Сейчас исследователи ищут возможные условия, которые привели к образованию этих групп, и причины, которые могли бы привести к их предпочтению перед одноклеточными формами. Колониальные организмы прощупываются, возможно, напоминая гипотетические колонии-предшественники.
Многоклеточные организмы
Первой революцией в истории сложных организмов стала эволюция ядра и митохондрий в эукариотических клетках. Это событие могло произойти только один раз, тогда как эволюция многоклеточных организмов — это итеративный процесс, имеющий множество преимуществ.
Одноклеточный организм выполняет все жизненные задачи — движение, защиту и размножение — самостоятельно. Это настоящий многозадачник, который заботится обо всем, но ничего толком не умеет делать. Многоклеточное существо, с другой стороны, распределяет работу между специализированными органами и системами. Наиболее важное разделение функций происходит между двумя типами клеток: Гаметы (репродуктивные клетки) отвечают за передачу наследственной информации, соматические клетки — за все остальное.
Разделение труда
Деление клеток на «зародышевые» и «соматические» — клетки тела — было впервые предложено немецким зоологом Августом Вейсманом в 1883 году. Он считал, что разделение функций позволяет организму создавать более сложные системы. Тело» (corpuscle) образуют клетки, которые, благодаря своей способности специализироваться, выполняют разнообразные задачи, от питания до фотосинтеза. Организм является многоклеточным, если его клетки специализированы, связаны, взаимозависимы и взаимодействуют. Без этих четырех характеристик тело — это просто колония клеток. Если рассматривать два основных признака — единство клеток и их взаимодействие, то многоклеточность возникала десять раз: один раз в животном царстве, три раза у грибов и шесть раз у растений.
Единство
Как возникла многоклеточность? Событие, которое привело к появлению современных организмов, произошло миллионы лет назад, поэтому ученые часто сравнивают одноклеточные организмы с их многоклеточными родственниками. Идеальной моделью являются вольвоксы, семейство зеленых водорослей. Изучая мутантные линии вольвокса, эволюционные биологи обнаружили несколько генов, которые контролируют рождение крупных половых клеток и более мелких соматических клеток, называемых «генами». В 1999 году Стивен Миллер и Дэвид Кирк обнаружили glsA, ген, необходимый для асимметричного деления; мутации в этом гене приводят к образованию клеток одинакового размера. В 2003 году Миллер выделил аналогичный ген в одноклеточном Chlamydomonas и перенес его в мутант Volvox, в результате чего многоклеточный организм снова стал производить клетки разных размеров. В 2010 году группа генетиков под руководством Даниэля Роксара сравнила геномы двух видов: у Chlamydomonas и Volvox более 14 500 общих генов, но у Volvox гораздо больше генов, кодирующих клеточные мембраны и внеклеточный матрикс — те самые гены, благодаря которым клетки образуют крупные структуры.
В 1988 году журнал Scientific American опубликовал информативную статью генетика Джеймса Шапиро, который оспорил распространенный взгляд на микроб как на одноклеточный организм: «Бактерии как многоклеточные организмы». В качестве примера он привел цианобактерию Anabaena cylindrica. Нормальные цианобактерии осуществляют фотосинтез днем и поглощают азот из воздуха в темноте. Филаментозные цианобактерии, однако, состоят из цепочек клеток, которые слипаются после деления. Это специализированные клетки, осуществляющие фотосинтез, азотфиксирующие гетероцисты, азотфиксирующие ацинии (неподвижные клетки, споры) и подвижные гормоны. Первые два типа не способны к размножению, а последние — способны; в целом система напоминает деление на стволовые и соматические клетки в сложном многоклеточном организме.
«Принципы разделения труда возникают в многоклеточных организмах. Постепенно это привело к все большему усложнению их структуры» Август Вайсман.
Однако нитчатые формы и другие виды бактерий ведут оседлый образ жизни, и по мере роста популяций неизбежно усиливается конкуренция за ресурсы. Откуда же берется многоклеточный организм? В 2006 году экологи Джанлука Корно и Клаус Юргенс культивировали пресноводные Flectobacillus вместе с золотистой водорослью Ochromonas и обнаружили, что более 80% паразитов образуют нити из крупных, вытянутых клеток. Это означает, что толчком к переходу к многоклеточной жизни могло послужить просто наличие более крупного тела, которое с меньшей вероятностью может быть съедено хищниками.
Кто такие животные?
