Естествознание
10 класс

§ 72. Самоорганизация в развитии организмов

Курица — это то. что необходимо
яйцу для производства других яиц.
С. Батлер

Что такое онтогенез? Каковы основные этапы индивидуального развития и их особенности? Как образуются экто-, энто- и мезодерма? Как осуществляется регуляция онтогенеза?

Урок-лекция

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ - ОНТОГЕНЕЗ. Всем живым существам свойственен процесс индивидуального развития, или онтогенез. У многоклеточных организмов, размножающихся половым путем, под этим подразумевают процесс развития особи начиная с зиготы и до ее естественной смерти. На первом этапе благодаря интенсивным митотическим делениям происходит нарастание количества клеток, входящих в состав развивающегося организма. Процесс этот сопровождается дифференцировкой клеток, в результате чего формируются различные ткани и органы взрослого организма. Весь ход онтогенеза базируется на заложенной в хромосомах зиготы «генетической программе», на реализацию которой, особенно на ранних этапах развития, существенное влияние оказывают факторы окружающей среды.

Индивидуальное развитие свойственно и организмам, возникающим в результате бесполого размножения. У одноклеточных образующиеся при делении материнской особи клетки меньше ее по размерам, лишены ряда органелл, которые формируются лишь с течением времени одновременно с увеличением объема цитоплазмы. Достигнув зрелого состояния, эти клетки делятся и дают начало следующему поколению одноклеточных особей. И хотя естественной смерти при этом не происходит, индивидуальным развитием особи можно считать период от одного деления до другого.

У размножающихся бесполым путем многоклеточных организмов онтогенез выражен более отчетливо. У гидры, например, этот процесс начинается с момента зарождения почки на материнском организме и происходит до смерти дочерней особи.

ЭТАПЫ ОНТОГЕНЕЗА. Онтогенез многоклеточных животных, размножающихся половым путем, отчетливо распадается на последовательные этапы: зигота → эмбриональный период → рождение особи → постэмбринальный опериод → естественная смерть. Этап эмбрионального развития начинается с дробления зиготы. Это ряд последовательных митотических делений яйцеклетки, в ходе которых она, не увеличиваясь в размерах, разделяется на все более мелкие клетки — бластомеры. В результате возникает бластула. В типичном случае она представляет собой полый шар, стенка которого образована одним слоем клеток (рис. 91, а), а внутренняя полость заполнена жидкостью.

Рис. 91. Бластула (а) и два способа образования гаструлы (б, в)

Следующим шагом в эмбриональном развитии является формирование гаструлы. Способы ее образования, так называемая гаструляция. различны. Самые распространенные из них — это миграция некоторых клеток бластулы внутрь (рис 91, б) либо впячивание клеточного слоя на одном из ее полюсов (рис. 91, в). В итоге образуется двуслойный зародыш — гаструла, наружный слой которого представляет собой эктодерму, а внутренний — энтодерму.

У всех животных, за исключением губок и кишечнополостных, в конце гаструляции появляется еще один слой клеток — мезодерма, располагающийся между эктодермой и энтодермой (рис. 92).

Рис. 92. Образование трехслойного зародыша

В результате эмбрионального развития формируется организм, который способен к самостоятельному существованию. Рождение новой особи происходит или при вылуплении из яйца (у яйцекладущих животных), или при выходе из тела матери (у живородящих). С этого момента начинается постэмбриональный период в развитии организма.

Продолжительность жизни особей, по-видимому, генетически запрограммирована. Поэтому с определенного момента начинается старение организма, завершающееся его естественной смертью. Процесс старения характеризуется структурно-функциональными изменениями в организме, которые накапливаются с течением времени. В какой-то момент функционирование системы в целом оказывается невозможным, и наступает смерть.

Общепринятого объяснения механизмов, лежащих в основе процессов старения, нет. Существуют многочисленные гипотезы, в большинстве из которых причины старения связывают с возрастными изменениями в генетическом аппарате клеток.

РЕГУЛЯЦИЯ ОНТОГЕНЕЗА. Вопрос о том, как из оплодотворенного яйца вырастает целый организм, волнует людей издавна и до сих пор остается одним из центральных в биологии. Долгое время господствовали взгляды преформизма, согласно которому процесс развития — это просто рост органов организма, уже сформированного (преформированного) в половых клетках (рис. 93).

Рис. 93. Иллюстрация взглядов преформистов

В противовес преформизму в середине XVIII в. была предложена теория эпигенеза, в соответствии с которой развитие организма происходит не из преформированных органов, а из просто устроенного зародыша в результате последовательных новообразований. Подойти к решению проблемы регуляции онтогенеза стало возможным лишь с развитием современной экспериментальной биологии и генетики.

