Многоклеточные организмы более биологически успешны потому что многоклеточность
Многоклеточные организмы: признаки и развитие
Живой мир наполнен головокружительным множеством живых существ. Большинство организмов состоят только из одной клетки и не видимы невооруженным глазом. Многие из них становятся заметными исключительно под микроскопом. Другие, такие как кролик, слон или сосна, а также человек, сделаны из многих клеток, и эти многоклеточные организмы также в огромном количестве населяют весь наш мир.
Строительные блоки жизни
Структурными и функциональными единицами всех живых организмов являются клетки. Их еще называют строительными блоками жизни. Все живые организмы состоят из клеток. Эти структурные единицы были открыты Робертом Гуком еще в 1665 году. В организме человека насчитывается около ста триллионов клеток. Размер одной составляет около десяти микрометров. Ячейка содержит клеточные органеллы, которые контролируют ее активность.
Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы. Первые состоят из одной клетки, например бактерии, а вторые включают растения и животных. Количество ячеек зависит от вида. Размер большинства клеток растений и животных клетках составляет от одного до ста микрометров, поэтому они видны под микроскопом.
Одноклеточные организмы
Самые маленькие составляют около трехсот нанометров, а некоторые могут достигать размеров до двадцати сантиметров. Такие организмы обычно имеют реснички и жгутики, которые помогают им при перемещении. Они имеют простой корпус с базовыми функциями. Размножение может быть как бесполое, так и половое. Питание осуществляется обычно в процессе фагоцитоза, где частицы еды поглощаются и хранятся в специальных вакуолях, которые присутствуют в организме.
Живые существа, состоящие из более чем одной клетки, называются многоклеточными. Они состоят из единиц, которые идентифицируются и присоединяются друг к другу, образуя сложные многоклеточные организмы. Большинство из них видны невооруженным глазом. Такие организмы, как растения, некоторые животные и водоросли, появляются из одной клетки и вырастают в многоцепочечные организации. Обе категории живых существ, прокариоты и эукариоты, могут проявлять многоклеточность.
Механизмы возникновения многоклеточности
Существует три теории для обсуждения механизмов, с помощью которых может возникнуть многоклеточность:
Преимущества многоклеточности
Примеры многоклеточных организмов
Как уже говорилось выше, многоклеточные организмы бывают двух видов: прокариоты и эукариоты. К первому относят в основном бактерий. Некоторые цианобактерии, такие как чара или спирогира, являются также многоклеточными прокариотами, иногда их называют еще колониальными. Большинство эукариотических организмов также состоят из множества единиц. Они имеют хорошо развитую структуру тела, и у них есть специальные органы для выполнения определенных функций. Большинство хорошо развитых растений и животных являются многоклеточными. Примерами могут быть практически всех виды голосеменных и покрытосеменных растений. Почти все животные являются многоклечточными эукариотами.
Особенности и признаки многоклеточных организмов
Существует масса признаков, по которым можно с легкостью определить, является ли организм многоклеточным или нет. Среди можно выделить следующие:
Как растут многоклеточные организмы?
Все существа, от маленьких растений и насекомых до больших слонов, жирафов и даже людей, начинают свой путь как единичные простые клетки, называемые оплодотворенными яйцами. Чтобы вырасти в большой взрослый организм, они проходят через несколько определенных этапов развития. После оплодотворения яйца начинается процесс многоклеточного развития. На протяжении всего пути происходит рост и многократное деление отдельных ячеек. Эта репликация в конечном итоге создает конечный продукт, который является сложным, полностью сформированным живым существом.
Разделение клеток создает ряд сложных моделей, определяющихся геномами, которые являются практически идентичными во всех клетках. Это разнообразие приводит к экспрессии генов, которая контролирует четыре стадии развития клеток и эмбрионов: пролиферацию, специализацию, взаимодействие и движение. Первая включает в себя репликацию многих клеток из одного источника, вторая имеет отношение к созданию клеток с выделенными, определенными характеристиками, третья включает в себя распространение информации между ячейками, а четвертая отвечает за размещение клеток по всему телу для образования органов, тканей, костей и других физических характеристик развитых организмов.
