Особенности роста и развития растений и животных

Процессам роста и развития присущи определенные физические ограничения, удерживающие увеличение размеров и изменения формы в известных пределах. С увеличением линейных размеров вдвое площадь поверхности увеличивается в 4 раза, а объем в 8 раз. Это имеет важнейшее значение для таких параметров, как регуляция температуры и прочность структуры, необходимой для поддержания возрастающей массы организма. Хотя клетки бывают самых разных размеров – от крошечного сперматозоида до огромного яйца страуса – их размеры, тем не менее, ограничиваются теми расстояниями, которые могут быстро преодолеть питательные вещества и продукты распада, диффундируя в цитоплазме. Некоторые из самых крупных клеток нашего тела – нервные и мышечные – справляются с этими ограничениями, сочетая увеличение длины с сильным сокращением диаметра.

В семенах растений имеется эндосперм, снабжающий зародыш питательными веществами подобно тому, как желток обеспечивает питание развивающемуся зародышу животных. Семена сосудистых растений при прорастании образуют корни и побеги. Несмотря на значительные различия между корнями и побегами, у них много общего. И те и другие многократно ветвятся, а их растущие кончики, состоящие из недифференцированных клеток, образуют конусы нарастания (верхушечные меристемы). Многократные митотические деления в конусе нарастания постоянно поставляют новые клетки, обеспечивающие рост в длину. Непосредственно за этой зоной пролиферации находятся зоны дифференцировки и растяжения; здесь новообразованные клетки превращаются в специализированные клетки ксилемы и флоэмы – проводящих тканей растения. В процессе дифференцировки эти клетки сильно растягиваются в длину, что обеспечивает очень быстрый рост побегов (например, у бамбука). Между ксилемой и флоэмой расположен слой камбиальных клеток, за счет которых происходит утолщение стеблей и корней [8, с. 3].

Приведенное выше описание относится, в основном, к деревьям и кустарникам. В отличие от них, у многих травянистых растений зона нарастания листьев находится у основания, а не на верхушке. Листья растут у них снизу, и именно поэтому газон приходится подстригать многократно. Деревья и живые изгороди тоже подстригают, чтобы придать им определенную форму, однако при этом их зоны нарастания срезаются. В результате после обрезки ветвей кусты и деревья растут гуще, потому что при повреждении верхушки побега меристемы, отдаленные от его кончика, принимают на себя функции утраченной части. До удаления верхушечной меристемы [Приложение 1], оказывавшей на них тормозящее воздействие, эти латеральные меристемы пребывали в латентном состоянии; освободившись от торможения, они дают начало боковым ветвям. Это явление иллюстрирует механизм, регулирующий рост растения. Верхушечная меристема вырабатывает гормональные вещества (ауксины), которые, перемещаясь вниз по стеблю, тормозят рост других меристем. Ауксины определяют также тропизмы растений, например, тенденцию расти в сторону источника света. Инактивируясь [Приложение 1] на освещенной стороне стебля, они стимулируют удлинение стебля на теневой стороне, заставляя его склоняться в направлении к источнику света.

От количества света зависят также сроки вегетации: каждый вид растений начинает и заканчивает рост, цветет и производит семена в определенное время года. В умеренных широтах жизненные циклы растений приспособлены к колебаниям температуры и к удлинению или укорочению светового дня. Некоторым видам для цветения необходим длинный, а другим короткий день. Там, где колебания температуры и длины светового дня минимальны, прежде всего, в тропиках, в координации жизненных циклов растений может участвовать чередование периодов дождей и засухи.

Однолетние растения запрограммированы на прекращение роста и отмирание в первый (и единственный) год своей жизни, а продолжение существования вида обеспечивается семенами. В отличие от них многолетние растения, в частности деревья, обладают способностью к потенциально неограниченному росту. За счет верхушечных меристем всех побегов объем тканей ежегодно увеличивается, а за счет камбия происходит рост ствола в толщину и повышается его прочность. Способность деревьев расти до тех пор, пока они живут, а жить до тех пор, пока они растут, демонстрирует пример секвойи с ее гигантскими размерами и потенциальным бессмертием.

В отличие от растений, рост которых происходит путем удлинения и разрастания в стороны, большинство развивающихся животных растут за счет увеличения размеров каждого органа или ткани. Головной мозг растет вначале быстро, но по мере того, как его клетки прекращают деление и только увеличиваются в размерах, его рост замедляется. Рост и развитие половых органов происходит в основном в период полового созревания. Хотя каждый орган следует своему собственному «расписанию», существует также механизм общего контроля, регулирующий конечные размеры тела животного. У позвоночных эту роль выполняет в основном гормон роста, вырабатываемый гипофизом. Под действием гормона роста происходит в первую очередь удлинение костей, каждая из которых прекращает рост в длину на определенной стадии развития. Связанные с костями ткани (мышцы, нервы, кровеносные сосуды, кожа) перестают расти, когда кривая роста животного достигает плато [12, с. 17].

Описанный механизм роста свойствен животным с детерминированным, или ограниченным, ростом, в первую очередь – наземным животным: их размеры не могут перейти некий предел, за которым утрачивается способность поддерживать массу тела. У многих водных животных, напротив, рост продолжается неопределенно долго даже после наступления половой зрелости, и они достигают очень крупных размеров. Это объясняется тем, что в водной среде животные находятся как бы в состоянии невесомости и им не приходится поддерживать свое тело, а потому в процессе эволюции у них не возник механизм ограничения роста. В этом отношении рост рыб сходен с ростом многолетних растений.

Рост рыб на протяжении всей жизни происходит за счет увеличения числа функциональных единиц в их органах и тканях, т.е. в структурах, клетки которых у более высоко организованных животных перестают делиться на относительно ранней стадии жизни. Так, у рыб по мере роста добавляются новые клетки в головном мозге и новые палочки и колбочки в сетчатке глаз; возможна также дифференцировка дополнительных мышечных волокон в сердечной и скелетных мышцах. Кости у рыб растут за счет отложения на их поверхности нового материала. По мере увеличения челюстей на них вырастают как совершенно новые зубы, так и замещающие утраченные. Чешуи увеличиваются в результате добавления новых колец, а плавники удлиняются за счет формирования дополнительных сегментов на кончиках их костных лучей.

Многие животные в процессе развития претерпевают метаморфоз. При этом они получают возможность использовать на разных стадиях жизни разные местообитания и разную пищу. Например, у чешуекрылых личиночная стадия представлена листоядными гусеницами, а взрослая – бабочками, которые питаются нектаром, перелетая с цветка на цветок. На стадии куколки личиночные ткани постепенно разрушаются, а из скоплений недифференцированных клеток – т.н. имагинальных дисков – развиваются крылья и ноги. У лягушек из икры вылупляются растительноядные головастики, которые вначале обитают в воде, а затем превращаются в наземных плотоядных животных, дышащих воздухом. Хвосты и жабры головастиков резорбируются [Приложение 1], а взамен развиваются ноги и легкие. У некоторых животных свойственная зародышу способность к развитию сохраняется во взрослом состоянии, обеспечивая регенерацию утраченных частей тела.

Таким образом, в отличие от растений, рост которых происходит путем удлинения и разрастания в стороны, большинство развивающихся животных растут за счет увеличения размеров каждого органа или ткани.