Реферат: Трансформации эволюции, связанные с переходом из водной среды в воздушную

Рис. 3. Различия формы некоторых структур у растений в водной и воздушной средах, A. Ranunculuspeltatusобразует листья трех типов: погруженные со многими линейными структурами, переходные – с немногочисленными линейными структурами и с плавающими иа поверхности воды широкими листьями. Б. Различия габитуса и формы листьев у четырех растений, происходящих от одного и того же клона Poientillaglandulosa, но выросших в разных условиях

Трансформация растений при переходе из водной среды в воздушную и "стирание" гена

Сходство между модификациями, происходящими в химических веществах и в живых организмах, становится еще более очевидным при внимательном анализе изменений, которые претерпевают растения при выходе из воды на сушу.

У многих видов растений, таких, как Ranunculus, Alismaи Sagittaria,листья имеют линейную или яйцевидно-ланцетовидную форму в зависимости от того, формируются ли они в воде или в воздухе соответственно. Все клетки растения имеют один и тот же генотип, но тем не менее, совершенно разные фенотипы в зависимости от содержания воды в среде.

Для понимания эволюции и роли, которую играет в ней внешняя среда, очень важно выяснить, могут ли структуры, возникшие при разном содержании воды в среде, стать постоянными или они лишь временные. Эксперименты, проведенные на плюще Hedera, частично ответили на этот вопрос. У плюща листья также бывают двух типов: молодые листья рассеченные, а зрелые листья, появляющиеся на стадии размножения, – цельные. Отводки, взятые с цветущей ветки плюща, продолжают давать только цельные листья. Эта форма листа сохраняется независимо от числа происходящих клеточных делений и размеров растений. Ювенильная форма листа вновь появляется лишь тогда, когда растение размножается семенами, т.е. когда его клетки претерпевают меиотическое деление.

Это позволяет считать, что прохождение через половые клетки изменяет экспрессию гена. У кукурузы и у насекомого Sciaraфункция одного из генов изменяется в результате прохождения через клетки зародышевой линии. Это показывает, что у Hederaизменение формы листьев было вызвано генетической модификацией, которая способна репродуцироваться только в результате прохождения через клетки зародышевого пути. Такой паттерн листа создается в результате генетического состояния, которое оставалось стабильным на протяжении многих клеточных делений или циклов размножения, но может быть стерто при возникновении новых условий, таких как половое размножение. У таких наземноводных растений, как Ranunculus, листья, находящиеся в воде, – рассеченные, находящиеся на воздухе – цельные. Цветки образуются на воздушных частях растения, и в этих цветках завязываются семена, у которых совершенно стерт паттерн цельных листьев, поскольку у молодых растений развиваются только дольчатые листья.

Клеточная память и ее стирание теперь четко установлены на молекулярном уровне. Клетки личинок дрозофилы можно бесконечно долго выращивать в культуре и при этом они не теряют способность формировать взрослые структуры: если добавить к культуре соответствующий гормон, то происходит быстрая дифференцировка с образованием таких структур. Стирание гена на уровне транскрипции недавно было подробно исследовано на гене 5S-PHK шпорцевой лягушки Xenopus.

Изменения характера структуры, зависящие от развития и от среды, давно уже смущали н ставили в тупик и генетиков, и эволюционистов. Явления запрограммированности и стирания, которые теперь хорошо изучены, позволяют гораздо лучше понять эти два процесса и их взаимозависимость в становлении эволюции.

Трансформации птиц при переходе из водной среды в воздушную

Форму тела водоплавающих птиц и птиц, частично живущих на болотах, назвали "адаптацией", тем самым как бы дав ей объяснение.

Если, однако, сравнивать то, что происходит со снежинками и с водными растениями, с одной стороны, с тем, что наблюдается у водоплавающих птиц, – с другой, то это предстанет в ином свете. У растений вода способствует образованию линейных или рассеченных листьев, тогда как в воздухе обычно образуются яйцевидные или широкие листья. У водоплавающих птиц между пальцами имеются широкие перепонки, тогда как у птиц, проводящих свою жизнь преимущественно в воздушной среде, таких перепонок нет. У болотных куликов длинные ноги, обычно погруженные в воду.

Изменение формы, связанное с переходом в водную среду, это, возможно, не "адаптация", а изменение характера структуры, детерминируемое содержанием воды в среде, окружающей клетки, точно так же, как в случае растений или кристаллов снега. Оно происходит независимо от того, какие это может иметь последствия для животного или растения.

