От одноклеточных до человека. От амебы до человека. Рыбы выходят на сушу

07.04.2024

Простейшие как строители горных пород

Мел и горные породы состоят из множества микроскопических раковин. Так известные всем горные породы Урала, Крыма, Кавказа содержат тело простейшего древнего животного – фораминифера. Известняки, состоящие полностью из фораминиферов, имеют огромное практическое значение как строительный материал. Из них построены гигантские Египетские пирамиды.

Остатки фораминиферов в горных породах являются разгадкой для геологической разведки. Наличие определенных видов фораминиферов показывает на близость слоев с нефтью, а также определяют возраст осадочных пород.

Кремнеземные горные породы образуются из скелетов лучников.

Животные, состоящие из единственной клетки, располагающей ядром, называются одноклеточными организмами.

В них сочетаются характерные особенности клетки и независимого организма.

Одноклеточные животные

Животные подцарства Одноклеточных или Простейших обитают в жидких средах. Внешние формы их разнообразны — от аморфных особей, не имеющих определенных очертаний, до представителей со сложными геометрическими формами.

Насчитывается около 40 тысяч видов одноклеточных животных. К наиболее известным относятся:

амеба;
зеленая эвглена;
инфузория-туфелька.

Амеба

Принадлежит классу корненожки и отличается непостоянной формой.

Она состоит из оболочки, цитоплазмы, сократительной вакуоли и ядра.

Усвоение питательных веществ осуществляется с помощью пищеварительной вакуоли, а кормом служат другие простейшие, такие как водоросли и . Для респирации амебе необходим кислород, растворенный в воде и проникающий через поверхность тела.

Зеленая эвглена

Обладает вытянутой веерообразной формой. Питается за счет превращения углекислого газа и воды в кислород и продукты питания благодаря световой энергии, а также готовыми органическими веществами при отсутствии света.

Относится к классу жгутиковые.

Инфузория-туфелька

Класс инфузории, своими очертаниями напоминает туфельку.

Пищей служат бактерии.

Одноклеточные грибы

Грибы отнесены к низшим бесхлорофилльным эукариотам. Они отличаются наружным пищеварением и содержанием хитина в клеточной стенке. Тело образует грибницу, состоящую из гифов.

Одноклеточные грибы систематизированы в 4 основных классах:

дейтеромицеты;
хитридиомицеты;
зигомицеты;
аскомицеты.

Ярким примером аскомицетов служат дрожжи, широко распространенные в природе. Скорость их роста и размножения велика благодаря особенному строению. Дрожжи состоят из одиночной клетки округлой формы, размножающейся почкованием.

Одноклеточные растения

Типичным представителем низших одноклеточных растений, часто встречающихся в природе, являются водоросли:

хламидомонада;
хлорелла;
спирогира;
хлорококк;
вольвокс.

Хламидомонада отличается от всех водорослей подвижностью и наличием светочувствительного глазка, определяющего места наибольшего скопления солнечной энергии для фотосинтеза .

Многочисленные хлоропласты заменены одним большим хроматофором. Роль насосов, откачивающих излишки жидкости, выполняют сократительные вакуоли. Передвижение осуществляется при помощи двух жгутиков.

Зеленые водоросли хлореллы, в отличие от хламидомонады, обладают типичными растительными клетками. Плотная оболочка защищает мембрану, а в цитоплазме расположено ядро и хроматофор. Функции хроматофора сходны с ролью хлоропласт наземных растений.

С хлореллой схожа водоросль шарообразной формы хлорококк. Местом ее обитания служит не только вода, но и суша, стволы деревьев, растущих во влажной среде.

Кто открыл одноклеточные организмы

Честь открытия микроорганизмов принадлежит голландскому ученому А. Левенгуку.

В 1675 году он разглядел их в микроскоп собственного изготовления. За мельчайшими существами закрепилось название инфузория, а с 1820 года их стали называть простейшими животными.

Зоологами Келлекером и Зибольдом в 1845 году одноклеточные были отнесены к особому типу животного царства и разделены на две группы:

корненожки;
инфузории.

