Biologie pour les majors II

Comparer et contraster les différents types de systèmes digestifs

Les animaux obtiennent leur nutrition de la consommation d’autres organismes. En fonction de leur régime alimentaire, les animaux peuvent être classés dans les catégories suivantes : les mangeurs de plantes (herbivores), les mangeurs de viande (carnivores) et ceux qui mangent à la fois des plantes et des animaux (omnivores). Les nutriments et les macromolécules présents dans les aliments ne sont pas immédiatement accessibles aux cellules. Un certain nombre de processus modifient les aliments dans le corps animal afin de rendre les nutriments et les molécules organiques accessibles à la fonction cellulaire. Au fur et à mesure que les animaux ont évolué dans la complexité de leurs formes et de leurs fonctions, leurs systèmes digestifs ont également évolué pour répondre à leurs divers besoins alimentaires.

Herbivores, Carnivores, et Omnivores

Les herbivores sont des animaux dont la principale source de nourriture est d’origine végétale. Des exemples d’herbivores, tels que représentés sur la figure 1, comprennent des vertébrés comme les cerfs, les koalas et certaines espèces d’oiseaux, ainsi que des invertébrés comme les grillons et les chenilles. Ces animaux ont développé des systèmes digestifs capables de traiter de grandes quantités de matières végétales. Les herbivores peuvent être encore classés en frugivores (mangeurs de fruits), granivores (mangeurs de graines), nectivores (mangeurs de nectar) et folivores (mangeurs de feuilles).

Les carnivores sont des animaux qui mangent d’autres animaux. Le mot carnivore est dérivé du latin et signifie littéralement « mangeur de viande ». Les félins sauvages tels que les lions, représentés sur la figure 2a et les tigres sont des exemples de carnivores vertébrés, tout comme les serpents et les requins, tandis que les carnivores invertébrés comprennent les étoiles de mer, les araignées et les coccinelles, représentés sur la figure 2b. Les carnivores obligatoires sont ceux qui dépendent entièrement de la chair animale pour obtenir leurs nutriments ; les membres de la famille des félins, comme les lions et les guépards, sont des exemples de carnivores obligatoires. Les carnivores facultatifs sont ceux qui mangent aussi des aliments non animaux en plus de la nourriture animale. Notez qu’il n’y a pas de ligne claire qui différencie les carnivores facultatifs des omnivores ; les chiens seraient considérés comme des carnivores facultatifs.

Les omnivores sont des animaux qui mangent à la fois des aliments d’origine végétale et animale. En latin, omnivore signifie manger de tout. Les humains, les ours (illustrés à la figure 3a) et les poulets sont des exemples d’omnivores vertébrés ; les omnivores invertébrés comprennent les blattes et les écrevisses (illustrées à la figure 3b).

Systèmes digestifs des invertébrés

Les animaux ont évolué vers différents types de systèmes digestifs pour aider à la digestion des différents aliments qu’ils consomment. L’exemple le plus simple est celui d’une cavité gastrovasculaire et se trouve chez les organismes qui n’ont qu’une seule ouverture pour la digestion. Les Platyhelminthes (vers plats), les Cténophores (alcyonaires) et les Cnidaires (coraux, méduses et anémones de mer) utilisent ce type de digestion. Les cavités gastro-vasculaires, comme le montre la figure 4a, sont généralement un tube ou une cavité aveugle avec une seule ouverture, la « bouche », qui sert également d' »anus ». Les matières ingérées entrent par la bouche et passent dans une cavité tubulaire creuse. Les cellules de la cavité sécrètent des enzymes digestives qui décomposent la nourriture. Les particules alimentaires sont englouties par les cellules qui tapissent la cavité gastrovasculaire.

Le canal alimentaire, représenté sur la figure 4b, est un système plus évolué : il consiste en un tube avec une bouche à une extrémité et un anus à l’autre. Les vers de terre sont un exemple d’animal doté d’un canal alimentaire. Une fois la nourriture ingérée par la bouche, elle passe par l’œsophage et est stockée dans un organe appelé jabot ; elle passe ensuite dans le gésier où elle est barattée et digérée. A partir du gésier, les aliments passent dans l’intestin, les nutriments sont absorbés, et les déchets sont éliminés sous forme de fèces, appelées fontes, par l’anus.

Systèmes digestifs des vertébrés

Les vertébrés ont évolué vers des systèmes digestifs plus complexes pour s’adapter à leurs besoins alimentaires. Certains animaux ont un seul estomac, tandis que d’autres ont des estomacs à plusieurs chambres. Les oiseaux ont développé un système digestif adapté à la consommation d’aliments nonmastiqués.

