Индивидуальное развитие организмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процесс индивидуального развития особи от начала ее выделения в самостоятельный организм до конца жизни называется онтогенезом (греч. on -- род. падеж от ontos -- сущее и genes -- рождающий, рожденный). Онтогенез одноклеточных организмов заключается в том, что в возникших при делении материнской клетки двух дочерних особях происходит не просто пополнение половинного набора органелл до исходного состояния, а и разрушение органоидов материнского происхождения и замена их на вновь образованные. В ходе онтогенеза одноклеточные организмы растут, у них наблюдаются изменения в синтезе белков, меняется чувствительность к различным факторам внешней среды.

Онтогенез многоклеточных организмов более сложен. В нем можно выделить зародышевый, или эмбриональный (греч. embryon -- зародыш), период развития, период постэмбрионального развития и стадию взрослого организма.

Заканчивается онтогенез старением и смертью организма. Иногда в составе онтогенеза рассматривают стадию предзародышевого развития, включающую образование половых клеток и их слияние.

Различные периоды онтогенеза по-разному выражены у разных многоклеточных. Например, у грибов, водорослей и лишайников зародыш отсутствует. Относительная продолжительность различных периодов онтогенеза у разных видов также может отличаться. Так, у млекопитающих наиболее продолжительным является период, когда организм находится во взрослом состоянии. У многих насекомых, наоборот, стадия взрослого организма самая короткая. Иногда насекомое во взрослом состоянии живет всего несколько часов (например, поденки).

При половом размножении развитие начинается с зиготы (греч. zygota -- соединенная в пару). Зигота обычно возникает в результате слияния мужской и женской половых клеток.

Развитие зародыша животных. Этапы зародышевого развития рассмотрим на примере животного организма. Первый этап эмбрионального развития называется дроблением. В ходе дробления из зиготы образуются вначале 2 клетки, затем 4, 8 и т.д. Клетки, возникающие при делениях дробления, называются бластомерами (греч. blastos -- росток, meros -- часть).

Митотические деления следуют быстро одно за другим. У лягушки первые тринадцать делений проходят с интервалом 30 мин. Укорочение клеточного цикла достигается за счет того, что одни стадии значительно ускоряются, другие совсем выпадают.

Для удвоения хромосом и деления бласто- меров используются энергия и вещества, накопленные ранее в цитоплазме яйцеклетки.

Дробление у многих животных завершается образованием бластулы. У разных организмов возникающие при дроблении бластомеры располагаются относительно друг друга по- разному (это зависит главным образом от характера распределения питательных веществ в цитоплазме яйцеклетки). У лягушки или морского ежа, например, бластула представляет собой полый пузырек, оболочка которого образована слоем бластоме- ров. Полость бластулы называется бластоцелем. Иногда бластоцель практически отсутствует, и бластомеры очень тесно прилежат друг к другу, образуя плотный шар клеток. В этом случа&говорят о моруле (лат. morula, уменьшительное от morum -- тутовая ягода) . По размерам бластула не отличается от зиготы, поскольку в клеточном цикле бластомеров отсутствует стадия роста и после каждого деления клетки становятся все мельче и мельче.

Когда число клеток бластулы достигает нескольких сотен или тысяч (у разных видов по-разному), начинается следующий этап эмбриогенеза -- гаструляция (греч. gaster -- желудок). Во время гаструляции продолжающие быстро размножать ся клетки становятся очень подвиж ными и начинают активно переме щаться относительно друг друга В результате в зародыше возникают отчетливо выраженные пласты клеток -- зародышевые листки.

Гаструляция происходит путем либо впячивания стенки бластулы или иммиграции клеток в полость бластоцеля, либо перемещения клеток бластулы. В результате гаструляции зародыш становится двухслойным, состоящим из наружного зародышевого листка -- эктодермы (греч. ectos -- снаружи, derma -- кожа) и внутреннего -- энтодермы (греч. еп- tos -- внутри). У всех животных, кроме губок и кишечнополостных, формируется и третий слой -- мезодерма (греч. mesosсредний). Он образуется из клеток, лежащих на границе между экто- и энтодермой. В ходе гаструляции, как и во время дробления, не происходит роста клеток и, таким образом, зародыш на стадии гаструлы остается по размерам похожим на зиготу.

