ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ УРОКА
Факт 1. Все клетки тела многоклеточного организма имеют одинаковый набор генов.
Факт 2. Ткани и органы многоклеточного организма состоят из клеток с различным химическим составом, строением и функциями.
• В чём противоречие приведённых фактов? Что в разных клетках сходно и что различно?
• На какой вопрос мы будем искать ответ? Какая проблема возникает в связи с изучением развития организма из одной клетки? Предложите свой вариант и сравните с авторским на с. 396.
НЕОБХОДИМЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ
• Вспоминаем термины: онтогенез, эмбрион, метаморфоз, личинка (9 класс), зигота. (§19)
• Чем индивидуальное развитие отличается от исторического развития? (9 класс)
• Что можно назвать наследственной программой организма? (9 класс)
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Что такое онтогенез
• Что означает это слово, к какому объекту и периоду его применяют?
Индивидуальное развитие организма, или онтогенез, - это вся совокупность преобразований особи от зарождения до конца её жизни. Это процесс реализации наследственной программы, полученной особью от родителей (при половом размножении) или от одного родительского организма (при бесполом размножении). Исследованием онтогенеза занимается биология развития.
23.1. Индивидуальное развитие бабочки
• В чём смысл превращений в процессе онтогенеза?
У одноклеточных онтогенез, как правило, совпадает с клеточным циклом и протекает от одного деления клетки до другого или до гибели от неблагоприятных факторов среды. При делении родительской клетки появляются два потомка. В этом смысле одноклеточные потенциально бессмертны, хотя в действительности вероятность гибели каждой отдельной клетки весьма высока. Косвенно в пользу этого говорит их высокая плодовитость.
При бесполом размножении онтогенез может начинаться со споры, почки, черенка и т.п. При половом размножении онтогенез нового организма начинается с момента оплодотворения, т.е. с зиготы.
У многоклеточных организмов онтогенез делится на два важнейших периода: эмбриональное, или зародышевое, развитие; постэмбриональное развитие, включающее стадию личинки (или детства), стадию взрослого организма и стадию старения.
Закладка «фундамента» строения организма
• Какие процессы происходят в период эмбрионального развития и как они направляются в нужную сторону?
Эмбриональный период длится от момента образования зиготы до выхода зародыша из яйца, или рождения. Рассмотрим процессы, происходящие в этот период, на примере развития нашего просто устроенного предка - ланцетника.
Многоклеточный организм состоит из различных органов и тканей. Но прежде чем в онтогенезе произойдёт дифференцировка клеток, необходимо на первых порах получить некоторое множество клеток. Поэтому на первой стадии, которая называется дроблением, яйцеклетка митотически делится, в результате чего образуется 2, 4, 8 клеток и т.д. (рис. 23.2). Дробление идёт быстро, так как клетки при этом не растут и не дифференцируются. Заканчивается дробление образованием бластулы - полого шарика, стенка которого состоит из одного слоя клеток. Таким образом, в конце этого процесса в результате серии митозов образуется множество очень похожих по строению и химическому составу клеток, имеющих одинаковое количество ДНК, одинаковые хромосомы, одинаковые гены.
Каким же образом клетки разных органов и тканей оказываются различными по своему строению и функциям, т.е. дифференцированными? Дело в том, что в каждой клетке многоклеточного организма работает только небольшая часть генов, определяющая развитие в нужном направлении. Синтезируемые по матрице этих генов белки, будучи ферментами, запускают специфические реакции, что приводит к изменению химического состава и строения этих клеток и в конечном итоге к их развитию.
23.2. Дробление оплодотворённого яйца ланцетника и образование зародышевых листков
• Найдите на рисунке все процессы, описанные в тексте.
От чего же зависит, какие гены будут активированы в клетке? Во-первых, от собственного состояния клетки (её химизма, структуры), от того, какие стадии уже пройдены и какая будет следующей по очереди. Во-вторых, клетка реагирует на гравитационное поле Земли. В-третьих, на активацию генов могут повлиять с помощью химических сигналов соседние клетки.
Этих трёх способов реагирования клетки вполне достаточно, чтобы процесс считывания информации с ДНК регулировался так, как требуется в данный момент в данной клетке эмбриона.
Опыты по пересадке зародыша и его частей подтвердили, что различная активность генов в дифференцирующихся клетках определяется влиянием соседних клеток и тканей. Проиллюстрируем эти закономерности на примере образования зародышевых листков.
На нижнем полюсе бластулы клетки начинают делиться более активно и углубляются внутрь шарообразного зародыша, образуя впячивание. В результате однослойный зародыш превращается в двухслойный — гаструлу. Два слоя клеток при этом занимают в зародыше разное положение, а значит, испытывают на себе различное влияние соседей. В результате формируются зародышевые листки: наружный — эктодерма и внутренний - энтодерма. Между ними на стадии нейрулы образуется третий зародышевый слой - мезодерма.