Рис. 4. Различия между птицами, обитающими в водной и в воздушной средах. А. Водоплавающий вид – змеешейка Anhingaanhinga, питающаяся рыбой; у нее большие лапы с широкими перепонками между пальцами. Б. Болотные птицы; у всех трех видов длинные ноги, обычно погруженные в воду. В. Лапы не связанной с водой глухой кукушки и околоводной олуши

Это не означает, что растения любого вида при выращивании в воде образуют рассеченные листья или что любой вид птиц или амфибий, оказавшись вынужденным жить в водной среде, изменит форму своего тела. Обнаружение в клетках хеморецепторов позволяет рассматривать это явление в иной перспективе. Клетки тела, очевидно, содержат хеморецепторы, реагирующие на воду. Существенный момент состоит в том, что некоторые растения и животные без видимых изменений своих структурных генов могут реагировать на химические компоненты таким образом, что это влечет за собой коренные изменения структур, составляющих организм

Процессы, связанные с рождением человека, сходны с трансформациями у амфибий – в обоих случаях наблюдается переход из водной среды в воздушную

Рождение ребенка – событие столь частое, что его обычно рассматривают как "естественный процесс", представляющий научный интерес, но не имеющий эволюционного значения. А между тем он сопровождается резкой сменой среды и внутренних физиологических условий. Кроме того, это изменение происходит чрезвычайно быстро, в течение времени, измеряемого в минутах или часах.

Рождение фактически представляет собой резкий переход индивидуума от жизни в воде к жизни в воздухе. Эта ситуация во многом сравнима с тем, что происходило в процессе эволюции амфибий, когда они перешли от жизни в воде к жизни в воздушной среде.

У этих двух событий имеются следующие черты сходства.

1. У млекопитающих рождение детеныша связано с переходом из жизни в воде к жизни в воздушной среде. Плод человека плавает в амниотической жидкости, состоящей главным образом из воды, а в момент рождения он внезапно оказывается в воздушной среде. Развитие амфибий сопровождается аналогичной сменой среды.

2. Головастик живет на темном илистом дне озера, а взрослая лягушка – на ярком солнечном свету у поверхности воды. Сходным образом плод человека выходит из утробы матери в ярко освещенный внешний мир.

3. У головастика имеются жабры, и он извлекает кислород из воды. У зародыша человека на ранних стадиях развития тоже есть жабры, и в течение внутриутробной жизни он получает кислород из крови матери.

4. Через несколько дней после превращения головастика в лягушку жабры рассасываются, развиваются легкие и животное переходит к потреблению атмосферного кислорода. Младенец начинает дышать легкими сразу после рождения.

5. Головастик в основном питается растительной пищей, а взрослая форма является хищником. Плод человека, находясь в матке, не использует собственный пищеварительный тракт, получая питательные вещества через плаценту. Сразу после того, как новорожденный начинает сосать молоко, его пищеварительный тракт вступает в действие.

6. Как уже говорилось, превращение головастика во взрослую лягушку направляется главным образом химическими факторами, а именно гормоном, секретируемым щитовидной железой. Недавно было установлено, что события, происходящие при рождении человека и связанные с переходом из водной среды в воздушную, также направляются гормонами – катехоламинами, главным образом адреналином и норадреналином. Детальное изучение показало, что поступление этих гормонов в кровь подготавливает младенца к переходу из одной среды в другую. Они помогают плоду перенести недостаток кислорода, возникающий при сжатии плаценты и самого плода во время сокращений матки матери. Повышение уровня этих гормонов, кроме того, способствует очищению легких и изменению их физиологии, активизируя дыхание. Они вызывают также расширение зрачков, давая младенцу возможность впервые взглянуть на окружающий его светлый мир. Такая роль этих гормонов была подтверждена экспериментами по удалению их источника, проводившимися на крысах и овцах.

Переход из водной среды в воздушную обусловливается у амфибий и у высших млекопитающих, в частности у человека, главным образом гормонами и характеризуется в этих двух группах рядом сходных особенностей, касающихся физиологии и окружающих условий. С эволюционной точки зрения важное значение имеют скорость этого перехода и его канализация химическими процессами, присущими самому организму.

Оленя можно превратить в кита с помощью химических манипуляций и ряда относительно быстрых событий.

Можно было бы думать, что далекий предок таких млекопитающих, как тюлени и киты, был близок к рыбам или амфибиям. Однако это не так. Опыты по расщеплению ДНК с помощью рестриктаз и последующая ДНК/ДНК-гибридизация, а также использование других молекулярно-биологических методов показали, что предками китов были парнокопытные, такие как олень, а предками тюленей – такие хищники, как выдра и норка.