Багатоклітинні організми

Першою революцією в історії складних організмів став розвиток ядра та мітохондрії в еукаріотичних клітинах. Ця подія, можливо, відбулася лише одного разу, тоді як еволюція багатоклітинних організмів - процес, що повторюється, що дає безліч переваг.

Самотній одноклітинний організм виконує всі життєві завдання – рух, захист та розмноження – самостійно. Це справжній майстер на всі руки, який за все береться, але нічого не вміє. Багатоклітинна істота, навпаки, розподіляє роботу між спеціалізованими органами та системами. Головне розподіл функцій відбувається між двома типами клітин: статеві (репродуктивні) клітини призначені передачі спадкової інформації, а клітини тіла — для решти.

Поділ праці

Вперше поділ клітин на «зародкові» та «соматичні» – клітини тіла – запропонував у 1883 році німецький зоолог Август Вейсман. Він вважав, що поділ функцій дозволяє організму створювати складніші системи. Завдяки здатності до спеціалізації «сома» (тіло) створює клітини, що виконують різноманітні завдання – від живлення до фотосинтезу. Організм є багатоклітинним, якщо його клітини спеціалізовані, пов'язані один з одним, залежать один від одного та взаємодіють. За відсутності цих чотирьох ознак тіло — лише колонія клітин. Якщо мати на увазі дві основні характеристики — єдність клітин та їхню взаємодію, — багатоклітинність виникала десять разів: один раз у царстві тварин, тричі у грибів та шість — у рослин.

Єдність

Як виникла багатоклітинність? Подія, що породила сучасні організми, відбулася мільйони років тому, тому вчені часто порівнюють одноклітинних із їх багатоклітинними родичами. Ідеальна модель - вольвоксові, сімейство зелених водоростей. Вивчаючи лінії, що мутували Volvox, біологи-еволюціоністи виявили різні гени, що контролюють народження великих генеративних клітин та дрібніших соматичних клітин, «гонідій». 1999 року Стівен Міллер і Девід Кірк відкрили glsA — ген, необхідний асиметричного поділу, у разі мутації цього гена утворюються клітини однакового розміру. 2003-го Міллер виділив еквівалентний ген у одноклітинних Chlamydomonas і передав його мутованому Volvox, змусивши багатоклітинний організм знову виробляти клітини різного розміру. 2010-го група генетиків під керівництвом Деніела Роксара порівняла геном обох видів: Chlamydomonas і Volvox мають понад 14 500 загальних генів, проте Volvox має набагато більшу кількість генів, що кодують клітинні оболонки і позаклітинний матрикс, - саме ці гени забезпечують об'єднання клітин у великі структури.

Взаємозалежність та взаємодія

У 1988 році журнал Scientific American опублікував змістовну статтю генетика Джеймса Шапіро, який кинув виклик звичним уявленням про мікроб як одноклітинний, — «Бактерії як багатоклітинні організми». Як один із прикладів він навів ціанобактерії Anabaena cylindrica. Звичайні ціанобактерії здійснюють фотосинтез у світлий час доби, а в темне поглинають атмосферний азот. Але нитчасті ціанобактерії складаються з ланцюжків клітин, які залишаються з'єднаними після закінчення поділу.Це спеціалізовані клітини, що здійснюють фотосинтез, азот-фіксуючі гетероцисти, акінети (нерухомі клітини, суперечки) та рухомі гормогонії. Два перші види не здатні до відтворення, а два останні можуть репродукуватися; в цілому система нагадує розподіл на статеві та соматичні клітини у складному багатоклітинному тілі.

«Принципи поділу праці, що виникають у багатоклітинних організмів. Поступово призвели до дедалі більшого ускладнення їхньої структури» Август Вейсман

Проте нитчасті форми та інші види бактерій малорухливі, і зі збільшенням популяції неминуче зростає конкуренція ресурси. То звідки виникає багатоклітинний організм? 2006-го екологи Джанлука Корно та Клаус Юргенс вирощували прісноводні Flectobacillus разом із золотистими водоростями Ochromonas та виявили, що понад 80% паразитів утворили нитки з витягнутих великих клітин. Тобто тригером до переходу до багатоклітинного життя може стати наявність більшого тіла, яке з меншою ймовірністю зжеруть хижаки.