Дальнейшее развитие зародыша связано с взаимодействием трёх зародышевых листков, из которых формируются все органы. У высших позвоночных и человека из эктодермы формируются нервная система, покровы, кожные железы, эмаль зубов, волосы. Энтодерма даёт начало тканям, выстилающим кишечник и дыхательные пути, образует печень и поджелудочную железу. Из мезодермы образуются мышцы, костный скелет, органы выделения, половой и кровеносной систем организма. В процессе развития органов между частями развивающегося зародыша существует взаимодействие: зачаток одного органа определяет местоположение и время образования другого органа. Цепь таких взаимовлияний и определяет направление развития многоклеточного организма.
Эмбриональное развитие происходит за счёт вещества и энергии внешнего источника — материнского организма. Рождение превращает эмбрион (плод) в самостоятельную особь. В этот момент, например, у ребёнка включаются многие функции самообеспечения: кровообращение, дыхание, выделение, питание.
Прямое и непрямое развитие
• Чем определяется выбор пути постэмбрионального развития у животных?
Прямое развитие постепенно: его соседние стадии не имеют резких различий. Таково развитие человека и большинства позвоночных, насекомых с неполным превращением. В этом случае взрослая стадия развития мало чем отличается от детской или личиночной стадии, кроме размеров и способности к размножению. Важное достоинство этого способа развития заключается в том, что оно позволяет взрослому животному использовать опыт, приобретённый на ранних стадиях постэмбрионального развития. Это особенно важно для долгоживущих высших животных, в жизни которых обучение играет значительную роль. Способность к обучению у человека — самый яркий пример этого преимущества.
Непрямое развитие представлено личиночной стадией, не похожей на взрослый организм. За ней следует стадия превращения, или метаморфоза, в течение которой происходит резкая перестройка всей организации особи. Наконец, наступает взрослая стадия, не похожая на личиночную, и организм приобретает способность к размножению. Таково развитие многих паразитических червей (например, финка, личинка лентеца и взрослый червь), насекомых с полным превращением (гусеница, покоящаяся куколка и бабочка), бесхвостых амфибий (головастик и взрослая лягушка). Преимущество непрямого развития в том, что личинки и взрослые одного и того же вида могут использовать совершенно разные местообитания, способы и объекты питания. Но при этом опыт, приобретённый личинкой, бесполезен для взрослого животного.
23.3. Постэмбрионалъное развитие: А — непрямое (у лягушки); Б — прямое (у ящерицы)
Такой способ постэмбрионального развития характерен для паразитов с последовательной сменой хозяев и для короткоживущих организмов, которым врождённые инстинкты гораздо важнее, чем опыт, приобретаемый в течение жизни.
Старение и омоложение
• Какими признаками характеризуется старение?
Завершается индивидуальное развитие высших многоклеточных старением и смертью. Старение связано с морфологическими и физиологическими изменениями, понижающими интенсивность обмена веществ в организме. Снижается общая устойчивость организма к неблагоприятным факторам среды: инфекциям, резким изменениям температуры и давления, особенно в межсезонья, и т.п. Ослабевает способность к восстановлению структур и функций после нарушения. Одно из таких нарушений в конечном счёте завершается смертью.
Закономерности старения до конца не изучены. Они связаны с нарушением внутриклеточных процессов обмена и использования информации.
Старение необратимо, однако у просто устроенных организмов возможно частичное омоложение тканей и органов — избавление их от накопившихся дефектов. В его основе лежит регенерация нарушенных частей из ненарушенных. Дерево может омолодиться за счёт корневых отпрысков, усов, спящих почек на пне и т.п. Но чем сложнее устроен организм и чем сильнее взаимозависимость его частей, тем более затруднительно омоложение.
ОБОБЩЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ
Индивидуальное развитие организма, или онтогенез, - это вся совокупность преобразований особи от зарождения до конца её жизни. Оно выражается в процессе реализации клетками наследственной программы. Развитие направляется взаимодействием частей развивающегося организма, которое определяет реализацию той или иной части наследственной программы в данной клетке (ткани). Различают два типа постэмбрионального развития: прямое (постепенное) и непрямое (с метаморфозом).
Онтогенез, или индивидуальное развитие.
Эмбриональное и постэмбриональное развитие. Дробление. Зародышевые листки. Прямое и непрямое развитие. Метаморфоз
ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
1.• Почему дробление предшествует дифференцировке?
2. • Чем определяется направление дифференцировки клеток?
3.• В чём преимущества прямого и непрямого развития? Приведите примеры.
4. • Какие из приведённых сведений применимы к человеку?
5.• В чём преимущества прямого развития для становления человека как разумного существа?
6. • Почему при описании эмбрионального развития авторы учебников обычно ограничиваются описанием дробления и дифференцировки зародыша на зародышевые листки?
7. • Почему онтогенез состоит из длинного ряда превращений? Не проще ли сразу формировать взрослый организм?
8. • Почему нет мыслящих насекомых?
•• МОИ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Выявление признаков сходства зародышей человека и других животных как доказательство их родства
Рассмотрите препараты или муляжи зародышей человека и других животных (в том числе и млекопитающих). Определите черты сходства и отличия и занесите их в таблицу. Создайте презентацию в PowerPoint, на которой отразите свои наблюдения. Иллюстративный материал для неё можно подобрать в Интернете.