Размножение и индивидуальное развитие организмов

1

Размножение и индивидуальное развитие организмов

Способность к размножению или самовоспроизведению является одним из обязательных и важнейших свойств живых организмов. Размножение поддерживает длительное существование вида, обеспечивает преемственность между родителями и их потомством в ряду многих поколений. Оно приводит к увеличению численности особей вида способствует его расселению.

Индивидуальное развитие организма (онтогенез) по определению Н.А.Кравченко - это совокупность количественных и качественных изменений, происходящих после оплодотворения яйцеклетки и образования зиготы, на протяжении всей жизни особи в соответствии с унаследованным ею генотипом и нормой реакции. Иначе онтогенез можно определить как совокупность возрастных морфологических, биохимических и физиологических изменений, протекающих в организме на протяжении всей жизни.

Индивидуальное развитие организма совершается неравномерно. Оно разграничивается на определенные периоды, стадии, качественно отличные друг от друга. Стадии онтогенеза претерпевает любой живой организм.

Онтогенез, или индивидуальное развитие, человека включает пренатальный (внутриутробный) период, который длится примерно 280 суток, или 10 лунных месяцев, и постнатальный (внеутробный) период, продолжительность которого у разных людей варьирует и во многом определяется как внутренними, так и внешними по отношению к человеку факторами.

В онтогенезе организм претерпевает изменения роста и развития. Развивается организм в результате обмена веществ, при котором происходит рост и дифференциация органов и тканей, т.е. качественное усложнение структуры и функции организма.

Развитие половых клеток

Различают мужские и женские половые клетки, которые несут генетическую информацию по отцовской и материнской линиям. В половых клетках присутствует 22 аутосомы и 1 половая хромосома, которая обозначается как Х или У у мужчин и Х - у женщин.

При слиянии мужской и женской половых клеток при оплодотворении образуется диплоидная клетка - зигота, которая даст начало всем клеткам нового организма.

У позвоночных животных женские половые клетки образуются в половых железах - яичниках, а мужские - в семенниках. Именно в половых железах из исходных диплоидных клеток образуются гаплоидные гаметы.

Формирование зрелых сперматозоидов в организме млекопитающих начинается с наступлением половой зрелости, а яйцеклеток - во внутриутробном периоде развития женского организма.

В развитии половых клеток выделяют несколько стадий: деление первичных половых клеток с диплоидным набором хромосом путем митоза, увеличение числа клеток, дальнейший их рост и созревание (рис.1).

Первую стадию развития половых клеток называют размножением (митоз). Для этой стадии характерно деление диплоидных клеток путем митоза, при этом из каждой материнской клетки образуются две дочерние диплоидные клетки. За счет митозов увеличивается число клеток. В этот период обеспечивается передача генов от материнской клетки к дочерним.

Затем наступает стадия роста. В период роста деление клеток прекращается и они начинают усиленно расти, число клеток увеличиваются. Клетки находятся в состоянии интерфазы. При этом будущие яйцеклетки (ооциты) увеличиваются в размерах иногда в сотни и даже тысячи раз за счет накопления в их цитоплазме запасных питательных веществ в виде желтка. Размеры незрелых мужских гамет (сперматоцитов) увеличиваются незначительно. В них синтезируются белки, углеводы, липиды, АТФ, удваиваются хромосомы.

На стадии созревания клетки делятся путем мейоза. Число хромосом уменьшается вдвое, и из каждой диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные дочерние клетки.

Мейоз -- созревание половых клеток, особый вид деления, обеспечивающий формирование гамет с уменьшенным вдвое числом хромосом. Мейоз -- два деления первичных половых клеток, следующих одно за другим с одной интерфазой, одним удвоением молекул ДНК, с образованием двух хроматид из каждой хромосомы.

Фаза мейоза: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Особенности первого деления мейоза: конъюгация гомологичных хромосом, возможность обмена генами, расхождение гомологичных хромосом из двух хроматид и образование двух клеток с гаплоидным числом хромосом.

Второе деление мейоза: расхождение хроматид к полюсам клетки, образование из каждой клетки двух с гаплоидным числом хромосом (при отделении хроматид друг от друга они становятся хромосомами). Сходство второго деления мейоза с митозом.