Следующим этапом эмбрионального развития является гисто- и органогенез. У позвоночных он начинается с образования зачатка нервной системы. Это -- стадия нейрулы (но- волат. neurula, уменьшит, от греч. neuron -- нерв). У нейрулы на буду-: щей спинной стороне зародыша происходит обособление части клеток эктодермы в виде длинной пластинки. Края пластинки сближаются, образуется вначале желобок, затем трубка, которая оказывается погруженной под клетки эктодермы. В последующем из передней части трубки формируется головной мозг и органы чувств, а из задней -- спинной мозг и периферическая нервная система.

Органы и ткани организма образуются из определенных частей зародыша. Из эктодермы, кроме нервной системы, формируются покровы тела: наружный эпителий, кожные желеіьі, роговые чешуи и т. д. Органы пищеварения и дыхания развиваются в основном из клеток энтодермы. Мезодерма дает начало мышечной, хрящевой и костной ткани, кровеносной и выделительной системам.

Экто-, энто- и мезодермальное происхождение того или иного органа не означает, что клетки зародышевых листков обладают какими-то особыми «органными» свойствами. И хотя классификация органов по их происхождению в эмбриогенезе из определенного зародышевого листка довольно распространена, нужно помнить, что, во-первых, развитие органа происходит всегда только при взаимодействии клеток разных участ- сков зародыша, во-вторых, почти каждый орган развивается из клеток двух, а иногда и всех трех зародышевых листков. Например, кожа млекопитающих развивается из экто- и мезодермы.

Взаимное влияние частей развивающегося зародыша. Каким образом из единственной клетки возникает сложный организм с разнообразными органами и тканями, клетки которых специализированы на выполнении разных функций, т. е. являются дифференцированными? На этот и другие вопросы ищет ответы эмбриология -- наука о развитии организмов.

Ученые установили, что первые этапы дифференцировки определяются цитоплазмой зиготы. Дело в том, что вещества, накопленные при образовании яйцеклетки, располагаются в ее цитоплазме неравномерно. При дроблении дочерние клетки получают более или менее различные участки цитоплазмы материнской клетки. Таким образом, бластомеры, имея одинаковые наборы хромосом, оказываются неравноценными по составу цитоплазмы. Эти первичные различия в составе цитоплазмы определяют начальные этапы клеточной дифференцировки. Если пометить различные участки бластулы с помощью красителей, а затем проследить судьбу меченых клеток, то можно узнать, из каких частей разовьется эпидермис кожи, а из каких -- нервная система, хорда и т. д.

Иногда удается определить, какие именно клеточные структуры ответственны за возникновение зачатков тех или иных органов. Например, у мух в определенной области яйцеклетки накапливаются гранулы, содержащие специфическую РНК- Эти гранулы определяют развитие половой системы. Если до начала дробления разрушить гранулы ультрафиолетовым облучением, то зародыш со временем разовьется во взрослое насекомое, лишенное половых клеток. Однако еще в большей степени развитие зародыша определяется взаимным влиянием составляющих его клеток. Уже при возникновении двух первых бластомеров каждый из них становится неразрывной частью новой биологической системы и его поведение определяется этой системой. У лягушки, например, бластомеры после первого деления дробления равноценны друг друґу, и если их разделить, то из каждого бластомера разовьется нормальный головастик, который затем превратится в лягушку. Но если один из первых двух бластомеров убить, но не изолировать от другого, то из оставшегося живым бластомера начнет развиваться только половина тела зародьнна.

Убедительные факты о взаимовлиянии частей зародыша получены при всевозможных пересадках клеток развивающихся эмбрионов. Так, пересадка нескольких бластомеров на стадии бластулы из области будущей эктодермы в различные места зародыша приводит к тому, что из пересаженного материала развиваются любые структуры: почечные канальцы, стенка кишечника и т. п., в зависимости от места пересадки. Таким же образом ведут себя клетки будущих энтодермы и мезодермы.

