What is an insect

What is an insect? Spiders • 4 pairs of legs • No antennae • No wings • 2 body divisions • Spiders are not insects Millipedes 좀 과 같은 무시류 곤충 little or no structural change as they grow older. Immatures are called young; they are physically similar to adults in every way except size and sexual maturity. Gradual changes in body form during morphogenesis. Immatures are called nymphs or, if aquatic, naiads. wings, external genitalia, and other adult structure small changed. Wings may be completely absent during the first instar, appear in the second or third instar as short wing buds, fully developed and functional in the adult stage. No change eyes, legs, mouthparts, etc Immature forms (larvae) that are very different from adults Larvae molt to an immobile pupa stage and Undergo a complete transformation into Adult Hemimetamorphosis Orders 메뚜기목 노린재목 매미목 총채벌레목 집게벌레목 Complete Metamorphosis Orders 딱정벌레목 파리목 나비목 뿔잠자리목 벌목 Exoskeleton • Insect covered with hard outer shell • Skin is very plastic like • Difficult to sense environment 심장 소화계 산소 기문 신경 Insect Gut System 전장 중장 종장 Circulatory System Open circulatory system (개방혈관계) Transfer nutrients, water, waste hormones Molting시 body shape Defense 산소를 운반하는 기능이 없다. Protection (blood cells) Phagocytosis ingestion of foreign particles such as bacteria, debris http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter2/animation__phagocytosis.html Encapsulation clumping around invading organisms, e.g. internal parasites Detoxification rendering insecticides non-toxic Blood clotting Encapsulation 큰 외래물질 인지 벽을 쌓아 영양분공급을 차단 하며 여로 효소를 분비하여 외래물질을 죽임 다른곤충의 세포를 보호 Nodule formation 많은수의 bacteria등을 encapsulation Hemocyte가 작은 혹같이 형성 막을 형성 encapsulation Respiratory System 페(lung)가 없다. 모든 곤충은 spiracle (기문)을 가지고 있다. 기문은 막을 가지고 있고 산소와 이산화탄소를 감지할 수 있다. 기문은 일반적으로 가슴에 두 쌍 몸통에 8쌍을 갖고 있다. 기문은 Trachea 로 연결됨. Trachea는 Tracheoles로 연결됨 Tracheoles는 각 근육등 각 세포조직과 연결되어 산소의 공급 혹은 이산화탄소의 방출을 담당한다. Tracheoles Cuticle Epidermal cells Spiracle Artium Trachea Nervous System Neuron : 하나의 신경기능을 하는 단위세포. Sensory neuron : 감각기능 Motor neuron : 근육등을 움직이게 하는 신경 Association neuron : 감각기능을 하는 신경 과 motor neuron을 연결. CNS(Central nervous system) 중추신경계. 