Блок 3. организм как биологическая система

Индивидуальное развитие организма (онтогенез)

Индивидуальное развитие организма, или онтогенез, является совокупностью последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, которые происходят у организма от момента его зарождения до смерти. В онтогенезе реализуется наследственная информация, полученная организмом от родителей.

Периоды онтогенеза

В онтогенезе выделяются два основных периода: эмбриональный и постэмбриональный.

Эмбриональный период

Эмбриональный период у животных характеризуется формированием эмбриона, а также закладкой основных систем органов. Он завершается рождением или выходом молодой особи из яйцевых или зародышевых оболочек.

Постэмбриональный период

Постэмбриональный период включает в себя завершение формообразовательных процессов, процессы полового созревания, размножения, старения и смерти.

Эмбриональный период и его этапы

Эмбриональный период начинается с образования зиготы и заканчивается рождением или выходом молодой особи. Он состоит из трех основных этапов: дробления, гаструляции и органогенеза.

Дробление

Начальным этапом развития оплодотворенного яйца является дробление. Зигота начинает делиться митозом на клетки, которые называются бластомерами. Бластомеры, образующиеся при дроблении, представляют собой ранние зародышевые клетки.

Типы дробления

Тип дробления яйца зависит от количества желтка и его распределения. Различают полное и неполное дробление. Полному дроблению подвергаются зиготы ланцетника и млекопитающих, у которых содержание желтка невелико и равномерно.

Дробление зиготы ланцетника

Дробление зиготы ланцетника охватывает всю зиготу и происходит в продольном и поперечном направлениях. На стадии 32 бластомеров зародыш напоминает ягоду шелковицы или малины и называется морулой.

Индивидуальное развитие организма – это удивительный процесс, который происходит с каждым живым существом с момента зачатия. Понимание этого процесса поможет лучше понять жизнь и ее удивительную сложность.

Развитие зародыша ланцетника

При дальнейшем дроблении (примерно на стадии 128 бластомеров) зародыш расширяется, и клетки, располагаясь однослойно, образуют полый шар. Эта стадия называется бластулой. Стенка однослойного зародыша называется бластодермой, а находящаяся внутри полость — бластоцелью (первичной полостью тела).

Начальные стадии развития

На рисунке показаны начальные стадии развития ланцетника:

• дробление (стадия двух, четырех, восьми, шестнадцати бластомеров)
• бластула
• гаструляция

Образование двуслойного зародыша

Следующий этап эмбрионального развития — образование двуслойного зародыша — гаструляция. В результате образуется двуслойный зародыш. На этой стадии зародыш похож на чашу и называется гаструлой. Наружный слой клеток гаструлы называется эктодермой, или наружным зародышевым листком, а внутренний слой, выстилающий полость гаструлы — гастральную полость (полость первичного кишечника), носит название энтодермы, или внутреннего зародышевого листка.

Закладка органов

После гаструляции начинается следующий этап в развитии зародыша — дифференцировка зародышевых листков и закладка органов (органогенез). Сначала формируются осевые органы — нервная система, хорда и пищеварительная трубка. Стадия, на которой осуществляется закладка осевых органов, называется нейрулой.

Заключение

На стадии двух зародышевых листков заканчивается развитие губок и кишечнополостных. У всех остальных животных образуется третий — средний зародышевый листок, расположенный между эктодермой и энтодермой. Он называется мезодермой.

Образование органов из зародышевых листков у позвоночных

Нервная система у позвоночных формируется из эктодермы в виде нервной трубки. У хордовых первоначально она имеет вид нервной пластинки. Эта пластинка растет интенсивнее всех остальных участков эктодермы и затем прогибается, образуя желобок. Края желобка смыкаются, возникает нервная трубка, которая тянется от переднего конца к заднему.

Формирование органов

На переднем конце трубки затем формируется головной мозг. Одновременно с образованием нервной трубки происходит формирование хорды. Хордальный материал энтодермы выгибается, так что хорда выделяется из общей пластинки и превращается в обособленный тяж в виде сплошного цилиндра. Нервная трубка, кишечник и хорда образуют комплекс осевых органов зародыша, который определяет двустороннюю симметрию тела. Впоследствии хорда у позвоночных животных замещается позвоночником, и только у некоторых низших позвоночных ее остатки сохраняются между позвонками даже во взрослом состоянии.

Одновременно с образованием хорды происходит обособление третьего зародышевого листка — мезодермы. Способов образования мезодермы несколько. У ланцетника, например, мезодерма, как и все основные органы, образуется вследствие усиленного деления клеток с двух сторон первичной кишки.

Формирование мезодермы

В результате образуются два энтодермальных кармана. Эти карманы увеличиваются, заполняя собой первичную полость тела, края их отрываются от энтодермы и смыкаются между собой, образуя две трубки, состоящие из отдельных сегментов, или сомитов. Это и есть третий зародышевый листок — мезодерма. В середине трубок находится вторичная полость тела, или целом.