По мере развития организма усиливаются связи между клетками, возрастает их влияние друг на друга. Без взаимного влияния разных частей нормального развития зародыша не происходит. Так, если из бластулы выделить будущие энтодермальные и будущие эктодермальные клетки и культивировать их отдельно в искусственной среде, то и в том и в другом случае возникнут лишь отдаленно похожие на эпителий пласты клеток. Если же клетки будущей эктодермы и будущей энтодермы смешать и культивировать совместно, то благодаря взаимному влиянию групп клеток будут формироваться структуры, похожие на нервную трубку, хорду, мышцы и т. д.

На стадии поздней гаструлы и ней- рулы отдельные участки зародыша представляют собой сложные комплексы клеток со сложившимися взаимоотношениями. Взаимовлияние клеток настолько велико, что пересадка участка, состоящего из большого количества клеток, в любое другое место не изменит направления его развития: из кожной эктодермы разовьются производные эктодермы, из зачатка нервной трубки -- нервная система и т. п.

История эмбриологии сохранила сведения о многочисленных экспериментах по пересадке частей развивающихся зародышей. Среди них работы немецкого ученого Г. Шпемана и его последователей, которые установили, что если у зародыша на стадии гаструлы взять участок эктодермы, который должен развиться в нервную трубку, и пересадить его в зародыш на той же примерно стадии развития в эктодерму брюшной стороны другого зародыша, находящегося примерно на той же стадии развития, то в месте трансплантации начинает развиваться сначала нервная трубка, затем другие компоненты осевых органов. В результате в зародыше-хозяине возникает вторичный зародыш, который от первичного лишь незначительно отличается величиной. Г. Шпеман назвал это явление эмбриональной индукцией, во время которой трансплантат выступает в роли организатора, направляющего развитие окружающих клеток.

В дальнейшем было обнаружено, что роль организатора могут играть не только определенные участки развивающихся зародышей, но и вещества самого различного происхождения.

Ученые пришли к выводу, что эффект индукции на ранних этапах развития зародыша заключается в том, что клетки в месте трансплантации, поврежденные операцией, выходят из-под контроля сложившихся клеточных взаимоотношений и начинают развиваться в направлении целого организма.

Влияние внешней среды на развитие зародыша. Развивающиеся зародыши в той или иной степени зависят от внешней среды. Например, зародыши моллюсков получают из внешней среды воду, кислород, неорганические вещества; эмбрионы рыб и амфибий нуждаются только в кислороде и воде, а яйца птиц максимально обособлены от среды: в зародыш поступает извне лишь небольшое количество кислорода'. Что же каса ется млекопитающих, то их эмбриональное развитие находится в полной зависимости от материнского организма. Зародыш получает от матери и кислород, и воду, и органические и неорганические вещества.

В ходе эволюции выработались строго определенные взаимоотношения развивающихся зародышей с внешней средой. Если изменятся условия внешней среды, нормальное развитие зародыша может нарушиться. При этом незначительное изменение свойств зародыша на начальных этапах развития лавинообразно повлечет за собой многочисленные нарушения структуры и функций организма в более позднем возрасте. Одной из причин нарушения являются чужеродные для эмбриона химические вещества. К ним относятся пестициды и гербициды, которые, попадая в водоемы, а затем в яйца различных животных, вызывают нарушения развития.

Вредное влияние оказывают алкоголь и никотин, которые попадают в зародыш из крови матери, если она курит и употребляет алкоголь. Они приводят к снижению жизнеспособности эмбриона и рождению ребенка с различными заболеваниями и уродствами.

Постэмбриональное развитие. Большие различия онтогенеза наблюдаются в постэмбриональном периоде развития. У одних видов только что родившийся организм отличается от взрослого в основном меньшими размерами и недоразвитием некоторых органов, например половой системы. В этом случае говорят о прямом постэмбриональном развитии. Прямое развитие мы наблюдаем у большинства видов рыб, птиц и млекопитающих.

Широко распространено среди животных самых разных типов непрямое развитие, или развитие с метаморфозом. У таких организмов зародышевый период заканчивается рождением личинки, которая иногда даже отдельно не напоминает взрослый организм. В таком случае говорят о полном превращении. Оно наблюдается у насекомых, таких, как бабочки, мухи, комары. У насекомых с неполным превращением происходит постепенное изменение личинки, сопровождающееся увеличением в размере.