머리에서 시작, 가슴, 몸통에 이르는 신경절 Integumental Systems (외피) Exoskeleton (외골격) Body shape (Skin) Protection from environment Water, ions, bacteria, virus, parasite, chemicals, insecticides Insect ; Diverse habitats and Dites 유연성 : exoskeleton 과 근육으로 연결. Flying, walking : 신축성 exoskeleton Numerous receptors가 존재하여 외부환경과 접촉 Half the dry weight Food reserve : starvation resorbed, energy Various chemicals release from exsoskeleton Force Force expansion Force expansion 공간 과 압력 Force Human(endoskeleton) 물리적 강도 공간적 활용도 커다란 단점 1 나쁘다 Insect(exoskeleton) 3 좋다 Growth Exoskeleton disadvantage Growth Molting을 통해 낡은 exoskeleton을 벗어야 함. 포식자에게 위험. 시간과 energy 를 소비함 상당량의 물을 소비함 따라서, 곤충은 현재에도 molt의 수를 줄이는 방향으로 진화하고 있다. Apolysis ; 상피세포와 cuticle 분리된 상태 Molting의 처음단계 Ecdysis ; old cuticle을 벗는 단계(molting 마지막 단계) Ecdysis Ecdysis 1령 3령 Adult Apolysis Hatch Apolysis 2령(instar) Structure of the Integument Exoskeleton = Integument Epicuticle Exocuticle Mesocuticle Endocuticle Epidermis Basement membrane Basement membrane 몸통안과 cuticle을 분리하는 막 두께는 약 0.5um 기저막은 곤충의 피로부터 만들어지며 상처가 난경우 epidermis 세포에서 만들어지기도 함. 신경세포나 trachea가 관통되어 있음. Epidermis Exoskeleton 중 살아있는 곳으로 상피세포라 함. Endocuticle 상피세포 와 mesocuticle의 사이를 말함. 10~200um Soft & flexibility 관절부위: exocuticle은 아주 얇고 주로 endocuticle로 이루어져 있음 Molting시 재흡수를 위해 chemical cross-linking 이없음 Mesocuticle Endocuticle과 exocuticle의 사이를 말함. 일반적으로 몇몇 곤충에서만 관찰됨. Exocuticle Molting시 재흡수를 하지 않은 부위며 허물벗는 단계인 ecdysis단계에 old cuticle부위. 단백질과 chitin들의 강한 결합을 이루고 있으며 insoluble. 곤충의 색소인 melanin등이 분포 되어있음. Epicuticle Cement Wax Outer epicuticle Exo, Meso, etc Inner epicuticle Cement layer Epicuticle의 제일 바깥쪽을 cement layer라 함. 기본적으로 lipoprotein으로 구성되어 있고 주로 dermal glands에서 분비됨. 종마다 다양하며 벌은 존재하지 않는것으로 보고 주로 wax 층을 보호하는 기능을 함. Wax layer 주로 epidermal cell에서 생산됨. Pore canal을 통해 분비됨 주요 기능으로는 방수와 물의 손실을 막는 기능을 한다. 일반적으로 수생곤충에서는 관찰되지 않는다. Outer cuticle Cuticulin layer라고도 함. 일반적으로 상피세포에서 만들어짐 12~18nm Inner cuticle 상처치료와 관련이 있음을 보고 되고 있다. 0.5~2um Arthrodial membrane Segment 1 Epicuticle Segment 2 Exocuticle Exocuticle Enodocuticle 관절 혹은 몸의 각segment 사이에 존재하며 exocuticle은 존재하지 않고 epicuticle과 endocuticle로만 이루어져 있어 부드러워 잘 휘어짐 Ecdysial line Epicuticle Exocuticle Enodocuticle Exocuticle Ecdysial line: Arthrodial membrane과 같이 exocuticle이 적은 부위가 존재하며 곤충마다 탈피시 이 line을 이용한다. Molting process Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Exocuticle Endocuticle Epidermal cell Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Exocuticle Endocuticle Exuvial space Apolysis Epidermal cell Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Exocuticle Endocuticle Molting gel Outer epicuticle Epidermal cell Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Exocuticle Endocuticle Innerepicuticle Outer epicuticle Enodocuticle Molting fluid digests endocuticle Epidermal cell Dermal