Несколько слов о классификации
Среди многоклеточных существ выделяют две большие группы:
Важным этапом за всю историю планеты стало появление многоклеточности в процессе эволюционного развития. Это послужило мощным толчком для увеличения биологического разнообразия и его дальнейшего развития. Главным признаком многоклеточного организма является четкое распределение клеточных функций, обязанностей, а также установка и налаживание устойчивых и прочных контактов между ними. Другими словами, это многочисленная колония клеток, которая в силах сохранять фиксированное положение на протяжении всего жизненного цикла живого существа.
Многоклеточные организмы: характеристики, функции и примеры
Содержание:
А многоклеточный организм это живое существо, состоящее из множества клеток. Также часто используется термин многоклеточный. Органические существа, которые нас окружают и за которыми мы можем наблюдать невооруженным глазом, многоклеточны.
Наиболее заметной характеристикой этой группы организмов является уровень структурной организации, которым они обладают. Клетки, как правило, специализируются на выполнении очень специфических функций и группируются в ткани. По мере того, как мы усложняемся, ткани образуют органы, а органы образуют системы.
Эта концепция противоположна концепции одноклеточных организмов, которые состоят из одной клетки. К этой группе относятся, среди прочего, бактерии, археи, простейшие. В этой большой группе организмы должны сосредоточить все основные жизненные функции (питание, размножение, обмен веществ и т. Д.) В одной клетке.
Происхождение и эволюция
Многоклеточность эволюционировала в различных линиях эукариот, что привело к появлению растений, грибов и животных. Согласно имеющимся данным, многоклеточные цианобактерии возникли на раннем этапе эволюции, а впоследствии другие многоклеточные формы появились независимо в разных эволюционных линиях.
Очевидно, что переход от одноклеточного к многоклеточному образованию происходил на ранних этапах эволюции и неоднократно. По этим причинам логично предположить, что многоклеточность представляет собой сильные селективные преимущества для органических существ. Позже мы подробно обсудим преимущества многоклеточности.
Чтобы получить этот феномен, необходимо было сделать несколько теоретических предположений: адгезии между соседними клетками, коммуникация, кооперация и специализация между ними.
Предшественники многоклеточных организмов
Подсчитано, что многоклеточные организмы произошли от своих одноклеточных предков около 1,7 миллиарда лет назад. В этом наследственном событии некоторые одноклеточные эукариотические организмы сформировали разновидности многоклеточных агрегатов, которые, по-видимому, представляют собой эволюционный переход от организмов клетки к многоклеточным.
Сегодня мы наблюдаем живые организмы, которые демонстрируют такой образец кластеризации. Например, зеленые водоросли рода Volvox они объединяются со своими сверстниками, образуя колонию. Считается, что должен был существовать предшественник, похожий на Volvox из которых возникли нынешние растения.
Увеличение специализации каждой клетки может привести к тому, что колония станет настоящим многоклеточным организмом. Однако для объяснения происхождения одноклеточных организмов можно применить и другой взгляд. Чтобы объяснить оба способа, мы будем использовать два примера из существующих видов.
Вольвокообразные
Эта группа организмов состоит из конфигураций клеток. Например, организм рода Гониум Он состоит из плоской «пластинки», содержащей от 4 до 16 клеток, каждая со своим жгутиком. Пол Пандорина, со своей стороны, это сфера из 16 ячеек. Таким образом, мы находим несколько примеров, когда количество ячеек увеличивается.
Есть роды, которые демонстрируют интересный образец дифференциации: каждая клетка в колонии играет «роль», как и в организме. В частности, соматические клетки делятся от половых клеток.
Диктиостелиум
Другой пример многоклеточного устройства у одноклеточных организмов находится в роде Диктиостелиум. Жизненный цикл этого организма включает половую и бесполую фазы.
Во время бесполого цикла одиночная амеба развивается на гниющих бревнах, питается бактериями и размножается путем бинарного деления. Во время нехватки пищи значительное количество этих амеб объединяется в слизистое тело, способное передвигаться в темноте и влажной среде.
Оба примера живых видов могут быть возможным показателем того, как возникла многоклеточность в древние времена.
Преимущества многоклеточности
Это правда, что природа экспериментировала с относительно крупными одноклеточными формами, такими как одноклеточные водоросли, но эти случаи редки и очень редки.