Індивідуальність

Перехід від колонії клітин до багатоклітинного організму - це глобальна екологічна зміна, перехід від конкуренції до співпраці, і вона передбачає нове розуміння того, що означає бути окремим організмом. Протягом перехідного періоду відбувається природний відбір різних рівнях, залежить від цього, як спільне існування впливає здатність клітини до виживання і репродукції. Якщо ціна надмірна (як у випадку з бактеріальною біоплівкою), внутрішньоклітинний відбір випереджатиме груповий.

Які шляхи стабілізації багатоклітинності? Один із сценаріїв припускає, що природний відбір міг підтримувати риси, які дають переваги при існуванні клітини в колонії, але дорого коштують її відокремлення. У 2012 році Вільям Реткліф перевірив цю теорію, здійснивши експеримент з еволюції одноклітинних дріжджів. Saccharomyces cerevisiae. Протягом 45 хвилин він витримував клітини в пробірці, після чого переносив у нову пробірку ті, що осаджувалися швидше за інших, повторивши процедуру 60 разів; внаслідок штучного відбору утворилися важкі багатоклітинні кластери. Що дивно, водночас дріжджі набули і другої характерної риси, крім здатності формувати колонії: високий рівень апоптозу — запрограмованої клітинної смерті.

На основі математичної моделі Реткліфф та Ерік Ліббі встановили, що загибель «слабких ланок» дозволяє клітинам подолати обмеження експериментального поля (у даному випадку пробірки) — руйнування зв'язків формує дрібніші клітини, що швидко ростуть. Апоптоз - це адаптація до спільного існування, яка стає на заваді, якщо клітина залишає кластер; Прагнення самоліквідації різко знижує її конкурентні можливості боротьби з іншими одиночними клітинами. Такі здібності, як апоптоз, спрацьовують як клацання у маховику еволюції, забезпечуючи клітинам комфортне існування в рамках єдиного організму та перешкоджаючи їх поверненню до одиночного буття.

Біоплівки

Бактерія часто утворює біоплівку, позаклітинний матрикс, слизову оболонку субстанцію, яка обволікає клітини.Така мікробна підкладка складається з цукрів, білків, жирів та нуклеїнових кислот, які виділяють клітини після потрапляння в агресивне середовище. Це спонукає навколишні організми змінювати генетичну активність і, отже, власний образ та поведінку.

Біоплівка створює бар'єр, який дозволяє накопиченню клітин виділяти метаболіти, але блокує надходження шкідливих речовин. Біоплівки, утворені з Staphylococcus aureus і Е. Coli, містять клітини, стійкіші до антибіотиків, що має значення для боротьби з такими супербактеріями, як золотистий стафілокок. Потенційно плівки можуть утворитися на будь-якій поверхні, від найтоншого шару на поверхні води до лабораторної чашки Петрі. Хоча біоплівка має багато ознак багатоклітинності (об'єднання клітин, наприклад) і клітини користуються деякими перевагами в протистоянні хижакам, але в цілому це перехідна форма.

На відміну від багатоклітинних організмів, біоплівки не завжди сформовані з клітин однакового походження. Вони взагалі можуть належати до різних видів. В результаті в біоплівках набагато більш виражені конфлікт інтересів та конкуренція «всередині спільноти», що робить їх уразливими для ворожих клітин і, зрештою, перетворює плівку на нестабільну освіту.

Модель багатоклітинності

Ідеальну модель для вивчення еволюції одноклітинних організмів у багатоклітинні є вольвоксовими, сімейство зелених водоростей, серед представників якого є і одноклітинні, і організми в тисячі клітин. Вчені зазвичай порівнюють два види: Chlamydomonas reinhardtii - одноклітинні, які відкидають свій джгутик перед поділом, - і Volvox carteri, містить близько 16 великих репродуктивних клітин усередині прозорої сфери; гелеподібний матрикс із 2000 дрібних клітин, кожна з яких має джгутик, що спрямовує сферичне тіло до сонячного світла для здійснення фотосинтезу.

Будова багатоклітинних організмів та їх життєдіяльність

Багатоклітинні тварини утворюють найчисленнішу групу живих організмів планети, що налічує понад 1,5 млн. видів.

Багатоклітинні походять від найпростіших, це позасистематична категорія живих організмів, тіло яких складається з багатьох клітин, більшість яких (крім стовбурових і клітин камбію) диференційовані за будовою. Однією з найважливіших рис організації багатоклітинних є морфологічна та функціональна відмінність клітин їх тіла.