Как выглядит клетка одноклеточного животного

Строение одноклеточных организмов возможно изучить лишь с помощью микроскопа. Тело простейших существ состоит из единственной клетки, выполняющей роль независимого организма.

В состав клетки входят:

цитоплазма;
органоиды;
ядро.

Со временем, в результате приспособления к окружающей среде, у отдельных видов одноклеточных появились специальные органоиды движения, выделения и питания.

Кто такие простейшие

Современная биология относит простейших к парафилетической группе животноподобных протистов. Наличие в клетке ядра, в отличие от бактерий, включает их в список эукариотов.

Клеточные структуры разнятся с клетками многоклеточных. В живой системе простейших присутствуют пищеварительные и сократительные вакуоли, у некоторых наблюдаются схожие с ротовой полостью и анальным отверстием органеллы.

Классы простейших

В современной классификации по признакам отсутствует отдельный ранг и значение одноклеточных.

Лабиринтула

Их принято подразделять на следующие типы:

саркомастигофоры;
апикомплексы;
миксоспоридии;
инфузории;
лабиринтулы;
асцестоспородии.

Устаревшей классификацией считается деление простейших на жгутиковых, саркодовых, ресничных и споровиков.

В каких средах обитают одноклеточные

Средой обитания простейших одноклеточных служит любая влажная среда. Амеба обыкновенная, эвглена зеленая и инфузория-туфелька являются типичными обитателями загрязненных пресных водных источников.

Наука долгое время относила опалин к инфузориям, благодаря внешнему сходству жгутиков с ресничками и наличию двух ядер. В результате тщательных исследований родство было опровергнуто. Половое размножение опалин происходит в результате копуляции, ядра одинаковые, а ресничный аппарат отсутствует.

Заключение

Биологическую систему невозможно представить без одноклеточных организмов, являющихся источником питания других животных.

Простейшие организмы способствуют образованию горных пород, служат показателями загрязненности водоемов, участвуют в круговороте углерода . Широкое применение микроорганизмы нашли в биотехнологиях.

Цели урока:

ознакомить учащихся с особенностями строения глаза и установить взаимосвязь между его строением и выполняемыми функциями;
показать многообразие органов зрения и особенности их строения;
показать принципиальное единство естественных наук;
способствовать развитию формирования умений и навыков работы с учебником, дополнительной литературой, компьютером;
ознакомиться с процессами, обеспечивающими восприятие зрительных образов, наиболее распространенными дефектами зрения – близорукостью и дальнозоркостью;
защита рефератов в электронном виде.

Оборудование: фотоаппарат и его модель, модель глаза, таблицы «Зрительный анализатор», компьютер, мультимедийный проектор.

В современном мире вы получаете информацию новыми путями: через компьютер, Интернет. Эта информация усваивается лучше и является дополнением к традиционным методам. Не случайно говорят: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать».

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ: Вашему вниманию предоставляется презентация «Зрительный анализатор беспозвоночных» , сделанная первой группой.

Мы увидели, что зрительный анализатор усложняется не только у одноклеточных, но и у позвоночных. При одинаковой схеме устройства глаза имеется много различий, связанных экологическими особенностями вида.

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ: Благодаря органу зрения мы видим всю палитру красок, любуемся природой, и все это потому, что особые светочувствительные клетки глаза, колбочки, обеспечивают цветное зрение. Все многообразие слагается из трех цветов: красного, зеленого и фиолетового. Каждый из этих цветов поглощает волны разного диапазона и смешивание их дает все остальные цвета. Презентация №3: «Цветоощущение» .

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: В современном мире людей с дефектами зрения значительно больше и приобретаются эти дефекты значительно быстрее, чем даже 10 лет назад. Причина этому и компьютер, и телевизор и игровые приставки и т.д. Итак, вы поняли, что следующая презентация «Дефекты зрения» и как их предупредить.

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: Дальтон сказал: «Если на клетке с тигром увидишь «лев»- не верь глазам своим!» Так как «Не глазом, а посредством глаза, смотреть на мир умеет разум…» Об оптических иллюзиях последнее сообщение. Презентация №5: «Иллюзии» .