glands Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Exocuticle Exocuticle Growth Enodocuticle Epidermal cell Dermal glands Ecdysis Cement Wax Outer epicuticle Inner epicuticle Exocuticle Growth Enodocuticle Epidermal cell Dermal glands Circulatory System Open v. closed systems Closed •Blood remains in vessels •High pressure •Regulate flow to each organ •Return to heart rapid •Found in: vertebrates Open •Blood directly bathes tissues •Usually lower pressure •Less regulated flow •Return to heart slower •Found in: Types of pumps Peristaltic(소화관의 연동운동) e.g. squirt; insect; worms Contractile chamber e.g. vert. branchial heart Dorsal diaphragm (횡경막) Alary(날개모양) muscles Dorsal vessel Aorta (대동맥) Heart ; Abdomen Ostia : hole 모든 세포는 그들의 환경과 그들의 물질을 교환해야 만 함. 세포의 올바른 기능을 위하여 1. 영양물질을 흡수 대사 2. 부산물을 방출하거나 wastes를 배출 3. Chemical message등도 받아들여야 함. 이러한 기능을 위하여 세포들은 반듯이 피와 접촉되어 피를 통해 위와 같은 기능을 수행한다. 곤충은 open circulatory system 이다. 곤충은 인간과 달리 피를 통해 산소를 운반하지 않는다. 곤충에서 피의 중요성 1. 세포들을 적셔준다 2. 여러 물질들의 수송을 담당. 3. 물과 대사산물의 저장소. 4. 방어기작. 5. Molting후 올바른 body shape을 형성하는데 중요한 역활. Heart의 근육 연동운동(수축)으로 피를 머리쪽으로 pumping 때때로 뒤쪽으로 피를 보내는 경우도 있는데 앞쪽 압력이 너무 높을때나 ostia가 가끔 막힐때 뒤로 보냄 Heart가 팽창하면서 피를 ostia로 흡수 박동수는 곤충마다 다 틀림 Blow fly인경우 376/min 앞쪽으로 175/min 뒤쪽으로 Endocrine factors가 상당히 심장의 박동수를 조절한다. Hemolymph composition 곤충에서 약 15%~75%의 volume을 차지함 Liquid plasma와 celluar hemocytes로 구성 Plasma의 조성은 다양 하고 pH또한 다양하다 색은 일반적으로 무색이나 green 혹은 yellow 가 많다 동물에서 inorganic components는 sodium과 chloride 곤충은 다양하다. hemocytes Phagocytosis Encapsulation coagulation metabolism Insect Hemocytes Classification Size, shape, nuclear, cytoplasmic 내용물 Drosophila hemocyte GFP clip http://flymove.uni-muenster.de/Organogenesis/Hemocytes/OrgHemopage.html?http&&&flymove.uni-muenster.de/Organogenesis/Hemocytes/OrgHemoTxt.html Prohemocytes 상대적으로 작고 둥글며 큰 핵을 담고 있다. Prohematocyte으로 부터 plasmatocytes 이나 Granular hemocytes등이 분화되는 것으로 보고 Plasmatocytes 상대적으로 크고 원형생물처럼 생겼으며 상당히 큰 세포지로 구성되어있다. 곤충의 피속에 가장 흔하게 존재하며 phagocytosis를 수행한다. Granular hemocytes Granular hemocytes 작은 핵을 가지고 있고 커다란 세포질로 이루어져 있으며 4종류가 존재한다. Adipohemocytes: 상당량의 lipid vaculoes을 가지고 있다 Spherule cells: 작은핵에 커다란 세포질 Oenocytoids : 둥글고 작은핵에 다양한 크기의 세포질 Cystocytes : 둥글고 작은핵에 다양한 크기의 granules이 세포질에 있다 Prohemocyte Spherule cell Coagulocyte Adipohemocyte Oenocytoid Plasmatocyte Granulocyte Granulocyte Granulocyte Granulocyte Granulocyte Granulocyte Plasmatocyte Prohemocyte Immune mechanisms in insects 곤충의 병원균에 대한 면역은 아주 간단한데 인간과 달리 immunoglobulins 인한 항체생산 기능이 없다. 병원균에 대한 일차 방어는 규티클 과 소화관이다. 