27.1: Особливості тваринного світу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1910

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Перерахуйте особливості, які відрізняють королівство Animalia від інших королівств
Поясніть процеси розмноження тварин і ембріонального розвитку
Опишіть ролі, які гени Hox відіграють у розвитку

Незважаючи на те, що члени тваринного світу неймовірно різноманітні, більшість тварин мають певні особливості, які відрізняють їх від організмів інших королівств. Всі тварини є еукаріотичними, багатоклітинними організмами, і майже всі тварини мають складну тканинну структуру з диференційованими і спеціалізованими тканинами. Більшість тварин рухливі, по крайней мере, на певних життєвих етапах. Всі тварини потребують джерела їжі і тому гетеротрофні, поглинаючи інші живі або мертві організми; ця особливість відрізняє їх від автотрофних організмів, таких як більшість рослин, які синтезують власні поживні речовини за допомогою фотосинтезу. Як гетеротрофи, тварини можуть бути м'ясоїдними, травоїдними, всеїдними або паразитами (рис.\(\PageIndex{1}\)). Більшість тварин розмножуються статевим шляхом, і потомство проходить ряд етапів розвитку, які встановлюють певний і фіксований план тіла. План тіла відноситься до морфології тварини, що визначається сигналами розвитку.

Частина а показує ведмедя з великою рибою в роті. Частина б показує серце в баночці. Довгі ниткоподібні черв'яки відходять від серця. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Всі тварини є гетеротрофами, які отримують енергію з їжі. (а) чорний ведмідь - всеїдна тварина, що харчується як рослинами, так і тваринами. (б) серцевий черв'як *Dirofilaria immitis* - це паразит, який отримує енергію від своїх господарів. Він проводить свою личинкову стадію у комарів та свою дорослу стадію, заражаючи серце собак та інших ссавців, як показано тут. (кредит a: модифікація роботи USDA Forest Service; кредит b: модифікація роботи Клайда Робінсона)

Складна структура тканини

Як багатоклітинні організми, тварини відрізняються від рослин і грибів, оскільки їх клітини не мають клітинних стінок, їх клітини можуть бути вбудовані в позаклітинний матрикс (наприклад, кістку, шкіру або сполучну тканину), а їх клітини мають унікальні структури для міжклітинного зв'язку (наприклад, розривні з'єднання). Крім того, тварини володіють унікальними тканинами, відсутніми у грибів і рослин, які дозволяють здійснювати координацію (нервова тканина) моторики (м'язова тканина). Тварини також характеризуються спеціалізованими сполучними тканинами, які забезпечують структурну підтримку клітин і органів. Ця сполучна тканина становить позаклітинне оточення клітин і складається з органічних та неорганічних матеріалів. У хребетних кісткова тканина - це різновид сполучної тканини, яка підтримує всю структуру тіла. Складні органи і діяльність хребетних тварин вимагають таких підтримуючих тканин. Епітеліальні тканини покривають, вирівнюють, захищають і виділяють. Епітеліальні тканини включають епідерміс покривів, слизову оболонку травного тракту і трахеї, і складають протоки печінки і залози просунутих тварин.

Тваринне царство ділиться на паразоа (губки) і еуметазои (всі інші тварини). Як дуже прості тварини, організми групи Parazoa («поруч з твариною») не містять справжніх спеціалізованих тканин; хоча вони мають спеціалізовані клітини, які виконують різні функції, ці клітини не організовані в тканини. Ці організми вважаються тваринами, оскільки їм не вистачає здатності робити власну їжу. Тварини з істинними тканинами знаходяться в групі Eumtazoa («справжні тварини»). Коли ми думаємо про тварин, ми зазвичай думаємо про евметазойців, оскільки більшість тварин потрапляють до цієї категорії.

Різні типи тканин у справжніх тварин відповідають за виконання конкретних функцій для організму. Ця диференціація і спеціалізація тканин є частиною того, що дозволяє досягти такого неймовірного тваринного різноманіття. Наприклад, еволюція нервових тканин і м'язових тканин призвела до унікальної здатності тварин швидко відчувати і реагувати на зміни в навколишньому середовищі. Це дозволяє тваринам виживати в середовищах, де вони повинні конкурувати з іншими видами, щоб задовольнити свої харчові потреби.

