Régulation hydrominérale 2

Question 1

Défi osmotique de l’eau de mer

Answer 1

• l’eau de mer a une composition en sel et
  donc une osmolarité plus élevée que les
  fluides de la plupart des animaux marins
• l’eau de mer est une solution hyperosmotique
• cela signifie que
  
  • l’eau sera naturellement extraite de l’animal par
    osmose, ce qui le déshydratera lentement.
  • les ions pénètrent naturellement dans l’animal
    par diffusion

Question 2

Stratégies générales pour faire face au défi osmotique

Answer 2

• osmoconformeur/ ionoconformeur (plus simple)
• osmoconformeur/ ionrégulateur
• osmorégulateur/ ionrégulateur (plus complexe)

Question 3

Stratégies des animaux marins : invertébrés

Answer 3

• la plupart des invertébrés marins sont iso-osmotiques avec l’eau salée = osmoconformeurs
• selon l’espèce, ils peuvent atteindre l’iso-osmoticité par le moyen de l’ionoconformation (ie., simple) ou de l’ionorégulation (ie, complexe)
  ex : chez les moules, les concentrations des ions dans le FEC sont très similaire à celles de l’eau de mer (ie., elles ionoconforment)
• ex : chez les crabes, les concentrations de certains ions dans le FEC sont très différents de celles de l’eau de mer (ie., elles ionorégulent)

Question 4

Pourquoi les invertébrés ionorégulateurs ne régulent-ils que les concentrations de certains ions?

Answer 4

• certains ions jouent un rôle
  important chez certains animaux.
  ex : le sulfate (SO4 2-) est un ion lourd, ainsi, moins de sulfate et plus de Cl- (pour équilibrer la charge
  électrique) facilite la flottabilité chez les invertébrés

Question 5

Poissons anciens

Answer 5

• poissons existants aujourd’hui qui semblent
  ne pas avoir beaucoup changé physiquement
  au cours des 400 derniers millions d’années
  d’après les preuves fossiles
• il s’agit notamment les myxines, les lampoies
  et les chondrichthiens (requins et raies)
• la plupart des poissons anciens sont des osmoconformeurs

Question 6

Les stratégies des animaux marins : poissons anciens : myxines

Answer 6

• une stratégie d’osmorégulation très basique,
  compatible avec le fait que c’est la plus ancienne
  espèce de poisson existante
• FEC avec la même osmolarité et presque la même
  composition ionique que l’eau de mer
• l’exception concerne certains ions divalents, qui
  sont légèrement différents de l’eau de mer.
• c’est le seul groupe d’animaux qui est resté à jamais dans la mer
• peut-être que leur stratégie basique
  d’osmorégulation est la raison pour cela

Question 7

Les stratégies des animaux marins : poissons anciens : chondrichthiens

Answer 7

• FEC avec la même osmolarité que l’eau de mer,
  mais une composition ionique très différente, donc, ce sont des ionorégulateurs sophistiqués
• ils maintiennent les concentrations de Na+ et de
  Cl- dans le FEC à un niveau bien inférieur à celui
  de l’eau de mer, et ils produisent des solutés
  organiques pour augmenter l’osmolarité du FEC
  jusqu’à ce qu’elle atteigne le niveau de l’eau de mer
• lorsqu’ils se déplacent dans d’autres eaux salées,
  comme les eaux saumâtres, ils peuvent adapter
  l’osmolarité de l’eau en ajustant le niveau de ces solutés

Question 8

Les stratégies des animaux marins : poissons anciens : lamproies

Answer 8

• une stratégie d’osmorégulation très sophistiquée
• ce sont des osmorégulateurs et des ionorégulateurs,
  gardant leurs osmolarités FEC et leurs compositions
  ioniques du FEC très différentes de celles de l’eau
  de mer
• ce niveau de régulation leur permet de se déplacer
  dans des environnements de salinité différente
• en fait, toutes les espèces de lamproies ont des phases d’eau de mer et d’eau douce au cours de leur vie

Question 9

Poissons osseux

Answer 9

• caractérisé par un squelette constitué principalement de tissus osseux, contrairement aux poissons cartilagineux (Chondrichthyes) dont le squelette est constitué de cartilage.
• sur les 34,300 espèces de poissons décrites, ~33,000 sont des poissons osseux donc ils constituent le plus large et diversifié groupe de
  vertébrés sur la planète

Question 10

Osmorégulation des poissons osseux

Answer 10

• on pense qu’ils descendent d’un agnathan ancien qui avait envahi l’eau douce
• donc, ils ont évolué d’abord en eau douce, puis ont récolonisé la mer
• c’est peut-être la raison pour laquelle ils ont une stratégie d’osmorégulation si différente de celle ces autres espèces marines, comme nous le verrons
• les poissons osseux sont des
  osmorégulateurs et des ionrégulateurs
• maintient son osmolarité et sa composition ionique du FEC très différentes de celles de l’eau de mer
• cela signifie qu’un poisson osseux dans l’eau de mer aura tendance à gagner des ions et à perdre de l’eau à travers ses branchies, sa peau et ses épithéliums intestinaux
• les branchies présentent un défi particulier - leur épithélium doit être fin et avoir une surface élevée pour les échanges gazeux, mais cela facilite la perte d’eau et le gain d’ions