Часто у личинок развиваются специальные личиночные -- провизорные (лат. provideo -- предвижу, заранее забочусь) органы, которые исчезают в процессе развития.

Все органы личинки максимально приспособлены к выполнению основной функции -- питания. Благодаря активному питанию личинка интенсивно растет. Ее превращение во взрослую особь связано с метаморфозом (греч. metamorphosis -- превращение). Как правило, условия обитания личинки и взрослой особи сильно различаются. Например, головастики лягушки живут в воде, тогда как взрослая лягушка основную часть жизни проводит на суше (рис. 68).

Онтогенез растений. С первыми этапами онтогенеза растений познакомимся на примере покрытосеменных. При половом размножении индивидуальное развитие растительного организма, так же как и животного, начинается с зиготы. В результате первого деления возникают две клетки -- базальная и апикальная. Эти клетки отличаются по морфологическим и физиологическим особенностям. В базальной клетке митозы происходят редко и их немного, в то время как апикальная клетка начинает очень быстро делиться. Из базальной клетки развивается подвесок;

с его помощью зародыш удерживается на стенке зародышевого мешка и потребляет питательные вещества из окружающих тканей. Из апикальной клетки развивается собственно зародыш. У разных видов он достигает различной величины, когда в нем начинается дифференцировка клеток и можно различить закладки будущих тканей и вегетативных органов растений.

Величина, форма зародыша, его расположение в семени различны у разных видов растений. Отличается и состав запасных питательных веществ: обычно это жиры и полисахариды, реже белки.

Для прорастания семян различных видов нужны разные сроки периода покоя, различные условия освещения, температуры, влажности. Так, семена пшеницы могут прорастать при температуре 0--1°С, а для прорастания семян кукурузы необходима температура не ниже 12°С. Время, в течение которого зрелые сухие семена сохраняют способность к прорастанию, может быть очень продолжительным. Например, удалось прорастить семена лотоса, пролежавшего в торфянике Манчьжу- рии около 1000 лет.

При прорастании семян происходит активизация внутриклеточных ферментов, усиливается дыхание, начинается гидролиз запасных веществ, синтез полирибосом и белков. Из зародыша возникает проросток. Дальнейшее развитие растений включает деление клеток, увеличение их размеров и их специализацию, в результате образуются различные ткани и органы растения -- начинается органогенез.

Старение и смерть организмов. Продолжительность жизни является видовым признаком. У одних видоп раньше, у других позже начинаются закономерные возрастные изменения, снижающие адаптационные возможности организма и увеличивающие вероятность смерти.

Процесс старения затрагивает все уровни организации живого. На молекулярном уровне происходит накопление изменений в молекулах ДНК, меняется синтез РНК и белков, нарушается энергетический обмен и т. д. На клеточном уровне уменьшается митотическая активность клеток, нарушается транспорт веществ через мембрану и, следовательно, изменяется функционирование клеточных органоидов. На уровне целого организма, как следствие изменений, происходящих на молекулярном и клеточном уровнях, ослабляется функция нервной, эндокринной, сердечнососудистой и других систем организма.

Существует несколько гипотез о механизмах старения. Согласно одним, старение -- запрограммированный процесс, в результате которого активность генома снижается с возрастом. Другие предполагают, что старение происходит вследствие накопления повреждений генетического аппарата клетки в ходе онтогенеза.

У растений старение проявляется в исчерпывании способности клеток к делению и, следовательно, возможности образования новых побегов. У многолетних цветковых растений корневая и побеговая системы постоянно омолаживаются, и старение этих растений проявляется в том, что в некоторых частях растений начинают происходить разрушительные процессы, например образуются дупла в стволах деревьев.

Старение организмов неизбежно приводит к прекращению жизнедеятельности организма -- его смерти. У многоклеточных организмов смерть приводит к возникновению мертвого тела. У одноклеточных, таких, например, как простейшие, индивидуальная жизнь особи, как правило, прекращается в результате ее деления и образования двух новых.

онтогенез организм зародыш

Размещено на Allbest.ru