У ході еволюції подібні клітини у тілі багатоклітинних тварин спеціалізувалися на виконанні певних функцій, що призвело до формування тканин. Для життєдіяльності будь-якому організму потрібна енергія. До поживних речовин належать органічні речовини, які є будівельним матеріалом для організмів.

Однією з найважливіших характерних рис багатоклітинних тварин є морфологічна та функціональна відмінність клітин тіла. Клітини спеціалізуються у виконанні певних функцій, утворюючи тканини. Різні тканини об'єднуються в органи, органи – у системи органів.

Для здійснення взаємозв'язку між ними та координації їх роботи є регуляторні системи – нервова, ендокринна та імунна. В організмах багатоклітинних тварин існує внутрішньотранспортна циркуляторна система, що доставляє віддаленим від поверхні тіла тканинам та органам необхідні речовини – кров (рідка тканина).Багатоклітинні тварини отримують інформацію про зміни в навколишньому середовищі та реагують на них за допомогою нервової системи та органів чуття. Багатоклітинні тварини розмножуються статевим розмноженням.

Розвиток організму багатоклітинної тварини з однієї клітини – зиготи – призвело до виникнення у ході еволюції складного процесу індивідуального розвитку – онтогенезу.

За ознакою відсутності чи наявності внутрішнього скелета тварини поділяються на дві групи – безхребетні та хребетні.

Виділяють також дві групи тварин за симетрією тіла: променисті, або радіальносиметричні (Губки та Кишковопорожнинні) та двосторонньо-симетричні.

Всі багатоклітинні тварини також поділяються на двошарові та тришарові. Двошарові не мають мезодерми, а лише ендо- та ектодерму. До них відносяться два типи – Губки та Кишковопорожнинні.

Губки - Найбільш примітивні багатоклітинні тварини. У губок є диференціація клітин, але немає чи майже немає координації між клітинами, вкрай важливою для організації їх у тканині.

Губки не мають нервової системи. Струм води, необхідний для постачання організму поживними речовинами та киснем, здійснюється за допомогою хоаноцитів, або комірцевих клітин.

Кишковопорожнинні – переважно морські, радіально-симетричні, вільноплавні, сидячі або прикріплені тварини, що налічують близько 10 тис. видів.

Кишковопорожнисті мають дуже примітивні риси будови:

- двошаровий тип будови: найбільш примітивно влаштовані гідроїдні поліпи по своїй організації подібні до гаструли – зародкової стадії багатоклітинних тварин;

- радіальна симетрія тіла: сформована у зв'язку з прикріпленим або малорухомим способом життя у водному середовищі;

- відсутність справжніх тканин: у всіх кишковопорожнинних (крім коралових поліпів) багато процесів протікають ще на клітинному рівні;

- дифузний (розсіяний) тип будови нервової системи, що забезпечує відносно повільне здійснення лише простих рефлексів;

- дифузний тип дихання та виділення;

- Змішаний тип травлення: воно починається в кишковій порожнині (як у більшості багатоклітинних тварин), а закінчується внутрішньоклітинно (як у протист);

- Наявність (поряд зі статевим) безстатевого розмноження (брунькування), не властивого переважній більшості багатоклітинних тварин.

Деякі кишковопорожнинні існують у двох життєвих формах: прикріпленого до субстрату поліпа та вільно плаваючої планктонної медузи. Ці форми чергуються одна з одною.

Чергування форм супроводжується зміною способів розмноження (медузи – статеве, поліпи – безстатеве). Завдяки наявності медузоїдного покоління та їх личинок відбувається розселення. Проживання поліпів біля дна, а медуз у товщі води знижує внутрішньоводну конкуренцію за їжу, місце проживання.

1. У яких клітинах у гідри є чутлива волосинка?
2. Тварина, що розмножується брунькуванням
3. Кровоносна система членистоногих
4. Представник круглих хробаків, що паразитує у тонкому відділі кишечника людини
5. Тіло молюсків складається з
6. До багатоклітинних організмів відноситься
7. Нервова система білої планарії представлена
8. Організм, що складається з безлічі функціонально спеціалізованих клітин
9. У відповідь реакція організму гідри на дію зовнішніх подразників
10. Тіло гідри складається з