Животные — это разнообразная группа живых существ, включающая множество подгрупп, таких как членистоногие, хордовые, желудочники, иглокожие, моллюски, губки и так далее. Они также включают широкий спектр менее известных существ, таких как плоские черви, коловратки, утконосы и аргалии. Эти группы животных могут показаться довольно странными тем, кто не проходил курс зоологии, но животные, которых мы знаем лучше всего, принадлежат к другим группам. Например, насекомые, ракообразные, пауки, меченосцы, все членистоногие, амфибии, птицы, рептилии, млекопитающие, рыбы и все представители хордовых. Также не стоит упоминать медуз, кораллы, анемоны и всех представителей конидарии.
Подавляющее разнообразие живых существ, которые классифицируются как животные, делает невозможным общую классификацию на различные группы. Однако существуют некоторые общие характеристики животных, некоторые из которых описывают большинство представителей той или иной группы. Эти общие характеристики включают многоклеточность, специализацию тканей, локомоцию, гетеротрофию и половое размножение.
Общей чертой многоклеточных животных является то, что их тела состоят из более чем одной клетки. За исключением губок, животные имеют органы, дифференцированные в ткани и выполняющие определенные функции. Эти ткани, в свою очередь, организованы в системы органов. Животные не имеют жестких клеточных стенок, характерных для растений.
Животные также подвижны (они могут перемещаться в пространстве). Тело большинства животных устроено так, что голова следует за направлением движения, а остальное тело — за ней. Конечно, при огромном разнообразии строения тела животных, из этого правила есть исключения.
Гетеротрофные животные получают энергию, потребляя другие живые организмы. Большинство животных размножаются половым путем с помощью дифференцированных яйцеклеток и сперматозоидов. Кроме того, многие животные диплоидны (взрослые клетки содержат две копии своего генетического материала). Многоклеточные животные проходят несколько стадий эмбрионального развития: зигота, бластула, гаструла, нейрула, первичный органогенез и пренатальное развитие).
Их размеры варьируются от крошечных, таких как планктон, до огромных, таких как синий кит. Они населяют почти все места обитания на Земле, от полюсов до тропиков и от вершин гор до глубоких, темных вод океанов.
Ученые считают, что животные произошли от жгутиковых простейших, а самые древние останки животных датируются примерно 600 миллионами лет назад. В кембрийский период (около 570 миллионов лет назад) произошло развитие большинства групп животных.
Классификация многоклеточных животных
Наиболее известные группы животных включают:
Членистоногие — науке известно не менее миллиона членистоногих, а многие миллионы еще предстоит открыть. По оценкам ученых, группа членистоногих включает до 30 миллионов видов (большинство из которых — насекомые). В эту группу входят многоножки, пауки, паутинные клещи, арахниды, скорпионы, насекомые и ракообразные. Членистоногие симметричны и имеют сегментированное тело, экзоскелет, соединенные придатки, несколько пар ног и специализированных конечностей.
Хордовые — На Земле известно около 75 000 видов хордовых. В эту группу входят позвоночные, ракообразные и моллюски. У хордовых сухожилия присутствуют на протяжении всего или хотя бы части жизненного цикла животного.
Книдарии (Cnidaria) — науке известно около 11 000 видов книдарий. В эту группу входят медузы, кораллы, морские анемоны и гидрилла. Цнидарии радиально симметричны и имеют гастроваскулярную полость с одним ртом, окруженным щупальцами.
Иглокожие — Было обнаружено около 6000 видов иглокожих, которые в настоящее время населяют нашу планету. В эту группу входят морские звезды, криноидеи, морские ежи, офиуры и морские огурцы. Иглокожие радиально симметричны и имеют эндоскелет из известковых пластин.
Моллюски (Mollusca) — сегодня известно более 100000 видов моллюсков. В группу входят следующие классы: Двустворчатые моллюски, улитки, головоногие моллюски, лангусты, иглобрюхи, аурофоры, моноплоидные и панцирные моллюски. Моллюски имеют мягкое тело, состоящее из трех основных частей: ноги, висцеральной массы и мантии с ее системой органов.
Аннелиды — это род, насчитывающий около 12 000 описанных видов, обитающих на нашей планете. В эту группу входят полихеты, волосатые черви, пиявки и полустомиды. Аннелиды симметричны, тело состоит из головной и хвостовой частей и средней части с несколькими изогнутыми сегментами.
Губки (Porifera) — Сегодня на Земле насчитывается не менее 10 000 видов губок. В эту группу входят известковые губки, обыкновенные губки и шестипалые губки. Губки — примитивные многоклеточные животные, у которых отсутствуют пищеварительная, кровеносная и нервная системы.
Не все живые организмы являются животными. На самом деле, животные — это лишь одна из нескольких больших групп живых организмов. Помимо животных, к группам организмов также относятся растения, грибы, простейшие, бактерии и археи. Чтобы понять, что такое животное, нужно уметь определять живые организмы, которые относятся к другим группам и не являются животными.
