Эволюция кровеносной системы позвоночных животных

Эволюция систем органов

«Ничто в биологии не

имеет смысла иначе

как в свете эволюции»

Ф.Г. Добржанский

Биологическая эволюция – необратимый процесс исторического развития живой природы. Определяется изменчивостью, наследственностью и естественным отбором. Сопровождается приспособлением организмов к условиям существования, образованием и вымиранием видов, преобразованием биогеоценозов и биосферы в целом.

Эволюция (от лат. evolution – развертывание) в широком смысле – то же, что развитие; в более узком – представление о медленных, постепенных изменениях. Эволюция является ключевым моментом в устройстве и механизме мироздания. В связи с этим различают эволюцию неживой природы, биологическую и социально-культурную формы эволюции. Эволюционное мировоззрение позволяет увидеть общее в частностях и единство в многообразии.

В биологии под развитием понимают процесс тесно взаимосвязанных количественных (рост) и качественных (дифференцировка) преобразований особей с момента зарождения и до конца их жизни (онтогенез), а также и в течение всего времени существования жизни их видов на Земле (историческое развитие или филогенез).

Эволюция – твердо установленный научный факт. Она придаёт смысл, логику и стройность всему гигантскому массиву накопленных биологией знаний. Отвлечься от эволюции биолог может только на краткое мгновение, изучая, например, строение двадцать первой пары ножек у сороконожек, межклеточные контакты, строение нефрона почки человека, нейрона ЦНС, или другие структуры. Однако, выяснить как возникли, сложные структурно-функциональные единицы органов и сами органы, а также новые виды организмов помогает эволюционный (исторический) подход. Без эволюционного мировоззрения биология превращается в набор бессмысленных, разрозненных, необъясненных научных данных. Знания эволюции животных необходимы для понимания причин возникновения многих болезней и пороков развития. Сведения, полученные при исследовании организмов, находящихся на различных уровнях развития (вирусов, бактерий, протистов, червей, насекомых, рыб и других менее сложноорганизованных организмов) позволяют нам глубже понять, как работают человеческие органы, какие причины вызывают у нас болезни, и какие новые методы мы можем использовать для улучшения здоровья и продления нашей жизни.

Важнейшим фактором естественного отбора являются инфекционные и паразитарные болезни, вызываемые вирусами, бактериями, грибками, протистами, червями и членистоногими. Отсюда ясно, что проблему взаимоотношений макроорганизмов с миром паразитов полезно анализировать с эволюционных позиций. Необходимо понимать, что человеческий организм не застывшая система на уровне вида; она продолжает эволюционировать, и по-прежнему подвержена действию отбора. Еще быстрее эволюционируют паразиты, поскольку смена поколений у них неизмеримо выше, чем у млекопитающих. Без знания механизмов эволюции паразитов невозможно эффективно противостоять распространению инфекционных и инвазионных болезней. Элементарная биологическая грамотность, так необходимая врачу, невозможна без знаний эволюционных процессов, непрерывно протекающих в природе и обществе.

Режим эволюции генов

Наиболее важным в эволюционном учении является вопрос о том, каким образом организмы приспосабливаются к внешней среде. Правильно ответить на этот кардинальный вопрос помогает биоинформатика. Ученые, работающие в этой передовой области (отрасли) генетики анализируют последовательности нуклеотидов в генах и порядок расположения аминокислот в белках. Основываясь на данных биоинформатики, японский биолог Мотто Кимура предложил теорию молекулярной эволюции. Согласно его взглядам, (получивших широкое признание), существует три режима накопления одиночных замен в генах.

Первый – нейтральная эволюция, когда мутации не изменяют структуру или функцию гена и соответствующего белка, Они характерны для участков ДНК, которые не слишком важны для выживаемости организма и не влияют на его приспособленность. (Такими участками, например, являются неинформативные участки гена – интроны, межгенные последовательности – спейсеры). В ходе эволюции такие мутации накапливаются в геномах с приблизительно постоянной скоростью, поэтому в молекулярной эволюции они служат эталоном времени. Процесс накопления таких замен даже назвали молекулярными часами по аналогии с атомными часами – эталоном времени в физике. (Используя, например, «молекулярные часы», ученые определили время расхождения ветвей от общего предка, приведших к шимпанзе и человеку).

Второй режим – стабилизирующий отбор, под действием которого обычно находятся особо важные гены или их участки; почти любая замена в них повредит продукт гена и уменьшит приспособленность организма. Скорость накопления мутаций при таком отборе тем ниже, чем важнее ген и чем меньше его функция связана непосредственно с внешней средой. Под действием стабилизирующего отбора часто находятся гены «домашнего хозяйства», кодирующие белки-ферменты энергетического обмена, белки-гистоны и мн. др.