У особей мужского пола все образовавшиеся в результате мейоза клетки одинаковые, полноценные. У особей женского пола только в одной клетке - яйцеклетке - накапливается большой запас питательных веществ, необходимых для развития будущего зародыша, остальные три маленькие клетки в дальнейшем погибают.

Сущность мейоза состоит в том, что:

1) образуются хромосомы обновленного генетического состава благодаря кроссинговеру между гомологичными хромосомами;

2) достигается наследственная разнородность гамет, так как во время первого мейотического деления из дары гомологичных хромосом в одну из двух гамет отходит материнская хромосома, в другую -- отцовская;

3) после оплодотворения гаплоидные гаметы от отца и матери создают диплоидное ядро зиготы с числом хромосом, присущим данному виду.

Развитие половых клеток завершается периодом формирования, во время которого образуются гаметы - сперматозоиды и яйцеклетка.

Процессы сперматогенеза и овогенеза в принципе сходны, но между ними имеются и различия. В результате сперматогенеза образуется четыре сперматозоида, а овогенез завершается образованием одной яйцеклетки. Это обусловлено тем, что при первом и втором делениях созревания яйцеклетки не делятся пополам, а отделяют маленькие направительные, или редукционные, тельца. Направительные тельца несут полноценные хромосомные наборы, но практически лишены цитоплазмы и вскоре погибают. Биологический смысл образования этих телец заключается в необходимости сохранения в цитоплазме яйцеклетки максимального количества желтка, потребного для развития будущего зародыша.

Эмбриональный период

Эмбриональное развитие, или эмбриогенез, - это сложный и длительный морфогенетический процесс, в ходе которого из отцовской и материнской половых клеток формируется новый многоклеточный организм, способный к самостоятельной жизнедеятельности в условиях внешней среды.

Чтобы представить масштаб процессов, происходящих в развитии человека, достаточно вспомнить, что яйцеклетка человека диаметром 0,15 мм оплодотворяется спермием диаметром 0,005 мм, общий вес оплодотворенного яйца составляет всего лишь 5х10 ^-9 г.

Доношенный плод рождается со средним размером 500 мм и весом 3400 г.

От зиготы до рождения вес плода возрастает примерно в миллиард раз.

Эмбриональный период начинается с образования зиготы и заканчивается рождением или выходом зародыша из яйца. Как же из одной клетки - зиготы формируется многоклеточный организм? Познакомимся с этим процессом на примере формирования зародыша у хордовых животных.

Эмбриональный период развития включает дробление зиготы, гаструлу, образование органов. Начинается период эмбрионального развития многоклеточного животного с дробления зиготы и завершается рождением новой особи.

На первом этапе процесс деления заключается в серии последовательных методических делений зиготы путем митоза. Образующиеся в результате нового деления зиготы две клетки и все последующие поколения клеток на этом этапе носят название бластомеров.

В ходе дробления одно деление следует за другим, и не происходит роста образующихся бластомеров, вследствие чего каждое новое поколение бластомеров представлено более мелкими клетками. Эта особенность клеточных делений при развитии оплодотворенной яйцеклетки и определило появление образного термина - дробление зиготы.

У разных видов животных яйцеклетки различаются по количеству и характеру распределения в цитоплазме запасных питательных веществ (желтка). Это в значительной степени определяет характер последующего дробления зиготы. При небольшом количестве и равномерном распределении желтка в цитоплазме происходит деление всей массы зиготы с образованием одинаковых бластомеров - полное равномерное дробление (например у млекопитающих).

При скоплении желтка преимущественно у одного из полюсов зиготы происходит неравномерное дробление - образуются бластомеры, различающиеся по размерам: более крупные макромеры и микромеры (например у амфибий). Если же яйцеклетка очень богата желтком, то дробится её часть, свободная от желтка. Так, у пресмыкающихся, птиц дроблению подвергается лишь дисковидный участок зиготы у одного из полюсов, где располагается ядро - неполное, дискоидальное дробление. Наконец, у насекомых в процессе дробления задействован лишь поверхностный слой цитоплазмы зиготы - неполное, поверхностное дробление (в центре дробящейся зиготы сохраняется массы желтка).

В результате дробления (когда число делящихся бластомеров достигает значительного числа) образуется небольшой полый пузырек - бластула (от греч. blast - росток). В типичном случае (например, у ланцетника) бластула представляет собой полый шар, стенка которого образована одним слоем клеток (бластодерма).