Посилання на навчання

Дивіться презентацію біолога Е.О. Вілсона про важливість різноманітності.

Розмноження та розвиток тварин

Більшість тварин є диплоїдними організмами, що означає, що їх тіла (соматичні) клітини є диплоїдними, а гаплоїдні репродуктивні (гамети) клітини виробляються через мейоз. Існують деякі винятки: Наприклад, у бджіл, ос та мурах самець гаплоїдний, оскільки розвивається з незапліднених яєць. Більшість тварин піддаються статевому розмноженню: Цей факт відрізняє тварин від грибів, протистів та бактерій, де безстатеве розмноження є загальним або ексклюзивним. Однак кілька груп, таких як кнідарії, плоскі черв'яки та аскариди, піддаються безстатевому розмноженню, хоча майже всі ці тварини також мають статеву фазу свого життєвого циклу.

Процеси розмноження тварин і ембріонального розвитку

Під час статевого розмноження гаплоїдні гамети чоловічих і жіночих особин виду об'єднуються в процесі, який називається заплідненням. Як правило, маленький, рухливий чоловічий сперматозоїд запліднює набагато більшу, сидячу жіночу яйцеклітину. Цей процес виробляє диплоїдну запліднену яйцеклітину під назвою зигота.

Деякі види тварин, включаючи морські зірки та морські анемони, а також деякі комахи, плазуни та риби, здатні до безстатевого розмноження. Найбільш поширені форми безстатевого розмноження для стаціонарних водних тварин включають бутонізацію і фрагментацію, де частина батьківської особини може відокремлюватися і перерости в нову особину. Навпаки, форма безстатевого розмноження, виявлена у певних комах та хребетних, називається партеногенезом (або «незайманим початком»), де незапліднені яйцеклітини можуть перерости в нове чоловіче потомство. Цей тип партеногенезу називається гаплодиплоїдія. Ці типи безстатевого розмноження дають генетично ідентичне потомство, що невигідно з точки зору еволюційної адаптивності через потенційне накопичення згубних мутацій. Однак для тварин, які обмежені у своїй здатності залучати товаришів, безстатеве розмноження може забезпечити генетичне розмноження.

Після запліднення відбувається ряд етапів розвитку, під час яких первинні зародкові шари встановлюються і реорганізуються з утворенням ембріона. Під час цього процесу тканини тварин починають спеціалізуватися і організовуватися в органи і системи органів, визначаючи їх майбутню морфологію і фізіологію. Деякі тварини, такі як коники, піддаються неповним метаморфозам, при яких молодняк нагадує дорослу особину. Інші тварини, такі як деякі комахи, зазнають повних метаморфоз, коли особини вступають в одну або кілька личинкових стадій, які можуть відрізнятися за будовою і функцією від дорослої особини (рис.

Перегляньте наступне відео, щоб побачити, як ембріональний розвиток людини (після етапів розвитку бластули та гаструли) відображає еволюцію.

Роль генів гомеобox (Hox) у розвитку тварин

З початку 19 ^{століття} вчені помітили, що багато тварин, від самого простого до складного, поділяють схожу ембріональну морфологію і розвиток. Дивно, але ембріон людини і ембріон жаби, на певній стадії ембріонального розвитку, виглядають чудово однаково. Довгий час вчені не розуміли, чому так багато видів тварин виглядали схожими під час ембріонального розвитку, але сильно відрізнялися, як дорослі. Вони задавалися питанням, що диктує напрямок розвитку, який буде приймати муха, миша, жаба або людський ембріон. Близько кінця ^20-го століття був виявлений певний клас генів, які мали цю саму роботу. Ці гени, що визначають структуру тварин, називаються «гомеотичними генами», і вони містять послідовності ДНК, які називаються гомеобаксами. Гени тварин, що містять послідовності гомеобоксу, спеціально називаються генами Хокса. Це сімейство генів відповідає за визначення загального плану тіла, такого як кількість сегментів тіла тварини, кількість і розміщення придатків, а також спрямованість голови тваринного хвоста. Першими генами Хокса, які були секвеновані, були гени плодової мухи (Drosophila melanogaster). Одна мутація Hox у плодової мухи може призвести до появи додаткової пари крил або навіть придатків, що ростуть з «неправильної» частини тіла.