Дифференцировка клеток

Дальнейшая дифференцировка клеток каждого зародышевого листка приводит к образованию тканей (гистогенез) и формированию органов (органогенез). Кроме нервной системы из эктодермы развивается наружный покров кожи — эпидермис, и его производные (ногти, волосы, сальные и потовые железы), эпителий рта, носа, анального отверстия, выстилка прямой кишки, эмаль зубов, воспринимающие клетки органов слуха, обоняния, зрения и т. д.

Из энтодермы развиваются эпителиальные ткани, выстилающие пищевод, желудок, кишечник, дыхательные пути, легкие или жабры, печень, поджелудочную железу, эпителий желчного и мочевого пузыря, мочеиспускательного канала, щитовидную и околощитовидную железы.

Производными мезодермы являются соединительнотканная основа кожи (дерма), вся собственно соединительная ткань, кости скелета, хрящи, кровеносная и лимфатическая системы, дентин зубов, брыжейка, почки, половые железы, мускулатура.

Органы и ткани, образующиеся из зародышевых листков

Эмбриональное развитие животных

Зародыш животных развивается как единый организм, в котором все клетки, ткани и органы находятся в тесном взаимодействии. При этом один зачаток оказывает влияние на другой, в значительной мере определяя путь его развития. Кроме того, на темпы роста и развития зародыша оказывают влияние внешние и внутренние условия.

Внезародышевые органы

Эмбриональное развитие организмов протекает по-разному у разных типов животных. Необходимая связь зародыша со средой обеспечивается специальными внезародышевыми органами, называемыми провизорными. Примерами таких временных органов являются желточный мешок у личинок рыб и плацента у млекопитающих.

Зародышевые оболочки

Развитие зародышей высших позвоночных животных, включая человека, подразумевает появление специальных зародышевых органов на ранних стадиях. Дополнительные зародышевые оболочки, такие как хорион, амнион и аллантоис, обеспечивают защиту развивающегося зародыша.

Хорион и плацента

Хорион, наружная часть сферического образования, покрыта ворсинками и образует детское место у млекопитающих, обеспечивая связь с материнским организмом.

Амнион

Амнион, околозародышевый пузырь, заполняется жидкостью, содержащей белки, сахара, минеральные соли и гормоны. Стенка амниотической оболочки происходит от экто- и мезодермы.

Аллантоис

Аллантоис, третья зародышевая оболочка, является зачатком мочевого мешка. У животных его функции различны, но исчезает у человека на третьем месяце развития.

Постэмбриональный период

Органогенез завершается к концу эмбрионального периода, но дифференцировка и усложнение органов продолжается в постэмбриональном периоде, после рождения или выхода из яиц.

Постэмбриональное развитие включает различные периоды, в которых происходит дальнейшее формирование и созревание органов.

I. Ювенильный период (до полового созревания). Он протекает в зависимости от типа онтогенеза. В этом периоде различают прямое и непрямое развитие. Прямое развитие характерно для организмов с неличиночным и внутриутробным типом развития, непрямое – для организмов с личиночным типом развития.

При?прямом развитии рождающийся организм имеет все органы, свойственные взрослому животному. Прямое (неличиночное) развитие характерно для рыб, пресмыкающихся и птиц, а также беспозвоночных, яйца которых богаты желтком, т. е. питательным материалом, достаточным для завершения онтогенеза. Прямое развитие осуществляется у высших млекопитающих (внутриутробный тип развития) и происходит не за счет питательных веществ яйцеклетки, а благодаря поступлению их из материнского организма. В связи с этим из тканей матери и зародыша образуются сложные провизорные органы, в первую очередь плацента.

Многим видам животных присуще?непрямое развитие?(развитие с превращением — метаморфозом). В этом случае эмбриональное развитие приводит к образованию личинки, которая значительно отличается по внешнему и внутреннему строению от взрослого организма, а затем?куколки.?Куколка, как правило, неподвижна, она не питается. Из нее развивается полностью сформировавшееся взрослое насекомое. В этом случае говорят о?полном превращении?(бабочки, мухи, комары, стрекозы). У насекомых с?неполным превращением?происходит постепенное изменение личинки, сходной со взрослым организмом, сопровождающееся линьками и увеличением размеров; стадия куколки отсутствует (кузнечик, саранча, клопы, вши, стрекозы).

Таблица 2. Насекомые с неполным и полным превращением

Насекомые с неполным превращением Насекомые с полным превращением

Отряд Прямокрылые (кузнечики, сверчки, саранча, медведки) Отряд Сетчатокрылые (муравьиный лев, златоглазка)

Отряд Таракановые (чёрный таракан, рыжий прусак, американский таракан) Отряд Жуки, или жесткокрылые (жужелицы, жуки, короеды, долгоносики)

Отряд Богомолы (богомолы) Отряд Чешуекрылые, или бабочки (капустная белянка, «мёртвая голова», шелкопряд, комнатная моль, мучная моль)

Отряд Привидениевые (палочник, листотелы) Отряд Двукрылые (мухи, комары, москиты, мошки)

Отряд Блохи (собачья блоха)