Одноклеточные организмы добились успеха в эволюционной истории живых существ. Они составляют более половины от общей массы живых организмов и успешно колонизировали самые экстремальные условия. Однако в чем преимущества многоклеточного тела?
Оптимальная площадь поверхности
Почему большой организм состоит из мелких клеток лучше, чем большая клетка? Ответ на этот вопрос связан с площадью поверхности.
Поверхность клетки должна быть способной опосредовать обмен молекулами изнутри клетки во внешнюю среду. Если клеточная масса разделена на мелкие единицы, площадь поверхности, доступная для метаболической активности, увеличивается.
Специализация
С биохимической точки зрения многие одноклеточные организмы универсальны и способны синтезировать практически любую молекулу, исходя из очень простых питательных веществ.
Более того, если «часть» тела поражена или умирает, это не приводит к смерти всего человека.
Колонизация ниш
Многоклеточные организмы лучше приспособлены к жизни в определенных средах, которые были бы полностью недоступны для одноклеточных форм.
Самый необычный набор приспособлений включает те, которые позволили колонизировать землю. В то время как одноклеточные организмы живут в основном в водной среде, многоклеточные формы сумели колонизировать землю, воздух и океаны.
Разнообразие
Одним из последствий того, что они состоят из более чем одной клетки, является возможность представить себя в разных «формах» или морфологиях. По этой причине многоклеточность приводит к большему разнообразию органических существ.
В этой группе живых существ мы находим миллионы форм, специализированных систем органов и моделей поведения. Это обширное разнообразие увеличивает количество типов окружающей среды, которые организмы способны использовать.
Возьмем, к примеру, членистоногих. Эта группа представляет собой огромное разнообразие форм, которым удалось колонизировать практически все среды обитания.
характеристики
Организация
Многоклеточные организмы характеризуются прежде всего иерархической организацией своих структурных элементов. Кроме того, у них есть эмбриональное развитие, жизненные циклы и сложные физиологические процессы.
Таким образом, живая материя представляет собой разные уровни организации, где, поднимаясь с одного уровня на другой, мы обнаруживаем нечто качественно иное, и у него есть свойства, которых не было на предыдущем уровне. Более высокие уровни организации содержат все нижние. Таким образом, каждый уровень является составной частью более высокого порядка.
Дифференциация клеток
Типы клеток, из которых состоят многоклеточные существа, отличаются друг от друга, поскольку они синтезируют и накапливают различные типы РНК и белковых молекул.
Они делают это без изменения генетического материала, то есть последовательности ДНК. Независимо от того, насколько разные клетки у одного человека, у них одинаковая ДНК.
Этот феномен был доказан благодаря серии классических экспериментов, в которых ядро полностью развитой клетки лягушки вводится в яйцеклетку, ядро которой было удалено. Новое ядро способно направлять процесс развития, и в результате получается нормальный головастик.
Подобные эксперименты были проведены на растительных организмах и млекопитающих, и были получены те же выводы.
У людей, например, мы находим более 200 типов клеток с уникальными характеристиками с точки зрения их структуры, функций и метаболизма. Все эти клетки происходят из одной клетки после оплодотворения.
Образование ткани
Многоклеточные организмы состоят из клеток, но они не сгруппированы случайным образом для образования однородной массы. Напротив, клетки имеют тенденцию к специализации, то есть они выполняют определенную функцию в организме.
Клетки, которые похожи друг на друга, сгруппированы вместе на более высоком уровне сложности, называемом тканями. Клетки удерживаются вместе особыми белками и межклеточными соединениями, которые устанавливают связи между цитоплазмами соседних клеток.
Ткани животных
У более сложных животных мы находим ряд тканей, которые классифицируются в соответствии с их функцией и клеточной морфологией их компонентов: мышечная, эпителиальная, соединительная или соединительная и нервная ткань.
Мышечная ткань состоит из сократительных клеток, которые способны преобразовывать химическую энергию в механическую энергию и связаны с функциями подвижности. Они подразделяются на скелетные, гладкие и сердечные мышцы.
Эпителиальная ткань отвечает за выстилку органов и полостей. Они также входят в паренхиму многих органов.
Наконец, нервная ткань отвечает за восприятие внутренних или внешних раздражителей, которые получает организм, и за преобразование их в нервный импульс.