Хоча існує безліч генів, які відіграють роль у морфологічному розвитку тварини, те, що робить гени Хокса настільки потужними, що вони служать генами головного контролю, які можуть включати або вимикати велику кількість інших генів. Гени Hox роблять це шляхом кодування факторів транскрипції, які контролюють експресію численних інших генів. Гени Хокса гомологічні в тваринному світі, тобто генетичні послідовності генів Хокса та їх положення на хромосомах надзвичайно схожі у більшості тварин через їх присутність у спільного предка, від черв'яків до мух, мишей та людей (рис.\(\PageIndex{4}\)). Одним із внесків у підвищену складність тіла тварин є те, що гени Хокса зазнали щонайменше двох подій дублювання під час еволюції тварин, а додаткові гени дозволяють розвиватися більш складні типи тіла.

Мистецтво З'єднання

На цій ілюстрації показано чотири скупчення генів Hox, виявлених у хребетних тварин: Hox-A, Hox-B, Hox-C та Hox-D. Існує 13 генів Hox, але не всі вони зустрічаються в кожному кластері. Як у мишей, так і у людини гени 1-4 регулюють розвиток голови. Гени 5 і 6 регулюють розвиток шиї. Гени 7 і 8 регулюють розвиток тулуба, а гени 9-13 регулюють розвиток рук і ніг. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Гени *Хокса* - це висококонсервовані гени, що кодують транскрипційні фактори, що визначають перебіг ембріонального розвитку у тварин. У хребетних гени дублюються на чотири кластери: *Hox-A*, *Hox-B*, *Hox-C* та *Hox-D*. Гени всередині цих кластерів виражаються в певних сегментах тіла на певних стадіях розвитку. Тут показана гомологія між генами *Хокса* у мишей та людини. Зверніть увагу, як експресія гена Хокса, як зазначено помаранчевим, рожевим, синім та зеленим затіненням, відбувається в одних і тих же сегментах тіла як у миші, так і у людини.

Якщо ген Hox 13 у миші був замінений геном Hox 1, як це може змінити розвиток тварин?

Резюме

Тварини складають неймовірно різноманітне царство організмів. Хоча тварини варіюються за складністю від простих морських губок до людей, більшість членів тваринного світу мають певні особливості. Тварини - це еукаріотичні, багатоклітинні гетеротрофні організми, які поглинають їжу і зазвичай перетворюються на рухомих істот з фіксованим планом тіла. Основною характеристикою, унікальною для тваринного світу, є наявність диференційованих тканин, таких як нервові, м'язові та сполучні тканини, які спеціалізуються на виконанні певних функцій. Більшість тварин проходять статеве розмноження, що призводить до ряду ембріональних стадій розвитку, які відносно схожі в тваринному світі. Клас транскрипційних контрольних генів, які називаються генами Хокса, керує організацією основних планів тіла тварин, і ці гени сильно гомологічні по всьому тваринному світу.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Якщо ген Hox 13 у миші був замінений геном Hox 1, як це може змінити розвиток тварин?

Відповідь: Тварина може розвинути дві голови і не хвоста.

Глосарій

бластула: 16—32 клітинна стадія розвитку ембріона тварини

план тіла: морфологія або постійна форма організму

розщеплення: поділ клітин заплідненої яйцеклітини (зиготи) з утворенням багатоклітинного ембріона

гаструла: стадія розвитку тварини, що характеризується формуванням травної порожнини

зародковий шар: збір клітин, що утворюються під час ембріогенезу, які дадуть початок майбутнім тканинам організму, більш вираженим в ембріогенезі хребетних

ген коробки: (також ген гомеобox) головний контрольний ген, який може включати або вимикати велику кількість інших генів під час ембріогенезу

органогенез: формування органів в ембріогенезі тварин