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ: Поразительно, но человек часто не ценит то, что ему дано природой. Сделанные вашими одноклассниками сообщения еще раз доказывают, что глаз - сложнейшая оптическая система, и она не всегда бывает совершенной. Ее нарушают масса врожденных, приобретенных и возрастных изменений, которые требуют своевременной коррекции и лечения. Зрение наше богатство, к которому надо бережно относиться с раннего детства.

Использованная литература:

Энциклопедия «Наука», РОСМЭН, 2000
Биология, 9 класс, Батуев А.С., ДРОФА, 1996
Зрительный анализатор: от одноклеточных до человека, Г.Н. Тихонова, Н.Ю.Феоктистова, Библиотечка «Первого сентября», 2006
Энциклопедия «Все обо всем» для детей
Книга для чтения по анатомии, физиологии и гигиене человека, И.Д. Зверев, ПРОСВЕЩЕНИЕ, 1983
Энциклопедия для детей. Биология, т.2, АВАНТА +, 1994
Энциклопедия для детей. Физика. АВАНТА +, 1994
Биология. Поурочные планы по учебнику Н.И. Сонина и М.Р. Сапина, 8 класс, УЧИТЕЛЬ, 2007

Биологам развития давно известен ген Brachyury , продукт которого регулирует у животных развитие первичного эмбрионального рта (бластопора), среднего зародышевого листка (мезодермы), а у представителей типа хордовых - хорды. Долгое время считалось, что ни у кого, кроме многоклеточных животных, гена Brachyury нет. Но теперь известно, что этот ген есть у многих одноклеточных организмов и грибов; по-видимому, наличие генов, подобных Brachyury , является общим уникальным признаком эволюционной ветви заднежгутиковых (Opisthokonta), к которой относятся многоклеточные животные, грибы и их одноклеточные родственники. Причем функция этого гена очень стабильна: экспериментально показано, что продукт гена Brachyury , взятый от амебы Capsaspora , способен участвовать в развитии лягушки.

«Регуляция транскрипции - центральный аспект развития животных» . Такой фразой начинается новая статья об эволюции регуляторных генов, среди авторов которой - известный испанский протистолог Иньяки Руис-Трильо (Iñaki Ruiz-Trillo). Действительно, развитие организма животного непосредственно управляется генами на всех стадиях, кроме самых ранних (см.: Нужны ли эмбрионам гены? , «Элементы», 08.05.2007). Транскрипция - это синтез продукта гена (информационной РНК, на основе которой потом синтезируется белок). Проще говоря, когда ген транскрибируется, он включен, когда нет - выключен. В каждой клетке есть продукты генов, которые в ней «включены», и нет (как правило) продуктов генов, которые в ней «выключены»; этим, собственно, и определяются различия между клетками в многоклеточном организме.

Проблема в том, что продуктов разных генов для развития целого животного нужно очень много. Включить все эти гены сразу нельзя. Они последовательно включают друг друга, действуя через свои конечные продукты - белки (рис. 2).

Таким образом, чтобы узнать, как устроено чье-то индивидуальное развитие, надо в первую очередь узнать, как в нем включаются и выключаются гены. По крайней мере, такая точка зрения сейчас весьма распространена; именно ее и выражает процитированная фраза из статьи. Хорошо это или плохо, но современная биология развития животных очень «геноцентрична»: зачастую в ней всё развитие рассматривается как последовательность взаимосвязанных актов транскрипции.

Белок, функцией которого является включение или выключение генов, обычно называют фактором транскрипции . Гены - это участки молекулы ДНК, поэтому белок - фактор транскрипции должен «уметь» связываться с ДНК. Для этого служит специальный участок белковой молекулы - ДНК-связывающий домен (DNA-binding domain).