Monogastrique : estomac à chambre unique

Comme le suggère le mot monogastrique, ce type de système digestif est constitué d’une seule (« mono ») chambre stomacale (« gastrique »). Les humains et de nombreux animaux ont un système digestif monogastrique, comme l’illustrent les figures 5a et 5b. Le processus de digestion commence par la bouche et l’ingestion des aliments. Les dents jouent un rôle important dans la mastication ou la décomposition physique des aliments en petites particules. Les enzymes présentes dans la salive commencent également à décomposer chimiquement les aliments. L’œsophage est un long tube qui relie la bouche à l’estomac. Grâce au péristaltisme, ou contractions musculaires lisses en forme de vagues, les muscles de l’œsophage poussent les aliments vers l’estomac. Afin d’accélérer l’action des enzymes dans l’estomac, ce dernier est un milieu extrêmement acide, avec un pH compris entre 1,5 et 2,5. Les sucs gastriques, qui comprennent les enzymes de l’estomac, agissent sur les particules alimentaires et poursuivent le processus de digestion. La dégradation des aliments se poursuit dans l’intestin grêle où les enzymes produites par le foie, l’intestin grêle et le pancréas poursuivent le processus de digestion. Les nutriments sont absorbés dans la circulation sanguine à travers les cellules épithéliales qui tapissent les parois de l’intestin grêle. Les déchets se dirigent vers le gros intestin où l’eau est absorbée et les déchets plus secs sont compactés en fèces ; ils sont stockés jusqu’à ce qu’ils soient excrétés par le rectum.

Aviens

Les oiseaux font face à des défis particuliers lorsqu’il s’agit d’obtenir la nutrition à partir des aliments. Ils n’ont pas de dents et leur système digestif, illustré à la figure 6, doit donc être capable de traiter les aliments non mastiqués. Les oiseaux ont développé différents types de becs qui reflètent la grande variété de leur régime alimentaire, allant des graines et des insectes aux fruits et aux noix. Comme la plupart des oiseaux volent, leur taux métabolique est élevé afin de transformer efficacement la nourriture et de maintenir leur poids corporel à un niveau bas. L’estomac des oiseaux comporte deux compartiments : le proventricule, où les sucs gastriques sont produits pour digérer la nourriture avant qu’elle ne pénètre dans l’estomac, et le gésier, où la nourriture est stockée, trempée et broyée mécaniquement. Les matières non digérées forment des boulettes alimentaires qui sont parfois régurgitées. La majeure partie de la digestion et de l’absorption chimique se fait dans l’intestin et les déchets sont excrétés par le cloaque.

Dans le système digestif aviaire, la nourriture passe du jabot au premier des deux estomacs, appelé proventricule, qui contient les sucs digestifs qui décomposent la nourriture. À partir du proventricule, la nourriture entre dans le deuxième estomac, appelé gésier, qui broie la nourriture. Certains oiseaux avalent des pierres ou du gravier, qui sont stockés dans le gésier, pour faciliter le processus de broyage. Les oiseaux n’ont pas d’orifices séparés pour excréter l’urine et les fèces. Au lieu de cela, l’acide urique provenant des reins est sécrété dans le gros intestin et combiné aux déchets du processus de digestion. Ces déchets sont excrétés par une ouverture appelée cloaque.

Ruminants

Les ruminants sont principalement des herbivores comme les vaches, les moutons et les chèvres, dont l’ensemble du régime alimentaire consiste à manger de grandes quantités de fourrage grossier ou de fibres. Ils ont développé des systèmes digestifs qui leur permettent de digérer de grandes quantités de cellulose. Une caractéristique intéressante de la bouche des ruminants est qu’ils n’ont pas d’incisives supérieures. Ils utilisent leurs dents inférieures, leur langue et leurs lèvres pour déchirer et mâcher leur nourriture. De la bouche, la nourriture passe dans l’œsophage puis dans l’estomac.

Pour aider à digérer la grande quantité de matière végétale, l’estomac des ruminants est un organe à plusieurs compartiments, comme l’illustre la figure 7. Les quatre compartiments de l’estomac sont appelés rumen, réticulum, omasum et abomasum. Ces compartiments contiennent de nombreux microbes qui décomposent la cellulose et fermentent les aliments ingérés. La caillette est le « véritable » estomac et est l’équivalent de la chambre gastrique monogastrique où sont sécrétés les sucs gastriques. La chambre gastrique à quatre compartiments offre un plus grand espace et le soutien microbien nécessaire à la digestion des matières végétales chez les ruminants. Le processus de fermentation produit de grandes quantités de gaz dans la chambre gastrique, qui doivent être éliminés. Comme chez les autres animaux, l’intestin grêle joue un rôle important dans l’absorption des nutriments, et le gros intestin aide à l’élimination des déchets.