Прежде всего было установлено, что специализация клеток при развитии организма не сопровождается потерей части генов, содержащихся в зиготе. Группе шотландских ученых в 1997 г. удалось вырастить нормально сформированную овцу из яйцеклетки, собственное ядро которой было удалено, а вместо него пересажено ядро, выделенное из клетки молочной железы овцы другой породы. Эти опыты, которые были впоследствии повторены на мышах и овцах, еще раз убеждают в том, что в ходе нормального развития необратимых модификаций генетического материала не происходит.

Описанные опыты открывают путь для практически не ограниченного вегетативного размножения индивидуума путем пересадки ядер его клеток в яйцеклетки другого организма. В результате одна особь может дать начало огромному числу идентичных потомков — клонов. Процесс этот носит название клонирование. Не вызывает сомнения и принципиальная возможность клонирования человека.

В настоящее время работы в этом направлении во многих странах запрещены в законодательном порядке. Однако вопрос о клонировании человека обязательно возникнет.

Если при дифференциации клеток, как правило, не возникает генетических модификаций, то как же осуществляется регуляция онтогенеза? По современным представлениям этот процесс обусловливается дифференциальной активностью генов. Это означает, что в разных клетках развивающегося зародыша активна лишь часть генов. Остальные хотя и присутствуют, но находятся в «выключенном» состоянии, и с них не считывается информация в виде мРНК. В одних клетках функционируют одни гены, в других — другие. В ходе деления этих клеток возникают различным образом дифференцированные клетки, а на их основе строятся ткани и формируются органы.

Молекулярные механизмы, которые регулируют активацию тех или иных генов, сложны и изучены пока еще недостаточно. Известно, что в яйцеклетках, как и в других клетках организма, присутствуют белки, которые могут «открывать» или «запирать» определенные гены. Такой белок взаимодействует с регулируемым им геном и в зависимости от характера регуляции либо делает возможным начало транскрипции с него мРНК (см. § 51), либо, наоборот, препятствует этому.

В яйцеклетке различные регуляторные белки концентрируются в разных участках цитоплазмы. Поэтому при дроблении зиготы они неодинаково распределяются между бластомерами. Соответственно и клетки, которые развиваются из этих бластомеров, будут различаться. На более поздних этапах развития зародыша проявляются взаимодействия между клетками разных типов и разными частями развивающегося организма за счет выделения клетками особых веществ — индукторов, оказывающих влияние на клетки других типов. На завершающих этапах эмбрионального развития и в течение постэмбрионального периода все большее значение приобретает гормональная регуляция активности генов.

На разных этапах онтогенеза существенное регулирующее влияние на него оказывают факторы внешней среды (температура, гравитация, различные химические и физические агенты). В этих точках зародыш как раз и проходит через бифуркации, поэтому даже воздействие факторов малой интенсивности может сказаться на ходе дальнейшего развития. Значимое влияние окружающей среды на реализацию генетической программы при развитии организма приводит к тому, что даже особи с одинаковым генотипом (например, клоны) не будут все же полностью идентичны друг другу.

В ряде случаев воздействие факторов внешней среды может приводить к аномалиям в развитии организма. Изучением возникающих при этом пороков и уродств, а также выяснением причин их появления и роли в этом факторов окружающей среды занимается самостоятельный раздел медико-биологических наук — тератология.

Относительно недавно выяснилось, что большинство клеток животных несет в своем генетическом аппарате и программу самоубийства. Такая генетически запрограммированная смерть клеток получила название апоптоз. Активируется программа саморазрушения в том случае, когда данная клетка уже не нужна организму либо серьезно повреждена.

Апоптоз играет важную роль в развитии организма и регуляции его клеточного состава. Он служит защитным механизмом для удаления отработавших свое или ненужных на данном этапе онтогенеза клеток, а также потенциально опасных, например инфицированных вирусами, мутантных или опухолевых. В клетках злокачественных опухолей программа апоптоза может блокироваться. Это одна из причин, по которой они не имеют пределов в своем размножении.

Исследования показывают, что развитие живого организма из яйцеклетки проходит несколько точек бифуркации. Именно поэтому алкоголь, никотин и некоторые лекарства в дозах, практически не оказывающих влияния на взрослый организм человека, могут отрицательно сказаться на развитии плода. Учтите это в вашей дальнейшей жизни.

В процессе индивидуального развития (онтогенеза) живые организмы проходят ряд последовательных стадий, начиная с зиготы и заканчивая естественной смертью. В ходе дифференциации клеток их генетический аппарат сохраняется в полном объеме, что открывает возможности для клонирования. Регуляция онтогенеза основана на дифференциальной активации генов в разных клеточных линиях. Важную регулирующую роль на этапах раннего развития играют факторы внешней среды.

  • Каким может быть воздействие факторов внешней среды на ранние этапы онтогенеза?
  • Каково значение развития с метаморфозом?
  • Какие особенности дифференциации клеток в онтогенезе делают возможным клонирование?

Рейтинг@Mail.ru