Разнообразие животных

Царство Animalia состоит из ряда организмов, объединенных набором общих характеристик. За некоторыми исключениями, животные являются многоклеточными эукариотами, которые передвигаются, потребляют органические вещества и размножаются половым путем. Хотя эти атрибуты являются общими, виды в этом царстве также чрезвычайно разнообразны. Такое разнообразие обусловлено адаптацией каждого вида к своей нише. Ниша вида включает в себя площадь, функцию и взаимоотношения этого вида с другими биотическими и абиотическими факторами в окружающей его среде. Специализация ниши за счет эволюционной адаптации позволяет видам выживать и эффективно размножаться в окружающей среде и снижает конкуренцию между видами в пределах одной и той же среды обитания^1-2.

Классификация

Разнообразие в царстве Animalia привело к классификации 36 различных типов, основанных на их эволюционной линии. Семь из этих типов будут обсуждаться, включая Porifera, Cnidaria, Platyhelminthes, Annelida, Mollusca, Arthropoda и Chordata. Первый, тип Porifera, является самым ранним, самым простым, самым предковым типом. Он включает в себя многоклеточные, асимметричные фильтрующие губки, в которых отсутствуют отчетливые тканевые слои. Интересно, что губки могут отрастать заново после того, как их разломают до уровня одной клетки. Далее, по возрастанию сложности, в состав типа Cnidaria входят медузы и кораллы. Представители этого типа радиально симметричны и диплобластны (имеют два тканевых слоя). Эти слои тканей называются энтодермой, из которой состоит внутренний слой, и эктодермой, которая образует внешний слой. Организмы типа Cnidaria содержат простую кишку с одним отверстием, через которое поступает пища и выводятся отходы. И Porifera, и Cnidaria включают организмы, которые во взрослом возрасте в основном ведут сидячий образ жизни. Тем не менее, остальные типы развили адаптации, которые позволяют двигаться и вести себя более сложно.

После Cnidaria существуют два типа червей, называемые Platyhelminthes и Annelida. Черви обоих этих типов дышат, обмениваясь газами на коже. В результате большинство червей имеют большое отношение площади поверхности к объему и живут во влажной или водной среде. Кожа этих организмов должна оставаться влажной, чтобы способствовать эффективной диффузии газов. Еще одной общей характеристикой червей является их двусторонняя симметрия. Это означает, что организм может быть симметрично разделен пополам вдоль плоскости. Двусторонняя симметрия наблюдается не только у червей, но и у каждого типа, начиная с этой эволюционной точки. Такая симметрия важна для обеспечения направленного движения и концентрации органов чувств вблизи переднего кончика или головы, где они взаимодействуют с окружающей средой. Черви и более поздние типы также содержат дополнительный тканевый слой, называемый мезодермой, который лежит между эктодермой и энтодермой. В результате эти организмы считаются «триплобластными».

Из двух типов червей Platyhelminthes является более древним и простым. К ним относятся плоские черви и трематоды, которые могут быть свободноживущими или паразитическими. Как и книдарии, они обладают простым кишечником с одним отверстием. Тип Annelida более сложный, включая дождевых червей, личей и полихет. Эти организмы содержат полость тела, называемую целомом, между кишечником и стенкой тела. Они также отличаются сегментацией своего тела. Деление организма на сегменты было важным эволюционным шагом, позволяющим приспособить каждый сегмент к специализированным формам и функциям. Основные эволюционные достижения этого типа включают развитие передних сегментов с придатками, специализированными для захвата и обработки пищи, а также задних сегментов с придатками, специализированными для передвижения.

Следующий тип, Mollusca, содержит очень разнообразные морфологически разнообразные организмы, включая осьминогов, улиток, слизней и моллюсков. Для этой группы существует несколько определяющих признаков. Тем не менее, все моллюски обладают мантией, которая выступает в качестве защитного покрова для органов дыхания, пищеварительного тракта и репродуктивных структур. Далее, самой разнообразной группой организмов является тип Arthropoda. Один только этот тип составляет примерно три четверти всех известных сегодня живых и вымерших видов, включая ракообразных, насекомых и паукообразных. Все представители этого типа имеют твердое внешнее покрытие из хитина, называемое экзоскелетом. Этот экзоскелет периодически сбрасывается, чтобы на его место пришел новый, более крупный. Как и кольчатые червиные круги, членистоногие сегментированы. Однако вместо нескольких повторяющихся секций членистоногие разбиваются на три отдельных сегмента, называемых головой, грудью и брюшком. Большинство из них имеют специализированные сенсорные структуры, прикрепленные к голове, называемые антеннами.