Ниже приведен список организмов, которые не принадлежат к группе животных:
- Растения – зелёные водоросли, мхи, папоротники, хвойные, саговники, гинкговые, цветущие растения и т.д.;
- Грибы – дрожжи, плесень и грибы;
- Протисты – красные водоросли, инфузории и различные одноклеточные микроорганизмы;
- Бактерии – крошечные прокариотические (безъядерные) микроорганизмы;
- Археи – одноклеточные безъядерные микроорганизмы.
Если вы относите живой организм к одной из вышеперечисленных групп, вы исключаете возможность того, что это животное.
Автотрофы и гетеротрофы
Организмы значительно различаются по типу пищи, которую они потребляют. В зависимости от этого параметра они делятся на два больших типа:
Автотрофные организмы способны синтезировать необходимые им органические вещества самостоятельно из неорганических веществ. Для этого они используют хлоропласты (в основном в виде чашечек и лент). Хлоропласты используют хлорофилл и некоторые другие пигменты для поглощения солнечного света.
Гетеротрофы лишены способности синтезировать для себя органические и неорганические вещества. Эти организмы должны потреблять готовые органические вещества, которые уже синтезированы кем-то другим. Поэтому гетеротрофы питаются как готовым органическим материалом, так и другими организмами. Твердые продукты заглатываются в процессе фагоцитоза, жидкости попадают в клетку в процессе пиноцитоза.
Некоторые эукариоты формируют специальный клеточный рот, цитостому, для приема пищи. С помощью этой стомы клетка захватывает пищу, после чего образуется пищеварительная вакуоль (лизосома). Большинство инфузорий имеют цитостому.
Некоторые организмы могут переваривать оба типа пищи. Например, одноклеточная эвгения питается автотрофно путем фотосинтеза в присутствии солнечного света. В темноте эвглена питается гетеротрофно, т.е. захватывает и поглощает органические вещества, растворенные в воде.
Среда обитания одноклеточных организмов
Одноклеточные организмы, как прокариоты, так и эукариоты, живут почти во всех наземных средах. Они обитают во всех типах воды и почвы. Некоторые одноклеточные организмы живут в других многоклеточных организмах. В водоемах одноклеточные организмы составляют большую часть планктона и бентоса (совокупность всех бентических организмов). Они являются важной частью пищевой базы для других организмов. Когда планктонные водоросли размножаются слишком сильно, возникает опасное явление «цветения воды», которое приводит к гибели многих организмов и животных.
Одноклеточные почвенные организмы обычно имеют две стадии жизни: активную и спящую. В активной фазе организмы питаются, растут и размножаются. Во время фазы покоя жизнь организма находится в состоянии покоя. Неактивная фаза вызывается неблагоприятными условиями окружающей среды (засуха, холод, недостаток пищи и кислорода). Для некоторых организмов фаза покоя очень важна. Почвенные организмы обеспечивают плодородие почвы.
Одноклеточные водоросли могут жить в теле некоторых полиповых кораллов, губок и плоских червей. Они сами ищут убежище и пищу и обеспечивают своих хозяев кислородом и некоторыми питательными веществами. Такие организмы, как лишайники, представляют собой водоросли и грибы, живущие вместе.
Бактерии, живущие в кишечнике животных и человека, помогают процессу переваривания и усвоения пищи. Многие одноклеточные организмы живут паразитически. В этом случае они не приносят пользы организму-хозяину, а только вредят ему. Нередко паразиты вызывают смерть своего хозяина.
Колониальные организмы
Некоторые одноклеточные организмы объединяются вместе, образуя сообщество, которое существует как единое целое, подобно многоклеточному организму. Такие сообщества являются колониями. Некоторые колонии состоят из одинаковых одноклеточных организмов. Существуют также колонии, которые состоят из одноклеточных организмов разных видов и выполняют различные функции. Колонии размножаются бесполым путем.
Одна из самых известных колоний — подвижная колония зеленых водорослей рода Volvox. Эти колонии представляют собой сферы до 2 мм в диаметре. Большая колония может содержать до 60 000 одноклеточных водорослей. По краям колонии клетки имеют две плети. Они обеспечивают движение вольвокса. Колония также содержит неподвижные репродуктивные клетки — они размножаются и образуют новые колонии. Дочерняя колония сначала врастает в материнскую колонию, а затем вырастает из нее, разрывая материнскую оболочку.
Предполагается, что колониальные организмы занимают промежуточное положение между одноклеточными и многоклеточными организмами и что многоклеточные организмы произошли от колониальных организмов.