Ткани многоклеточных животных обычно устроены подобным образом. Однако морские или пористые губки, которые считаются простейшими многоклеточными животными, имеют очень специфическую схему.
Ткани в растениях
У растений клетки сгруппированы в ткани, которые выполняют определенную функцию. Их особенность заключается в том, что есть только один тип ткани, в которой клетки могут активно делиться, и это меристематическая ткань. Остальные ткани называют взрослыми, и они утратили способность делиться.
Они классифицируются как защитные ткани, которые, как следует из названия, несут ответственность за защиту тела от высыхания и любого механического износа. Он подразделяется на эпидермальную и пробковую ткань.
Основные ткани или паренхима составляют большую часть тела растительного организма и заполняют внутреннюю часть тканей. В этой группе мы находим ассимилирующую паренхиму, богатую хлоропластами; к резервной паренхиме, типичной для плодов, корней и стеблей, а также к паренхиме, проводящей соли, воду и выработанный сок.
Формирование органа
На более высоком уровне сложности мы находим органы. Один или несколько типов тканей связаны, чтобы дать начало органу. Например, сердце и печень животных; и листья и стебли растений.
Системное обучение
На следующем уровне у нас есть группировка органов. Эти структуры сгруппированы в системы для управления конкретными функциями и скоординированной работы. Среди наиболее известных систем органов у нас есть пищеварительная система, нервная система и система кровообращения.
Формирование организма
Группируя системы органов вместе, мы получаем дискретный и независимый организм. Наборы органов способны выполнять все жизненно важные функции, рост и развитие, чтобы поддерживать организм в живых.
Жизненно важные функции
Жизненно важная функция органических существ включает процессы питания, взаимодействия и воспроизводства. Многоклеточные организмы демонстрируют очень разнородные процессы в рамках своих жизненных функций.
Репродукция тоже очень разнообразна. У растений и животных есть виды, способные к размножению половым или бесполым путем, либо к обоим репродуктивным модальностям.
Примеры
Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество
Наблюдения за эволюцией бактерий в пробирке навеяли микробиологу Полу Рейни оригинальную идею о происхождении многоклеточности. По его мнению, тело многоклеточного организма (сома) могло возникнуть благодаря кооперации клеток, жертвующих собственным репродуктивным потенциалом ради блага колонии, а половые клетки (герма) образовались из клеток-обманщиков, которые пользовались преимуществами жизни в колонии, но не делали личного вклада в ее процветание.
Одно из перспективных направлений современной микробиологии — это экспериментальное изучение эволюции бактерий. Пол Рейни (Paul B. Rainey) из Оклендского университета (Новая Зеландия) — крупный специалист в этой области. Одним из его любимых объектов является бактерия Pseudomonas fluorescens из группы гамма-протеобактерий, которая, если предоставить ей необходимый минимум условий, охотно эволюционирует прямо на глазах у исследователей, осваивая новые ниши и вырабатывая различные оригинальные адаптации.
В жидкой питательной среде бактерии развиваются сначала как одиночные, подвижные клетки, постепенно занимая всю толщу бульона. Когда в среде становится мало кислорода, получают преимущество бактерии-мутанты, образующие пленку на поверхности среды. Наблюдения за развитием таких колоний навели Рейни на любопытные идеи по поводу происхождения многоклеточности, которыми он поделился с читателями на страницах последнего номера журнала Nature.
В многоклеточном организме большинство клеток (так называемые соматические клетки) не передают своих генов следующим поколениям. Они размножаются делением, но только как часть целого организма, который рано или поздно погибает. Соматические клетки — своеобразный «эволюционный тупик», если смотреть на ситуацию с точки зрения индивидуальных клеток. Они как бы жертвуют личными интересами для блага целого — точно так же, как рабочие особи у общественных насекомых.
Вопрос в том, каким образом популяция индивидуальных клеток могла превратиться в единую систему, размножающуюся как целое. Почему естественный отбор перестал эффективно работать на уровне индивидуальных клеток и стал действовать на уровне клеточных популяций?