Question 11

Stratégies générales des poissons

Answer 11

• perte d’eau et gain d’ions par les branchies (mauvais)
• gagne de l’eau en mangeant et en buvant de l’eau de mer (bon et mauvais)
• pour maximiser l’absorption d’eau le poisson absorbe 97% des ions ingérés pour que l’eau puisse suivre par osmose
• élimination des sels par les cellules à chlorure des branchies (bon)
• perte de sels dans les fèces (bon)
• perte légère de sels et d’eau dans urine peu abondante (bon et mauvais)

Question 12

Cellules pavimenteuses

Answer 12

• importantes pour les échanges gazeux

Question 13

Cellules à chlorure

Answer 13

• importantes pour les échanges ioniques

Question 14

Poissons osseux : transport des ions par les branchies

Answer 14

• le processus commence par le transport actif de Na+ et K+ via la pompe ATPase de Na+/K+ où 3 Na+ sortent la cellule et 2 K+
  entrent
• cela crée un gradient électrochimique, avec des
  concentrations élevées de Na+ à l’extérieur de la cellule
• en utilisant ce gradient, le transporteur NKCC déplace un Na+, un K+ et deux Cl- dans la cellule
• cela rend [Cl-] plus élevée dans la cellule que dans l’eau de mer
• donc, les Cl- diffusent dehors la cellule selon leur gradient électrochimique via canaux Cl- (CFTR présentent sur la membrane apicale.
• la charge négative de la couche d’eau de mer située juste à l’extérieur de la membrane
  apicale, associée à la forte concentration de Na+ dans le sang et FEC, entraîne la diffusion du Na+ à l’extérieur dans l’eau de mer selon son gradient électrochimique
• ce phénomène se produit paracellulairement (entre les cellules)
• grâce à ce processus, le poisson peut maintenir ses concentrations de Cl- interne à un niveau inférieur à celui de l’eau de mer

Question 15

Stratégies des animaux marins : reptiles et oiseaux

Answer 15

• sont des osmorégulateurs
• tous sont hypo-osmotiques par rapport à l’eau de mer
• tous descendent d’ancêtres terrestres
• ce fait leur confère des avantages par rapport aux
  poissons osseux:
  
  • leurs membranes respiratoires ne sont pas
    exposées à l’eau de mer
  • leur peau est généralement adaptée pour limiter les pertes d’eau
• la plupart des reptiles et des oiseaux marins boivent l’eau de mer ce signifie qu’ils absorbent
  beaucoup de sel
• pour éliminer tous ces ions et aider à la balance d’eau, ils utilisent ce que l’on appelle une glande à sel

Question 16

La glande à sel des reptiles et des oiseaux

Answer 16

• chez les oiseaux, il se trouve dans une
  dépression à la base du bec et les sécrétions passent par un canal à travers la narine
• chez les reptiles, ça se retrouve à des endroits différents

Question 17

Fonctionnement de la glande à sel

Answer 17

• les sécrétions hypersalines se forment dans des tubules sécréteurs qui sont arrangés en lobes qui se
  vident dans les canaux récolteurs
• le flux sanguin dans le capillaire adjacent est dans le sens contraire (« contre-courant ») de la sécrétion
  du tubule
• par conséquent, la sécrétion devient plus concentrée à mesure qu’elle va vers la sortie du tubule
• lorsque les ions Na+ et Cl- s’accumulent dans l’espace interstitiel, la même série de processus, via la même série de transporteurs, se produit que celle qui a lieu au niveau des branchies du poisson osseux
• il en résulte un liquide riche en Na+ et Cl- qui est ensuite excrété par l’animal
• la glande à sel fonctionne de façon très similaire au mécanisme d’excrétion d’ions actifs de la branchie des poissons

Question 18

Efficacité des glandes à sel

Answer 18

• les sécrétions peuvent être jusqu’à 3x plus concentrées que le plasma grâce à l’échange contre-courant et le transport actif d’ions
• ça signifie que, si l’animale boit 30 ml de l’eau de mer, il n’a que besoin de 10 ml pour excréter tout le sel, qui laisse 20 ml de l’eau pur
• les sécrétions sont plus concentrées que l’eau de mer

Question 19

Les stratégies des animaux marins

Answer 19

• sont des osmorégulateurs
• ils gardent leur osmolarité hypo-osmotique par rapport à l’eau de mer
• ils maintiennent leur plasma sanguin et leur FEC hypo-osmotique à l’eau de mer non pas à l’aide de branchies ou d’une glande à sel, mais plutôt à l’aide de leurs reins, qui produit une urine hyperosmotique
• autre différence : les mammifères marins ne boivent pas d’eau de mer
• au lieu de cela, ils tirent toute leur eau de
  leur alimentation et de la production
  d’eau métabolique