Полость бластулы - бластоцель, иначе называемой первичной полостью тела, заполнена жидкостью.

У амфибий бластула имеет очень небольшую полость, а у некоторых животных (например, членистоногих) бластоцель может полностью отсутствовать.

На следующем этапе эмбрионального периода происходит процесс формирования двухслойного зародыша - гаструлы (от греч. gaster - желудок) - гаструляция. У многих животных образование гаструлы происходит путем инвоганации, т.е. выпячивания бластодермы на одном из полюсов бластулы (при интенсивном размножении клеток в этой зоне).

В результате образуется двухслойный чашеобразный зародыш. Наружный слой клеток - эктодерма, а внутренний - энтодерма. Внутренняя полость, возникающая при выпячивании стенки бластулы, первичная кишка, сообщается с внешней средой отверстием - первичным ртом (бластопором).

Существуют и другие типы гаструляции. Например, у некоторых кишечнополостных энтодерма гаструлы образуется путем иммиграции, т.е. «выселения» части клеток бластодермы в полость бластулы и последующего их размножения. Первичный рот образуется путем разрыва стенки гаструлы.

На следующей стадии между эктодермой и энтодермой закладывается третий зародышевой листок - мезодерма (от греч. mesos - средний и derma).

Из этих трех слоев в будущем образуются все органы ребенка. Из каждого зародышевого листка развиваются определенные органы и системы органов: из эктодермы - нервная система, органы чувств, кожа; из мезодермы - хорда, скелет, мышцы, кровеносная, выделительная, половая системы; из энтодермы - эпителий кишечника, пищеварительные железы, легкие.

По истечении четырех недель эмбрион человека достигает 7 мм в длину и веса в 1 грамм. Начинают развиваться внутренние органы: сердце, позвоночник и центральная нервная система.

На втором месяце, называемой также эмбриональным периодом развития, закладываются все жизненно важные органы пищеварительной и дыхательной системы. Сердце эмбриона начинает сокращаться на пятой неделе беременности. В конце второго месяца эмбрион становится похожим на маленького человечка. Очертания органов чувств образуются из небольших углублений и выступов, при этом глаза уже почти полностью сформированы. Голова и мозг расту быстрее в сравнении с другими частями тела. Становятся видны конечности, на которых уже можно различить пальцы, способные к движению. Но пока что эти движения матерью не ощущаются. Начало третьего месяца беременности знаменует собой начало эмбрионального периода развития. С этого времени эмбрион становится плодом.

Зародыш многоклеточного организма в своем развитии как бы повторяет этапы развития своего вида. Это хорошо видно на зародыше млекопитающего, который в ходе эмбрионального развития как бы проходит стадии развития своих предков: одноклеточных, двуслойных, кишечнополостных и т.д. (рис.4). Эти данные свидетельствуют о родстве высокоорганизованных и просто организованных животных, позволяют проследить ход эволюции.

Зародыш млекопитающих, в том числе и человека, очень чувствителен к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды. На развитие зародыша влияют вещества, которые он получает с кровью матери. Например, каждая выкуренная матерью сигарета уменьшает снабжение зародыша кислородом на 10%. Еще не созревшая печень плода не может справиться с поступающими в организм ядовитыми веществами, и они накапливаются в его тканях.

Алкоголь, употребляемый матерью, концентрируется в крови плода и достигает 70% от его содержания в крови матери. Особенно плохо влияет алкоголь на центральную нервную систему (ЦНС) будущего ребенка. Чем это объясняется? Ученые считают, что ЦНС в ходе эволюции возникла сравнительно недавно и ее клетки очень чувствительны к недостатку кислорода. Алкоголь тормозит развитие клеток больших полушарий мозга. Вот почему при употреблении алкоголя родителями около 80% новорожденных оказываются с дефектами умственного развития.

Список литературы

1. Беляев Д.К. и др. Общая биология. Учебник для 10-11 кл. / Д.К.Беляев и др. - М.: Просвещение, 2004.

2. Захаров В.Б. Общая биология. Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений / В.Б.Захаров, С.Г.Мамонтов, Н.И.Сонин. - М.: Дрофа, 2005.

3. Мамонтов С.Г. Общая биология. Учебник для студентов сред.спец.учебных заведений / С.Г.Мамонтов, В.Б.Захаров. - М.: Изд-во «Высшая школа», 2003.