Pseudo-ruminants

Certains animaux, comme les chameaux et les alpagas, sont des pseudo-ruminants. Ils mangent beaucoup de matières végétales et de fourrage grossier. La digestion du matériel végétal n’est pas facile car les parois cellulaires des plantes contiennent une molécule de sucre polymère, la cellulose. Les enzymes digestives de ces animaux ne peuvent pas décomposer la cellulose, mais les micro-organismes présents dans le système digestif le peuvent. Par conséquent, le système digestif doit être capable de traiter de grandes quantités de fourrage grossier et de décomposer la cellulose. Les pseudo-ruminants ont un estomac à trois chambres dans le système digestif. Toutefois, leur cæcum – un organe en forme de poche situé au début du gros intestin et contenant de nombreux micro-organismes nécessaires à la digestion des matières végétales – est de grande taille et constitue l’endroit où les fourrages grossiers sont fermentés et digérés. Ces animaux n’ont pas de rumen mais ont un omasum, une caillette et un réticulum.

Parties du système digestif

Le système digestif des vertébrés est conçu pour faciliter la transformation de la matière alimentaire en composants nutritifs qui soutiennent les organismes.

Cavité buccale

La cavité buccale, ou bouche, est le point d’entrée des aliments dans le système digestif, illustré dans la figure 8. La nourriture consommée est brisée en plus petites particules par la mastication, l’action de mâcher des dents. Tous les mammifères ont des dents et peuvent mastiquer leur nourriture.

Le vaste processus chimique de la digestion commence dans la bouche. Pendant la mastication des aliments, la salive, produite par les glandes salivaires, se mélange aux aliments. La salive est une substance aqueuse produite dans la bouche de nombreux animaux. Trois glandes principales sécrètent la salive : la parotide, la sous-mandibulaire et la sublinguale. La salive contient du mucus qui humidifie les aliments et tamponne le pH de ces derniers. La salive contient également des immunoglobulines et des lysozymes, qui ont une action antibactérienne pour réduire la carie dentaire en inhibant la croissance de certaines bactéries.

La salive contient également une enzyme appelée amylase salivaire qui commence le processus de conversion des amidons dans les aliments en un disaccharide appelé maltose. Une autre enzyme appelée lipase est produite par les cellules de la langue. Les lipases sont une classe d’enzymes qui peuvent décomposer les triglycérides. La lipase linguale commence la décomposition des composants gras de l’aliment.

L’action de mastication et de mouillage assurée par les dents et la salive prépare l’aliment en une masse appelée bolus pour la déglutition. La langue aide à la déglutition en déplaçant le bolus de la bouche vers le pharynx. Le pharynx s’ouvre sur deux voies de passage : la trachée, qui mène aux poumons, et l’œsophage, qui mène à l’estomac. La trachée possède une ouverture appelée glotte, qui est recouverte par un lambeau cartilagineux appelé épiglotte. Lors de la déglutition, l’épiglotte ferme la glotte et les aliments passent dans l’œsophage et non dans la trachée. Cette disposition permet de maintenir les aliments hors de la trachée.

Esophage

L’œsophage est un organe tubulaire qui relie la bouche à l’estomac. Les aliments mastiqués et ramollis passent par l’œsophage après avoir été avalés. Les muscles lisses de l’œsophage subissent une série de mouvements semblables à des vagues, appelés péristaltisme, qui poussent les aliments vers l’estomac, comme l’illustre la figure 9. L’onde du péristaltisme est unidirectionnelle – elle déplace les aliments de la bouche vers l’estomac, et le mouvement inverse n’est pas possible. Le mouvement péristaltique de l’œsophage est un réflexe involontaire ; il a lieu en réponse à l’acte de déglutition.

Un muscle en forme d’anneau appelé sphincter forme des valves dans le système digestif. Le sphincter gastro-œsophagien est situé à l’extrémité stomacale de l’œsophage. En réponse à la déglutition et à la pression exercée par le bolus alimentaire, ce sphincter s’ouvre et le bolus pénètre dans l’estomac. En l’absence de déglutition, ce sphincter se ferme et empêche le contenu de l’estomac de remonter dans l’œsophage. De nombreux animaux possèdent un véritable sphincter ; cependant, chez l’homme, il n’y a pas de véritable sphincter, mais l’œsophage reste fermé lorsqu’il n’y a pas de déglutition. Le reflux acide ou « brûlures d’estomac » se produit lorsque les sucs digestifs acides s’échappent dans l’œsophage.