Есть разные типы ДНК-связывающих доменов. Самый широко известный из них называется гомеодоменом ; это - специфический участок из 60 аминокислот, присутствующий во многих регуляторных белках и у животных, и у растений. Гены, кодирующие гомеодомен-содержащие белки, называются гомеобоксными (гомеобокс - это участок гена, который кодирует гомеодомен). К гомеобоксным генам относится много разных генов, регулирующих через свои продукты эмбриональное развитие организмов, в том числе и распространенные у животных Hox-гены (см., например: Новое в науке о знаменитых Hox-генах, регуляторах развития , «Элементы», 10.10.2006).

Другой важный тип ДНК-связывающего домена называется T-бокс (T-box). Это участок белка, состоящий из 180–200 аминокислот, который тоже «умеет» специфически связываться с ДНК, хотя и делает это иначе, чем гомеодомен. Гены, кодирующие белки с T-боксом, так и называют Т-боксными (см., например: Naiche et al., 2005. T-box genes in vertebrate development). Эти гены свойственны животным. Их продукты принимают участие в регуляции развития сердца, конечностей, мозга и многих других органов.

Особое внимание эволюционных биологов уже давно привлек Т-боксный ген, который называется Brachyury . Области активности этого гена находятся, во-первых, вокруг первичного эмбрионального рта (бластопора) и, во-вторых, в среднем слое зародышевых клеток (мезодерме), причем в основном в тех частях мезодермы, из которых возникают осевой скелет, мускулатура и стенки целома - вторичной полости тела. А поскольку этот ген есть у самых разных животных, то между ними возможны интересные сравнения. Например, данные о работе гена Brachyury у коралловых полипов подтверждают так называемую энтероцельную теорию происхождения целома, согласно которой целомические полости высших многоклеточных эволюционно возникли из выростов кишечника (см.: Technau, Scholtz, 2003. Origin and evolution of endoderm and mesoderm).

Ген Brachyury исключительно важен для развития самой древней части скелета позвоночных - хорды . Последняя далеко не у всех позвоночных сохраняется во взрослом состоянии, но у зародышей есть обязательно; без хорды не могут нормально развиться ни мозг, ни позвоночник. Кроме того, у человека иногда встречается опухоль, состоящая из хордоподобной ткани, - хордома . В клетках хордомы ген Brachyury активен, как в клетках зародышевой хорды; причем это выражено настолько хорошо, что является для данного типа опухоли диагностическим маркером.

Все перечисленные функции Т-боксных генов относятся только к многоклеточным животным и ни для кого другого не имеют смысла. Действительно, у одноклеточных нет ни сердца, ни конечностей, ни мозга, ни рта, ни целома, ни хорды. Регулировать с помощью этих генов там вроде бы нечего. Для исследователей было вполне естественно предположить, что Т-боксные гены, как и многие другие гены с подобными функциями, возникли приблизительно одновременно с многоклеточностью. У самых примитивных многоклеточных животных - губок - они уже есть.

Однако три года назад, в 2010 году, Т-боксный ген был обнаружен у амебы Capsaspora owczarzaki (рис. 1), которая является одноклеточным организмом и к животным никак не принадлежит. И примерно тогда же выяснилось, что Т-боксные гены есть у некоторых грибов. Итак, эти гены для многоклеточных животных не уникальны. Но у кого же все-таки они есть, а у кого нет?

Чтобы разобраться в этом, группа исследователей из Испании, США и Канады предприняла поиск по всем описанным геномам (наборам генов) и транскриптомам (наборам продуктов генов) растений, грибов, жгутиконосцев и всех других эукариот, то есть организмов с клеточными ядрами. Результаты оказались следующими:

1. Т-боксные гены и их белки есть у некоторых амеб и у большинства известных представителей группы Mesomycetozoea, состоящей из имеющих сложные жизненные циклы амебообразных родственников животных (см.: Ядра мезомицетозоев делятся синхронно, как у зародышей животных , «Элементы», 05.06.2013). Также эти гены есть у многих грибов, хотя и не у всех.

2. У воротничковых жгутиконосцев (Choanoflagellata), которые считаются ближайшими одноклеточными родственниками животных, T-боксных генов нет. Также их нет у высших грибов (Dikarya), к которым относятся, в частности, хорошо нам знакомые шляпочные грибы.