병원균에 대한 이차 방어는 피에의해 이루어진다 Hemocyte는 피속에서 외래물질을 인식하여 phagocytose 를 한다. http://en.wikipedia.org/wiki/Phagocytosis clip Plasmatocyte와 granulocyte가 주로 기능을 한다. Hemocyte 세포막에는 외래물질을 인식하는 receptor가 있다. Phagocytosis Receptor phagosome Lysosome phagosome Encapsulation 큰 외래물질 인지 벽을 쌓아 영양분공급을 차단 하며 여로 효소를 분비하여 외래물질을 죽임 다른곤충의 세포를 보호 Nodule formation 많은수의 bacteria등을 encapsulation Hemocyte가 작은 혹같이 형성 막을 형성 encapsulation Fat body  release antibacterial peptides  kill pathogen Bacteria의 membrane에 존재하는 peptidoglycan이나 Lipopolysaccharide를 곤충에 주입 곤충에서 antibacterial peptides를 분비를 확인 Fat body에 peptidoglycan이나 Lipopolysaccharide를 인식하는 receptor가 존재함을 밝힘 상피세포나 cuticle에 많이 존재하는 Melanin 또한 Encapsulation을 하는 것으로 보고 Lectins은 인간에서 피의 응고를 담당하는 단백질로서 곤충이 상처가 났을 때 많이 생산되며 Bacteria등을 인식하여 aggregation하여 죽임. Cecropins은 곤충에서 처음 보고된 antibacteria peptide 임.bacteria뿐 아니라 기생자 감염시 많이 생산됨 Defensins(sapecins) 은 인간뿐 아니라 곤충에서도 많이 존재하며 약 40종 정도가 있다고 보고 초파리에서 생산되는 drosomysin은 곰팡이 균에게 효과를 발효. 박각시나방에서 생산되는 hemolin은 박테리아와 binding 한다는 것을 실험적으로 처음으로 보고 이밖에 attacins, sarcotoxins, coleoptericins, hemiptericins, diptericins, pyrrhocoricins, gloverins Hymenoptaecins 등이 있다. Nervous systems Chemical messenger : Hormones Slower than electrical signal Cell A Hormones Signal Cell A electrical signal Cell B Hemolymph Cell B Receptor Nerve cell = Neuron 기능에 따라 Sensory neuron : 감각을 전달하는 신경세포 Motor neuron : 근육을 움직이는 신경세포 Interneuron : 신경세포들을 연결하는 신경세포 Association neuron Neurosecretory neuron : 호르몬과 같은 물질을 생산하여 신경을 전달하는 신경세포 CNS : 중추신경계 Neuron의 기본구조 Perikaryon = cell body (핵을 가지고 있는 부위) Axons : cell body에서부터 가늘고 길게 나온 신경 섬유질 신경자극을 다른 신경세포 혹은 근육등 세포들로 전달 하는 기능 Dendirtes(tree) : 신경돌기 cell body를 주위로 감싸고 있는 세포로 주로 다른 세포로부터 자극을 받아들이는 기능 Myelin : phospholipid 절연제 역활 Types of Insect neuron dendrite Axon Monopolar Axon bipolar Perikaryon Perikaryon dendrite Axon mutipolar Perikaryon Ganglion 근육세포 Motor neuron Association neuron 상피세포 Sensory neuron Ganglion Neuropil dendrite Axon 신경과 신경이 만나는곳에 특별한 공간이 존재하는데 이를 synapse (synaptic cleft) Presynatic potential Postsynatic potential Nematomorph hairworm 메뚜기나 귀뚜라미에 기생하다 성충이되면 기생충에서 수생곤충으로 Life cycle을 바꿈 기생을하다 짝직기 시간이오면 곤충을 조절하여 물에 뛰어들게끔하고 곤충이 익사하기 시작하면 몸에서 나와 교미상대를 찿음 란셋흡충(lancet fluke)은 초식동물에 기생하기 위해 개미의 뇌를 조절하여 초식동물의 먹이가 되게 만들고, 톡소플라즈마라는 기생충은 쥐의 뇌를 조절하여 쥐가 겁이 없게 만들고 심지어는 고양이의 소변을 좋아하게 만들어 고양이의 먹이가 되게 만든다. 근데 이 기생충은 고양이나 들 익은 돼지고기를 통해 인간에게도 감염되는데 임산부는 특히 위험하다. 최근에는 일반인에게도 쥐와 같은 작용을 해서 운전중 겁을 상실해 교통사고를 증가시킨다는 연구보고도 있다. 그러니 애완용 고양이 기르시는 분 주의하시길. 뇌를 조절하지는 않지만 연가시처럼 인간을 물로 유인해서 번식하는 기생충도 있는데 메디나선충이라고 한다. 