В основе этого превращения, конечно, лежит кооперация между клетками, основанная на том, что в определенных ситуациях индивидууму становится выгодно немного поступиться сиюминутными личными интересами ради коллектива. У Pseudomonas «коллектив» образуется из бактерий-мутантов, которые выделяют повышенное количество веществ, способствующих склеиванию клеток. Такие бактерии после деления не могут «отклеиться» друг от друга. Фокус тут в том, что одиночные клетки барахтаются в толще бульона, а склеившиеся всплывают на поверхность, где кислорода гораздо больше. В результате образуется пленка («бактериальный мат») на поверхности среды. Производство клея — дело дорогостоящее, однако общая награда (кислород) с лихвой покрывает расходы.
Возникновение подобных колоний — само по себе большое эволюционное достижение, но до настоящего многоклеточного организма тут еще очень далеко. Колонии недолговечны, а главное — неспособны размножаться как единое целое. Отбор в них по-прежнему действует на индивидуальном, а не на групповом уровне. Он благоприятствует клеткам-«жуликам», то есть мутантам, которые перестают производить клей, однако продолжают пользоваться преимуществами жизни в группе. Нет никаких механизмов, которые препятствовали бы такому жульничеству. Безнаказанность способствует быстрому размножению обманщиков, что вскоре приводит к разрушению колонии.
Рейни предположил, что ключевым моментом в возникновении многоклеточного организма должна быть выработка механизма борьбы с клетками-обманщиками. Но как может возникнуть такой механизм, если не работает отбор на уровне групп? Чтобы заработал групповой отбор, колония должна научиться размножаться как единое целое — иными словами, должно произойти разделение клеток колонии на вегетативные (сому) и генеративные (герму). Колонии бактерий, о которых идет речь, представляют собой как бы одну сплошную сому, то есть эволюционный тупик.
Таким образом, для возникновения многоклеточности должны быть выполнены три условия: 1) кооперация, 2) механизм борьбы с обманщиками, 3) коллективное размножение. Причем все три эволюционные инновации должны развиться более или менее одновременно, что кажется очень маловероятным.
Рейни предлагает следующий сценарий выхода из этого тупика. Если колония, не способная размножаться как целое, подобна соме, то в клетках-обманщиках можно увидеть прообраз гермы. Хотя их размножение губительно для колонии, они, в принципе, могут взять на себя роль тех «семян», из которых будут развиваться новые колонии. Обманщики действительно могут уплыть из колонии, когда захотят — ведь они не приклеены к ней, в отличие от «честных» бактерий.
Если бы обманщики могли давать начало новым колониям, это создало бы предпосылки для группового отбора, который, в свою очередь, смог бы контролировать количество производимых колонией обманщиков. Допустим, в одних колониях мутации, приводящие к возникновению обманщиков, происходят часто, а в других — редко. Если число обманщиков растет слишком быстро, колония будет очень недолговечной, а с ее распадом теряют все свои преимущества и сами обманщики. Поэтому такая колония в конечном счете произведет меньше обманщиков, то есть оставит меньше потомства, чем та, в которой скорость производства обманщиков ниже. Таким образом, отбор, действующий теперь на уровне групп, в принципе может контролировать темп производства обманщиков, и в результате они из эгоистичных паразитов превратятся в неотъемлемую часть целостного организма — генеративные клетки (герму).
Чтобы предложенная модель работала, обманщики должны с высокой частотой мутировать обратно в клетки, выделяющие клей. Иначе никаких новых колоний из них не получится. В лабораторных популяциях, с которыми работает Рейни, такая способность у обманщиков имеется.
Впрочем, совершенно ясно, что прогрессивное развитие многоклеточных форм не может далеко продвинуться на основе случайной мутационной изменчивости — пусть даже скорость и направленность мутагенеза регулируются отбором (направленность мутагенеза может состоять в том, что мутируют или перестраиваются совершенно определенные гены, а не все подряд — это явление широко распространено, — однако характер изменений в этих генах всё равно остается случайным). Чтобы предложенная схема заработала эффективно, мутационная изменчивость должна смениться модификационной. Это значит, что клетки должны обрести способность становиться «честными» (соматическими) или «обманщиками» (генеративными) за счет регуляции активности генов, не внося наследуемых изменений в геном.