Отряд Перепончатокрылые (пчёлы, осы, муравьи, наездники)

Отряд Пухоеды (собачья вошь)

Отряд Вши (головная вошь, платяная вошь)

Отряд Членистохоботные (цикады, листоблошки, червецы, тли)

В подтипе позвоночных животных развитие с метаморфозом свойственно рыбам и амфибиям. Например, у лягушки из икринки развивается личинка (головастик), которая по строению, образу жизни и среде обитания резко отличается от взрослых животных. Так, у головастика имеются жабры, орган боковой линии, хвост, двухкамерное сердце, один, как у рыб, круг кровообращения. По достижении личинкой определенного уровня развития происходит ее метаморфоз, в процессе которого вырабатываются признаки взрослого организма. Так головастик превращается в лягушку. Наличие личиночной стадии в развитии земноводных обеспечивает им возможность жить в разной среде и использовать разные источники пищи: головастик живет в воде и питается растительной пищей, а лягушка ведет в основном наземный образ жизни и питается животной пищей. Такое явление наблюдается у многих насекомых. Смена среды обитания и, как следствие, смена образа жизни животного при переходе его от личиночной стадии к взрослому организму снижает интенсивность борьбы за существование внутри вида. Кроме того, у некоторых прикрепленных, малоподвижных или паразитических животных свободноплавающая личинка способствует расселению вида, расширению его ареала.

Переход функциональных систем на режим взрослого организма характеризуется интенсивным ростом органов и частей организма, установлением соответствующих пропорций тела. Выделяют два типа роста организма в процессе индивидуального развития:

1. Ограниченный, или определённый. Рост приурочен к определённым стадиям онтогенеза. Например, насекомые растут только в короткий период линек. У человека рост уже прекращается в возрасте около 15 лет. В период полового созревания наблюдается пубертатный скачок роста.

2. Неограниченный, или неопределённый. Такой тип роста наблюдается, например, у рыб, которые растут на протяжении всей жизни.

Рост, с одной стороны, контролируется генетически, а с другой, – зависит от условий, в которых протекает развитие.

II. Зрелый, или пубертатный, период. Характеризуется наибольшей самостоятельной активностью организма в окружающей среде.

III. Период старости. Старение – общебиологическая закономерность, свойственная всем живым организмам. Состояние старости в биологическом понимании достигается благодаря изменениям, составляющим содержание процесса старения. Эти изменения распространяются на все функциональные системы и обнаруживаются на любом структурно-функциональном уровне организации – будь то молекулярный, клеточный, тканевый, органный и организменный. Таким образом, биологический смысл старения заключается в том, что он делает неизбежной смерть. Смерть представляет собой универсальный механизм ограничения определённым пределом участия многоклеточных организмов в репродукции себе подобных. Без смерти не было бы смены поколений – одной из главных предпосылок эволюционного процесса.

Структуры организма образуются не только во время эмбриогенеза и роста организма, но и взамен утраченных участков тела. Регенерация – способность?живых?организмов со временем восстанавливать повреждённые ткани, а иногда и целые потерянные?органы. Различают физиологическую и репаративную регенерацию.

Физиологическая регенерация – это процессы обновления функционирующих тканей и органов. Например, замена слущивающихся поверхностных слоёв кожи новыми, регенерация эпителия матки в связи с менструациями, смена перьев или шерстяного покрова.

Репаративная регенерация – процессы восстановления частей тела, происходящие после различного рода повреждений. Например, восстановление органа на месте повреждённого, образование рубца на месте кожной раны.

Нимфы одиночной (вверху) и стадной (внизу) фаз пустынной саранчи

семейство Настоящие саранчовые (Acrididae)

Acrididae на ВикискладеСаранча в Викисловаре

Слово заимствовано из тюркских языков (согласно этимологическому словарю Фасмера из тюрк. sarynča — то же, производного от sary(ɣ) «жёлтый» (ср. тур. ), saryǯа «желтоватый»; ср. кыпч. sarynčqa — то же, saryǯqa (XIII век)).

Саранча встречается практически повсеместно, за исключением самых холодных районов.

Стадная и одиночная (кобылки) фазы саранчи имеют значительные различия, как во внешнем виде и физиологии, так и в характере поведения. Две эти фазы различаются настолько, что представители одиночной и стадной фазы Locusta (=Pachytylus) были описаны К. Линнеем как два вида L. danica и L. migratoria соответственно (вообще же в XIX – начале XX в. некоторые систематики насчитывали до 10 видов в роде Locusta).

Саранча в Библии

Изображение саранчи в гробнице Хоремхеба, XV век до н. э.

Нашествие саранчи на село Промысловка, Астраханская область, август 2011 года

Бывают стаи саранчи, насчитывающие несколько миллиардов особей. Они образуют «летучие облака» или «тучи», площадь которых может достигать 1000 км2, а общая масса 2-3 тыс. тонн.

23 мая — Летела, летела

24 мая — И села

25 мая — Сидела, сидела

26 мая — Всё съела

27 мая — Опять улетела.