych, które zostały wyjaśnione powyżej, młodzieńcze fazy owadów metamorficznych bardzo różnią się od dorosłych; tak więc, po kilku kolejnych moltach przechodzą one ostatnią przemianę, z której wyłania się uskrzydlony dorosły zdolny do rozmnażania. Po osiągnięciu tej fazy owady te stają się niezdolne do ponownego moltowania.
Typy metamorfozy u owadów
Prawdziwą metamorfozę przechodzą więc tylko owady z rodzaju Pterygota, dzięki której stają się owadami uskrzydlonymi, a także osiągają dojrzałość płciową. Ale nie wszystkie te owady przechodzą ten sam rodzaj przemiany.
Istnieją dwa główne typy metamorfozy: hemimetaboliczna (prosta lub niepełna) i holometaboliczna (złożona lub całkowita). Jakie są między nimi różnice?
Metamorfoza hemimetaboliczna
W metamorfozie prostej, niekompletnej lub hemimetabolicznej, młode owady przechodzą przez kilka kolejnych molt aż do osiągnięcia stadium dorosłości (lub imaginalnego) bez przechodzenia przez stadium bezczynności (poczwarka) i/lub przestają się odżywiać.
Tuż po wykluciu, określiliśmy noworodka jako nimfę, która przypomina trochę do dorosłych (ale nadal nie ma skrzydeł ani narządów płciowych). Zazwyczaj fazy nimfalne i dorosłe nie mają wspólnych źródeł pokarmu ani siedlisk, więc zajmują różne nisze ekologiczne; w rzeczywistości większość nimf ma nawyki wodne i po osiągnięciu dojrzałości przechodzi do życia na lądzie (np. jętki).
W tego rodzaju metamorfozie nimfy przechodzą kilka kolejnych molt, dzięki którym stopniowo powstają skrzydła, a ich organizm staje się większy. W końcu nimfy przechodzą ostatnią mutację, po której wyłania się dorosły osobnik: uskrzydlony organizm zdolny do rozmnażania.
Patrząc na schemat, który podsumowuje ten proces:
Owady te nazywane są również Exopterygota (od łac. exo- = „na zewnątrz” + pteron = „skrzydła”), ponieważ u tych organizmów skrzydła stopniowo i widocznie formują się w zewnętrznej części ich ciała.
Metamorfoza holometaboliczna
W ogólnym zarysie uważana jest za najbardziej radykalną metamorfozę u owadów, a także chyba najbardziej znaną przez nas wszystkich przemianę. Najbardziej znanym przykładem jest ten wykonywany przez lepidopterans (motyle i ćmy); ale istnieje również więcej owadów, które są holometaboliczne, takie jak coleopterans (chrząszcze), hymenopterans (pszczoły, osy i mrówki) i dipterans (muchy i komary).
W metamorfozie złożonej, zupełnej lub holometabolicznej owady rodzą się jako larwy, czyli przedwczesne stadium, które nie przypomina anatomicznie ani fizjologicznie osobnika dorosłego. Ponadto nie mają one wspólnych źródeł pokarmu ani siedliska, jak to ma miejsce w przypadku organizmów hemimetabolicznych. Podobnie jak u owadów hemimetabolicznych, larwy te przechodzą kolejne molty, aż do osiągnięcia wielkości wystarczającej do przejścia metamorfozy, kiedy to przeprowadzają ostatnią moltę.
Po ostatnim stadium larwalnym larwy wchodzą w stadium bezczynności, w którym przestają się odżywiać i pozostają w bezruchu. Ten etap jest znany jako stadium poczwarki (kiedy stają się poczwarką lub poczwarką u motyli). Zazwyczaj pod koniec tego stadium larwy zaczynają przypominać osobniki dorosłe ze względu na zachodzące zmiany anatomiczne, a także pojawienie się nowych narządów i tkanek.
Po zakończeniu procesu przeobrażenia organizmy opuszczają ten nieruchomy stan i uzyskują swoją dorosłą formę, która posiada skrzydła i jest całkowicie dojrzała.
Podsumowując, schemat tego procesu mógłby być następujący:
W przeciwieństwie do owadów hemimetabolicznych, pojawienie się skrzydeł u organizmów holometabolicznych ma miejsce wewnątrz ich ciała i stają się one widoczne dopiero pod koniec stadium poczwarki. Z tego powodu znane są również jako Endopterygota (od łac. endo-=”wewnątrz” + pteron=”skrzydła”).
Pochodzenie i funkcje metamorfozy owadów
Pochodzenie: zapis kopalny
Owady są, jak omawialiśmy w poprzednich artykułach, jednymi ze zwierząt o większym sukcesie ewolucyjnym. Między 40%-60% wszystkich gatunków owadów jest holometabolicznych (pełna metamorfoza), z czego wnioskujemy, że metamorfoza holometaboliczna była pozytywnie selekcjonowana podczas ewolucji tej grupy. W rzeczywistości zapisy kopalne sugerują, że ten rodzaj metamorfozy pojawił się tylko raz, więc wszystkie owady holometaboliczne wywodzą się od tego samego przodka.
Zgodnie z tymi danymi, bezskrzydłe owady lub starożytne Apterygota i wczesne owady skrzydlate były ametaboliczne. Następnie, wszystkie skrzydlate owady zaczęły rozwijać pewien rodzaj hemimetabolicznej metamorfozy podczas karbonu i permu (300 Ma). Wreszcie pierwsze owady uważane za holometaboliczne pojawiły się w permie (280 mln lat temu).
Co mogło być powodem tej pozytywnej selekcji?
W ostatnich akapitach mówiliśmy o różnych źródłach pożywienia i siedliskach zarówno młodych, jak i dorosłych. Fakt, że różne stadia rozwojowe tego samego zwierzęcia wykorzystują różne zasoby, mógłby zapobiec konkurencji wewnątrzgatunkowej (tj. konkurencji o zasoby między organizmami tego samego gatunku). Fakt ten oznaczałby wielką zaletę dla tych organizmów, tak że rozwój holometaboliczny, który charakteryzuje się tym, że jest podzielony na bardzo różne etapy, mógł być bardziej udany niż hemimetaboliczny lub ametaboliczny.
Tak więc możemy powiedzieć, że głównym sensem funkcjonalnym metamorfozy może być zminimalizowanie wewnątrzgatunkowej konkurencji o zasoby. Ale jest jeszcze więcej: im bardziej wyspecjalizowane są różne etapy owada, tym większa byłaby szansa na wykorzystanie więcej i lepiej zasobów. Np. u form pasożytniczych różnice między poszczególnymi stadiami są ogromne, ponieważ trudne sytuacje, z którymi muszą się zmierzyć, wymagają specyficznej specjalizacji w każdym momencie cyklu życiowego.
. …
Tak więc, podobnie jak pojawienie się skrzydeł promowało ekspansję i dywersyfikację owadów na całym świecie, metamorfoza mogła zadziałać jako silnik dywersyfikujący poprzez zwiększenie zdolności do eksploatacji większej ilości i lepszych zasobów.
- Notatki z przedmiotu „Zaawansowana zoologia” podjęte podczas moich studiów biologicznych na Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).
- Bellés X. (2009). „Origen y Evolución de la Metamorfosis de los Insectos” (Pochodzenie i ewolucja metamorfozy u owadów). Instituto de Biología Evolutiva (CSIC-UPF), Barcelona.
- Jordán Montés F. (2013). „El universo de los insectos”. Mundi-Prensa Libros, Madrid.
- Los Insectos. Reproducción y Metamorfosis (asturnatura.com).
Main picture by Steve Greer Photography.
.