Estomac

Une grande partie de la digestion se produit dans l’estomac, représenté sur la figure 10. L’estomac est un organe en forme de sac qui sécrète des sucs digestifs gastriques. Le pH de l’estomac se situe entre 1,5 et 2,5. Cet environnement très acide est nécessaire à la dégradation chimique des aliments et à l’extraction des nutriments. Lorsqu’il est vide, l’estomac est un organe plutôt petit ; cependant, il peut s’étendre jusqu’à 20 fois sa taille au repos lorsqu’il est rempli de nourriture. Cette caractéristique est particulièrement utile pour les animaux qui ont besoin de manger lorsque la nourriture est disponible.

L’estomac est également le principal site de digestion des protéines chez les animaux autres que les ruminants. La digestion des protéines est médiée par une enzyme appelée pepsine dans la chambre de l’estomac. La pepsine est sécrétée par les cellules principales de l’estomac sous une forme inactive appelée pepsinogène. La pepsine rompt les liaisons peptidiques et clive les protéines en polypeptides plus petits ; elle contribue également à activer davantage de pepsinogène, déclenchant un mécanisme de rétroaction positive qui génère davantage de pepsine. Un autre type de cellule – les cellules pariétales – sécrète des ions hydrogène et chlorure, qui se combinent dans la lumière pour former de l’acide chlorhydrique, principal composant acide des sucs gastriques. L’acide chlorhydrique aide à transformer le pepsinogène inactif en pepsine. L’environnement très acide tue également de nombreux micro-organismes présents dans les aliments et, combiné à l’action de l’enzyme pepsine, entraîne l’hydrolyse des protéines présentes dans les aliments. La digestion chimique est facilitée par l’action de barattage de l’estomac. La contraction et la relaxation des muscles lisses mélangent le contenu de l’estomac toutes les 20 minutes environ. Le mélange d’aliments partiellement digérés et de suc gastrique est appelé chyme. Le chyme passe de l’estomac à l’intestin grêle. La digestion des protéines se poursuit dans l’intestin grêle. La vidange gastrique se produit dans les deux à six heures suivant un repas. Seule une petite quantité de chyme est libérée dans l’intestin grêle à la fois. Le mouvement du chyme de l’estomac vers l’intestin grêle est régulé par le sphincter pylorique.

Lors de la digestion des protéines et de certaines graisses, la paroi de l’estomac doit être protégée pour ne pas être digérée par la pepsine. Il y a deux points à prendre en compte pour décrire comment la paroi de l’estomac est protégée. Premièrement, comme mentionné précédemment, l’enzyme pepsine est synthétisée sous une forme inactive. Cela protège les cellules du chef, car le pepsinogène n’a pas la même fonctionnalité enzymatique que la pepsine. Deuxièmement, l’estomac est recouvert d’un épais mucus qui protège les tissus sous-jacents de l’action des sucs digestifs. Lorsque cette muqueuse est rompue, des ulcères peuvent se former dans l’estomac. Les ulcères sont des plaies ouvertes dans ou sur un organe causées par des bactéries (Helicobacter pylori) lorsque la muqueuse est rompue et ne parvient pas à se reformer.

Intestin grêle

Le khime passe de l’estomac à l’intestin grêle. L’intestin grêle est l’organe où s’achève la digestion des protéines, des graisses et des glucides. L’intestin grêle est un long organe tubulaire dont la surface très plissée contient des projections en forme de doigts appelées villosités. La surface apicale de chaque villosité présente de nombreuses projections microscopiques appelées microvillosités. Ces structures, illustrées dans la figure 11, sont tapissées de cellules épithéliales du côté luminal et permettent l’absorption des nutriments des aliments digérés et leur passage dans le sang de l’autre côté. Les villosités et microvillosités, avec leurs nombreux plis, augmentent la surface de l’intestin et accroissent l’efficacité de l’absorption des nutriments. Les nutriments absorbés dans le sang sont transportés dans la veine porte hépatique, qui mène au foie. Là, le foie régule la distribution des nutriments au reste du corps et élimine les substances toxiques, notamment les drogues, l’alcool et certains agents pathogènes.