Третий режим эволюции – движущий отбор. Он характеризуется увеличенной скоростью накопления мутаций, так как в новых условиях они повышают приспособленность организма, придавая генам какие-либо новые свойства (например, возрастает устойчивость микроорганизмов к антибиотикам, насекомых – к инсектицидам.

В эволюционном учении выделяют 4 основных направления эволюционной мысли: 1) ламаркизм (возможность наследования благоприобретенных признаков, т.е. признание передачи информации от фенотипа к генотипу. Название учения образовано от фамилии французского ученого Жана Батиста Ламарка; 2) жоффруизм (изменение организма под прямым воздействием среды, в особенности ранних зародышевых стадий). Учение носит имя французского натуралиста Этьена Жоффруа Сент-Илера; 3) дарвинизм (эволюция путем естественного отбора случайных изменений). Теорию сформулировал Чарлз Дарвин. 4) номогенез (развитие на основе закономерностей, а не случайностей). Автором концепции является Лев Семенович Берг. Основоположники этих учений в главном были правы, но в чем-то каждый из них ошибался, возможно, из-за признания абсолютной истины.

Теория Дарвина дала ответы на коренные вопросы биологии, в том числе и на то, почему морфология, физиология и поведение организмов соответствует условиям их обитания. Учение Дарвина имеет самое прямое отношение к медицине. Ведь медицина комплекс наук, изучающих человека не только больного, а и здорового, – существа, в основе своей, биологического, зависимого от природы и одновременно являющегося ее частью.

Эволюция кровеносной системы позвоночных животных

Между частями и органами тела любого организма в состоянии активной жизни постоянно происходит распределение веществ и газов. Транспорт жидкости и содержащихся в ней веществ может происходить на основе осмоса, за счет диффузии, молекул-переносчиков и специальных клеток. У высокоорганизованных организмов, в дополнение к этим процессам, появился эффективный способ перемещения жидкостей, осуществляемый механической работой специальных «насосов-сердец». У позвоночных имеется три обособленных полости, содержащих жидкости: система кровеносных сосудов, вторичная полость тела (целом) и межклеточные пространства, заполненные интерстициальной (тканевой) жидкостью. (Термин «жидкость» является не совсем корректным, поскольку это коллоидный раствор, но в научной и учебной литературе он закрепился давно, и заменить его другим, более адекватным термином довольно сложно). Отток жидкости из межклеточных пространств у позвоночных происходит через лимфатические сосуды, которые слепо начинаются в тканях и впадают в виде протоков в крупные кровеносные сосуды.

Важнейшей составной частью системы циркуляции является кровеносная система. Кровеносная система выполняет очень много функций. Она обеспечивает гомеостаз и целостность организма, осуществляя перенос кислорода питательных веществ ко всем органам, а углекислого газа к органам дыхания, доставляет гормоны к клеткам-мишеням, участвует в перераспределении тепла в организме. Наряду с транспортом веществ и газов, кровь выполняет защитную функцию в форме иммунных реакций. По кровеносным и лимфатическим сосудам происходит миграция клеток (в том числе раковых).

Кровеносная система имеется у различных типов бесхордовых (немертин, кольчатых червей, моллюсков, членистоногих, иглокожих) и хордовых животных. Хордовые – высший тип, подразделяющийся на три подтипа: бесчерепные, личиночнохордовые и черепные, или позвоночные. Кровеносная система хордовых сформировалась особым путем и независимо от состояния кровеносной системы бесхордовых. Её совершенствование происходило путем дифференциации (появление новых структур), интеграции (появление новых системных свойств) и интенсификации функций в ходе филогенеза (исторического развития) хордовых.

В медицинском аспекте представляет интерес эволюция кровеносной системы у бесчерепных и позвоночных животных, поскольку позволяет понять причину возникновения атавистических (aтавизм – возврат к предкам) пороков развития сердца и магистральных сосудов. Следует подчеркнуть, что кровеносная система исторически развивалась в тесной связи с другими системами (нервной, дыхательной, выделительной, пищеварительной) и рассмотрение ее, отдельно от других систем, обусловлено только соображениями дидактического характера (для облегчения восприятия учебного материала). В процессе эволюции усложнялись существующие органы и формировались новые (например, железы внутренней секреции), изменялась структура капилляров, появлялись новые регуляторные и структурные белковые молекулы. В крови человека насчитывается более трех тысяч различных белковых молекул.