3. Все без исключения организмы, у которых найдены T-боксные гены, принадлежат к группе заднежгутиковых (Opisthokonta). Это огромная ветвь эукариот, к которой относятся многоклеточные животные, воротничковые жгутиконосцы, мезомицетозои, грибы и некоторые амебы. У «не-заднежгутиковых» эукариот (например, у растений) найти Т-боксные гены не удалось. Видимо, это общий и уникальный признак группы Opisthokonta.

4. Из положения воротничковых жгутиконосцев и высших грибов на эволюционном древе следует, что эти группы, скорее всего, когда-то тоже имели Т-боксные гены, но потом потеряли их (рис. 3).

Более того, и у мезомицетозоев, и у амебы Capsaspora Т-боксных генов уже несколько - как у многоклеточных животных (рис. 3). Здесь эволюция успела зайти достаточно далеко: на основе одного гена возникло целое генное семейство. Интересно, что по этому признаку мезомицетозои и Capsaspora оказываются гораздо ближе к многоклеточным животным, чем воротничковые жгутиконосцы, которые традиционно считаются их ближайшими родственниками или даже предками.

А самым древним T-боксным геном оказался тот самый ген Brachyury , продукт которого регулирует у животных развитие бластопора и мезодермы. Он есть у всех, у кого вообще есть хоть какие-то Т-боксные гены. Если у кого-то (у плесневого гриба, например) Т-боксный ген всего один, то это ген Brachyury . Все остальные Т-боксные гены эволюционно произошли именно от него.

Изменилась ли функция этого гена на эволюционном пути от одноклеточных существ до животных? В Институте эволюционной биологии в Барселоне (Institut de Biologia Evolutiva , IBE) решили проверить это экспериментально. Для исследования были взяты два организма: уже упомянутая амеба Capsaspora owczarzaki и давний, заслуженный объект биологии развития - шпорцевая лягушка Xenopus laevis .

Сначала действие гена Brachyury в зародыше лягушки заблокировали методом искусственной РНК-интерференции . Это привело к вполне ожидаемому результату: процесс образования мезодермы у лягушки нарушился, осевые мышцы оказались недоразвиты. Но если вовремя ввести в такой зародыш информационную РНК Brachyury , полученную от капсаспоры, эти нарушения частично компенсируются (рис. 4). Продукты генов Brachyury капсаспоры и лягушки настолько близки по структуре, что являются взаимозаменяемыми! Такая консервативность функции регуляторного гена - от амебы до позвоночного животного - даже на фоне наших современных знаний выглядит выдающейся. Особенно если учесть, что общий предок капсаспоры и лягушки, от которого оба унаследовали ген Brachyury , жил, скорее всего, более миллиарда лет назад (см.: Parfrey et al., 2011. Estimating the timing of early eukaryotic diversification with multigene molecular clocks).

Вместе с тем нельзя сказать, что функции Т-боксных генов у одноклеточных организмов и у многоклеточных животных совершенно одинаковы. Например, у лягушки продукт гена Brachyury оказывает сильное активирующее действие на ген Wnt11 , гораздо более слабое - на ген Sox17 и вовсе не влияет на ген chordin (который, однако, активируется продуктом другого Т-боксного гена). А вот если ввести лягушке продукт гена Brachyury , полученный от капсаспоры, то выясняется, что он одинаково действует на все три гена-мишени: специфичность здесь еще не выработалась, и разделение функций не произошло. Механизмы действия Т-боксных генов не даны раз навсегда: они эволюционируют, просто очень медленно. В эволюции животных наглядно видно, как возникающие в этом семействе новые гены «делят» разные функции между собой.

Итак, ген Brachyury - это один из самых древних генов, регулирующих развитие многоклеточных животных (см., например: Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше , «Элементы», 12.10.2013). Этому гену больше миллиарда лет. Остается открытым очень интересный вопрос: на какие же, собственно, физиологические процессы может влиять у амеб и у грибов ген, который у позвоночных животных (к примеру) ответственен за развитие хорды и осевых мышц? Вероятно, скоро мы это узнаем.