Question 20

Osmolarité et le choix de repas

Answer 20

• les poissons osseux, les reptiles, les oiseaux et les mammifères marins sont hypo-osmotiques comparés à l’eau de mer
• ils sont osmorégulateurs et mettent beaucoup d’énergie pour garder leur balance hydrominérale
• ils ont le choix de manger un poisson (qui est hypo-osmotique) ou un invertébré marin (qui est iso-osmotique)
• les invertébrés, avec leurs concentrations d’ions plus élevées, vont nécessiter beaucoup plus d’énergie de la part du prédateur osmorégulateur pour garder leur FEC hypo-osmotique
• pour un osmorégulateur, il y a moins de retour énergétique sur investissement à manger une proie iso-osmotique qu’une proie hypo-osmotique
• on pense que c’est l’une des raisons pour lesquelles tant de prédateurs hypo-osmotiques
  mangent des proies hypo-osmotiques, en particulier les poissons osseux
• il y a des exceptions mais ces animaux devront investir plus d’énergie pour débarrasser leur corps de tous ces ions en excès en utilisant leurs organes spécialisés

Question 21

Les stratégies des animaux d’eau douce : leurs origines

Answer 21

• les animaux sont nés dans l’océan. Cela signifie que leur osmolarité était relativement élevée, même avec l’apparition initiale de l’osmorégulation (par
  ex., les lamproies)
• lorsque ces animaux ont envahi l’eau douce, ils ont rencontré une réduction drastique de concentrations ioniques environnemental. Par ex., l’osmolarité de l’eau de mer est ~1000 mOsm, tandi que celle de l’eau douce est ~3 mOsm
• 3 mOsm est une concentration d’ions trop faible pour que les cellules fonctionnent correctement
• par conséquent, tous les animaux d’eau douce font de l’osmorégulation: ils sont hyperosmotiques comparés à l’eau dans laquelle ils vivent
• mais cette hyperosmolarité pose des défis aux animaux
• en fait, ce sont desdéfis opposés à ceux des espèces marines

Question 22

En raison de leur hyperosmolarité, les animaux d’eau douce ont tendance à

Answer 22

• gagner constamment de l’eau par osmose
• perdre constamment des ions par diffusion

Question 23

Pour résoudre ce problème et rester hyperosmotique, à peu près tous les animaux d’eau douce utilisent la même stratégie générale

Answer 23

• ils ne boivent pas
• ils produisent beaucoup d’urine diluée pour se débarrasser de l’excès d’eau
• ils absorbent activement les ions de leur environnement pauvre en ions

Question 24

Stratégies des animaux d’eau douce : absorption des ions

Answer 24

• les mécanismes de pompage du Na+ et Cl- sont différents, indépendants et utilisent différents types de cellules riche en mitochondries (MRCs)
• pour Cl-, la pompe Cl- échange des ions
  HCO3 pour des ions Cl- (donc demeure électroneutrale)
• pour Na+, la pompe Na+ échange des H+ pour
  des ions Na+ (donc demeure électroneutrale).
• similarités entre les deux processus: ils utilisent
  l’ATP pour alimenter les pompes; les H+ et
  HCO3- nécessaires sont fournis par l’hydratation du CO2 en HCO3- et en H+ par l’enzyme anhydrase carbonique
• ces processus sont très efficaces et gardent le FEC très hyperosmotique par rapport à l’eau douce

Question 25

L’animal d’eau douce peut contrôler sa capacité à absorber des ions en contrôlant les MRCs

Answer 25

• par ex. un poisson vivant en eau douce normal transféré dans une eau douce pauvre en ions va produire plus de MRCs pour capter d’avantage d’ions du milieu
• cependant, il y a un coût de cela: il réduit la capture de l’oxygène puisque les MRCs remplacent les cellules pavimenteuses et causent une
  augmentation de l’épaisseur de l’épithélium, ainsi l’oxygène diffuse moins facilement
• c’est un exemple du compromis osmorespiratoire

Question 26

Stratégies des animaux euryhalins : saumons

Answer 26

• lorsqu’un saumon est dans l’eau douce, il a les branchies d’un poisson d’eau douce
• lorsqu’un saumon est dans l’océan, il a les branchies d’un poisson marin
• si un saumon n’arrive pas à synchroniser cette étape, il mourra probablement au cours de sa migration en amont

Question 27

Quelle est la signification de l’osmorégulation animale?

Answer 27

• du point de vue d’un individu, l’osmorégulation est essentielle à la survie
  
  • cela s’explique par l’énorme importance que l’eau et les ions ont dans le bon fonctionnement de l’organisme
• du point de vue de l’espèce et de la biodiversité en général, la capacité à osmoréguler était absolument essentielle à l’invasion de nouveaux environnements, car différents environnements ont souvent différentes compositions ioniques
• du point de vue de quelque chose de fondamental,
  l’osmorégulation nécessite une quantité énorme d’énergie
  
  • cela a obligé les animaux à améliorer leurs capacités à exploiter l’énergie de l’environnement, un élément fondamental de la vie