L’intestin grêle humain mesure plus de 6m de long et est divisé en trois parties : le duodénum, le jéjunum et l’iléon. La partie fixe, en forme de « C », de l’intestin grêle s’appelle le duodénum et est représentée sur la figure 10. Le duodénum est séparé de l’estomac par le sphincter pylorique qui s’ouvre pour permettre au chyme de passer de l’estomac au duodénum. Dans le duodénum, le chyme est mélangé aux sucs pancréatiques dans une solution alcaline riche en bicarbonate qui neutralise l’acidité du chyme et agit comme un tampon. Les sucs pancréatiques contiennent également plusieurs enzymes digestives. Les sucs digestifs provenant du pancréas, du foie et de la vésicule biliaire, ainsi que des cellules glandulaires de la paroi intestinale elle-même, pénètrent dans le duodénum. La bile est produite dans le foie et stockée et concentrée dans la vésicule biliaire. La bile contient des sels biliaires qui émulsionnent les lipides tandis que le pancréas produit des enzymes qui catabolisent les amidons, les disaccharides, les protéines et les graisses. Ces sucs digestifs décomposent les particules alimentaires présentes dans le chyme en glucose, triglycérides et acides aminés. Une partie de la digestion chimique des aliments a lieu dans le duodénum. L’absorption des acides gras a également lieu dans le duodénum.

La deuxième partie de l’intestin grêle est appelée le jéjunum, illustré dans la figure 10. Ici, l’hydrolyse des nutriments se poursuit tandis que la plupart des glucides et des acides aminés sont absorbés par la muqueuse intestinale. L’essentiel de la digestion chimique et de l’absorption des nutriments se produit dans le jéjunum.

L’iléon, également illustré dans la figure 10 est la dernière partie de l’intestin grêle et c’est ici que les sels biliaires et les vitamines sont absorbés dans la circulation sanguine. Les aliments non digérés sont envoyés vers le côlon à partir de l’iléon par des mouvements péristaltiques du muscle. L’iléon se termine et le gros intestin commence au niveau de la valve iléocécale. L’appendice vermiforme est situé au niveau de la valvule iléocale. L’appendice de l’homme ne sécrète aucune enzyme et a un rôle insignifiant dans l’immunité.

Gros intestin

Le gros intestin, illustré par la figure 12, réabsorbe l’eau des matières alimentaires non digérées et traite les déchets. Le gros intestin humain est beaucoup plus petit en longueur par rapport à l’intestin grêle mais plus grand en diamètre. Il se compose de trois parties : le cæcum, le côlon et le rectum. Le cæcum relie l’iléon au côlon et constitue la poche de réception des déchets. Le côlon abrite de nombreuses bactéries, ou « flore intestinale », qui participent au processus de digestion. Le côlon peut être divisé en quatre régions : le côlon ascendant, le côlon transverse, le côlon descendant et le côlon sigmoïde. Les principales fonctions du côlon sont d’extraire l’eau et les sels minéraux des aliments non digérés, et de stocker les déchets. Les mammifères carnivores ont un gros intestin plus court que les mammifères herbivores en raison de leur régime alimentaire.

Rectum et anus

Le rectum est l’extrémité terminale du gros intestin, comme le montre la figure 12. Le rôle principal du rectum est de stocker les matières fécales jusqu’à la défécation. Les matières fécales sont propulsées à l’aide de mouvements péristaltiques pendant l’élimination. L’anus est une ouverture située à l’extrémité du tube digestif et constitue le point de sortie des déchets. Deux sphincters situés entre le rectum et l’anus contrôlent l’élimination : le sphincter interne est involontaire et le sphincter externe est volontaire.

Organes accessoires

Les organes évoqués ci-dessus sont les organes du tube digestif par lesquels passent les aliments. Les organes accessoires sont des organes qui ajoutent des sécrétions (enzymes) qui catabolisent les aliments en nutriments. Les organes accessoires comprennent les glandes salivaires, le foie, le pancréas et la vésicule biliaire. Le foie, le pancréas et la vésicule biliaire sont régulés par des hormones en réponse à la nourriture consommée.

Le foie est le plus grand organe interne de l’homme et il joue un rôle très important dans la digestion des graisses et la détoxification du sang. Le foie produit la bile, un suc digestif nécessaire à la dégradation des composants gras des aliments dans le duodénum. Le foie traite également les vitamines et les graisses et synthétise de nombreuses protéines plasmatiques.

Le pancréas est une autre glande importante qui sécrète des sucs digestifs. Le chyme produit par l’estomac est de nature très acide ; les sucs pancréatiques contiennent des niveaux élevés de bicarbonate, un alcali qui neutralise le chyme acide. De plus, les sucs pancréatiques contiennent une grande variété d’enzymes nécessaires à la digestion des protéines et des glucides.

La vésicule biliaire est un petit organe qui aide le foie en stockant la bile et en concentrant les sels biliaires. Lorsque le chyme contenant des acides gras pénètre dans le duodénum, la bile est sécrétée par la vésicule biliaire dans le duodénum.

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