Возможно, именно по этой причине бактериям так и не удалось выработать настоящую многоклеточность, хотя они многократно подходили буквально вплотную к этому. Эукариоты, по имеющимся оценкам, достигали многоклеточного уровня организации как минимум 24 раза независимо в разных эволюционных ветвях.
Источник: Paul B. Rainey. Unity from conflict // Nature. 2007. V. 446. P. 616.
Происхождение, характеристики, формирование и эволюция первых многоклеточных организмов
первые многоклеточные организмы, Согласно одной из наиболее принятых гипотез, они начали группироваться в колониях или в симбиотических отношениях. С течением времени взаимодействие между членами колонии стало сотрудничать и приносило пользу всем.
Постепенно каждая ячейка проходила процесс специализации для конкретных задач, увеличивая степень зависимости от своих партнеров. Это явление имело решающее значение в эволюции, позволяя существовать сложным существам, увеличивать их размеры и принимать различные системы органов..
Почему многоклеточные организмы?
Переход от одноклеточных к многоклеточным организмам является одним из самых волнующих и обсуждаемых вопросов среди биологов. Однако, прежде чем обсуждать возможные сценарии, которые привели к многоклеточности, мы должны спросить себя, почему необходимо или полезно быть организмом, состоящим из множества клеток.
Размер ячейки и отношение объема поверхности (S / V)
Средняя клетка, которая является частью тела овоща или животного, имеет диаметр от 10 до 30 микрометров. Организм не может увеличиваться в размерах, просто увеличивая размер отдельной клетки из-за ограничений, накладываемых взаимосвязью между поверхностью и объемом..
Различные газы (такие как кислород и углекислый газ), ионы и другие органические молекулы должны входить и выходить из клетки, пересекая поверхность, ограниченную плазменной мембраной.
Оттуда он должен распространяться по всему объему клетки. Таким образом, соотношение между поверхностью и объемом ниже в больших ячейках, если сравнить его с тем же параметром в больших ячейках.
Очень большая ячейка имеет ограниченную поверхность обмена
Напротив, если мы возьмем один и тот же куб и разделим его на 8 кубов по два сантиметра, соотношение будет 3/1.
Поэтому, если организм увеличивает свой размер, что полезно в нескольких аспектах, таких как поиск пищи, передвижение или бегство от хищников, предпочтительно делать это путем увеличения числа клеток и, таким образом, поддерживать подходящую поверхность для обменные процессы.
Преимущества многоклеточного организма
Преимущества многоклеточного организма выходят за рамки простого увеличения размера. Многоклеточность позволила увеличить биологическую сложность и сформировать новые структуры.
Это явление позволило эволюции очень сложных путей сотрудничества и взаимодополняемости поведения между биологическими объектами, которые составляют систему.
Недостатки многоклеточного организма
Какими были первые многоклеточные организмы?
По словам некоторых авторов, начало многоклеточности уходило в глубокое прошлое, более 1000 миллионов лет назад (например, Selden & Nudds, 2012)..
Поскольку формы переходов плохо сохранились в окаменелостях, мало что известно о них, а также о физиологии, экологии и эволюции, что затрудняет процесс разработки реконструкции зарождающейся многоклеточности..
На самом деле, неизвестно, были ли эти первые окаменелости животными, растениями, грибами или какой-либо из этих линий. Окаменелости характеризуются как плоские организмы с большой поверхностью / объемом.
Эволюция многоклеточных организмов
Поскольку многоклеточные организмы состоят из нескольких клеток, первым шагом в эволюционной эволюции этого состояния должна быть группировка клеток. Это может произойти по-разному:
Колониальная и симбиотическая гипотеза
Эти две гипотезы предполагают, что первоначальным предком многоклеточных существ были колонии или одноклеточные существа, которые установили симбиотические отношения друг с другом..
Таким образом, каждая ячейка становится все более зависимой от своих соседей и приобретает специализацию в конкретной задаче. Отбор отдавал предпочтение организмам, сгруппированным в этих примитивных колониях, по сравнению с теми, которые остались в одиночестве..
Синцитио гипотеза
Происхождение многоклеточных организмов
Применение новых технологий, таких как геномика и понимание филогенетических отношений, позволило нам предположить, что многоклеточность пошла по общему пути, начиная с кооптации генов, связанных с приверженностью. При создании этих каналов достигается связь между клетками.