이 기생충에 감염된 사람은 엄청난 고통을 겪는데 물속에 감염부위를 담그면 고통이 줄어들게 되는 방법을 이용해서 사람을 물가로 유인 번식한다. 철사벌레, 연가시 라고 함. Sense Receptors Cuticle은 환경에 대해 보호막 이지만 환경변화 를 감지하지 못한다. 환경변화 즉 온도, 냄새 등을 감지하기 위해서 반듯이 cuticle을 통한 감각이 받아 들어져야 한다. 따라서 감각신경세포와 감각을 받아들이는 receptor가 존재하여 기능을 한다. Pore 계속해서 열려있으며 감각을 받아드리는데 도움을 준다. 여기를 통해 물의 손실을 막기위해 pore는 상당히 작다. Respiratory System 곤충과 인간의 생리체계는 아주 비슷하다. 그러나 가장 큰 차이점으로는 각 세포로 전달하는 산소운반 방법을 들 수 있다. 곤충의 피는 각 조직과 세포를 적셔주며 영양분의 공급과 대사부산물의 방출에 중요한 역할을 하지만 인간에서 관찰되는 산소의 운반기능은 없다. 일반적으로 산소(O2)는 물과 함께 존재할 때보다 공기 중에 함께 존재할 때 훨씬 효율적, 안정적으로 녹아 있을 수 있다 따라서 곤충의 산소전달은 인간보다 훨씬 효율적이라 말할 수 있다. (인간의 산소전달보다 12배 이상 효율적) Tracheoles Cuticle Epidermal cells Spiracle Atrium Trachea Trachea cuticle Endo and Epicuticle Soft, flexibility, and thin 두께는 곤충종마다 다양 Trachea의 cuticle은 Molting시 endocuticle층은 재흡수를 위해 chemical cross-linking 이없으며 분해 재흡수를 하고 얇은 epicuticle은 ecdysis하여 새로 만든다. 일반적으로 한마디 body segment에 한 개의 기문이 존재 곤충의 head에는 절대 기문이 존재하지 않는다. 대부분의 곤충의 기문은 11(쌍)개를 넘지 않는다. 가슴에 3개(쌍), 복부에 8개(쌍) 정도가 존재 11개(쌍)보다 작은 수의 기문을 가진 곤충은 종종 발견 모든 기문이 존재하냐 혹은 기능을 하냐에 따라 4가지로 구분 Holopneustic: 곤충이 11개(쌍)의 기문이 존재하고 모두 기능을 할때 Hemipneustic: 11개쌍의 기문이 존재하나 몇 개(쌍)의 기문이 기능을 하지 않는 곤충 Propneustic or metapneustic: 주로 파리의 유충과 pupa에서 발견되는데 11개중 only 복부절에 존재하는 첫번째 혹은 마지막 마디에 존재하는 기문만 기능을 할때. Apneustic: 기문의 기능을 전혀 못할때. 주로 수서 곤충의 gills(어류의 아가미)을 통해 산소를 흡수 Reproductive system in insect 곤충이 지구상에 우점종으로서 성공한 가장 큰 이유로는 정량적, 효율적체계의 생식 system을 가졌기 때문. 다른 생물과 비교하여 상대적으로 짧은 life cycle을 가졌으며 상당량의 자손을 번식함. 모기의 경우 평균적으로 한번의 blood섭식후 약 125개의 알을 낳음. 만약 모든 자손이 살아 남는다면 여름이 끝날 때 약 7X1021 자손이 탄생. 무게로 환산하면 1X1019g 이며 이는 지구상 전체 인구무게에 33,000배임. 하지만, 많은 factor들에 의해 population이 조절 됨. Female reproductive system in insect Consists of………………… A pair of ovaries Median oviduct와 (=common oviduct) Lateral oviduct로 연결 Spermatheca Spermatheca gland Accessory glands Genital chamber 암컷의 생식기 알을 낳아야 될 시기에 ovaries는 곤충의 Abdomen이 꽉 찰 정도로 부어 오른다. 각각을 ovarioles 이라 함. Ovarioles 의 끝부분은 생식세포로 이루어져 있고 발달되면서 하나의 oocyte로 변하며 난황단백질을 흡수함 성숙된 알은 oviduct를 통과하여 common oviduct 를 지나 genital chamber에 이르게 되고 Female Accessory gland에서 분비되는 protein-rich egg shell 알을 둘러싸게 됨 알을 낳은후 어디에 잘 붙어 있겠함 Spermatheca에 저장되어있는 sperm이 egg가 genital chamber를 지날때 수정하게 됨. Spermatheca gland에서는 영양물질 효소 등이 분비됨. a pair of ovaries Basic unit of Egg production Egg begin here: terminal filament Ovarioles Germarium Germ cell Vitellarium oocyte Chorion Tunicapropria : Ovariole 전체를 덮고있는 얇은 막 Calyx Oviduct Spermatozoa 곤충의 sperm은 사람을 포함하여 척축동물의 sperm과 매우 유사함 nucleus Head Tail