Наконец, тип Chordata включает в себя всех животных с позвоночником и некоторых без него. Двумя определяющими признаками, которые объединяют эту группу, являются наличие нервной связки и хорды. Нервный канатик является важной частью хордовой нервной системы, а хорда представляет собой хрящевую структуру, которая проходит между нервным канатиком и пищеварительным трактом. Тип хордовых включает оболочников (которые теряют нервный канатик и хорду после метаморфоза от личиночной стадии к взрослой стадии жизни), рыб, амфибий, птиц, рептилий и млекопитающих (включая человека)³.

Форма и функциональность

Огромное разнообразие строения тела, среды обитания и поведения, наблюдаемое во всех 36 типах в пределах Kingdom Animalia, поистине поразительно. Чтобы лучше понять эти различия, важно учитывать связь между формой и функцией. «Форма» означает просто форму, размер и субстанцию структуры или организма, в то время как «функция» обозначает способ, которым эта структура используется. Соответственно, функция структуры может быть предсказана на основе наблюдаемой формы, или наоборот. Например, птица, специализирующаяся на раскалывании твердых орехов, должна иметь крепкий, острый клюв, в то время как птица, которая ест фрукты, может иметь меньший и более закругленный клюв.

Важно отметить, что форма организма ограничена его физиологическими потребностями. Например, все животные должны потреблять и переваривать органические вещества и обмениваться газом с окружающей средой. В результате, любые приспособления к форме животного должны продолжать эффективно способствовать этим процессам. Например, у более мелких животных диффузия газов по коже возможна и часто полезна. Однако по мере увеличения размера животного отношение площади его поверхности к объему уменьшается до тех пор, пока диффузия по коже больше не может обеспечивать достаточный газообмен. Такие крупные животные развили сложные системы для борьбы с газообменом, такие как легкие кита или жабры рыбы. В результате морфология газообменных систем зависит как от размеров организма, так и от окружающей среды.

Точно так же и с другими типами адаптаций обычно следует за тем, что форма следует за функцией, ограниченная только физиологическими потребностями организма. Однако бывают случаи, когда форма не следует за функцией. Рудиментарные структуры — это структуры, которые служили определенной цели у предка организма, но больше не являются полезными в своей нынешней форме. Такие структуры практически не влияют на приспособленность индивидуума и, таким образом, не подвергаются эволюционному отбору «за» или «против» внутри популяции. В результате некоторые структуры сохраняются с ограниченной функциональной способностью. Например, человеческий аппендикс, небольшой карман в конце толстой кишки, является эволюционным пережитком наших предков. Хотя предполагается, что эта структура хранит полезные кишечные бактерии, удаление аппендикса возможно без каких-либо вредных последствий.

Конвергентная эволюция

Среди адаптаций, наблюдаемых в Kingdom Animalia, многие развивались несколько раз на протяжении эволюционной истории. В качестве примера рассмотрим крылья летучей мыши и крылья птицы. Эти структуры не являются результатом эволюционного родства, а возникли в результате конвергентной^{эволюции.} Конвергентная эволюция происходит, когда два организма независимо друг от друга развивают схожие черты из-за схожего давления окружающей среды или ниш. Крылья летучих мышей, птиц и вставки развились независимо друг от друга и называются «сходящимися чертами». Очевидно, что такие черты весьма полезны для ниш, в которых они возникают.

Ссылки

1. Холлинс, Д., и др. (2018). «Физиологический взгляд на эволюцию, вызванную рыболовством». Evol Appl 11(5): 561-576.
2. Леонг, М., и др. (2017). «Среда обитания, которую обеспечивают люди: факторы, влияющие на разнообразие и состав членистоногих в домах». Sci Rep 7(1): 15347.
3. Рэй, Г. А. (2015). «Молекулярные часы и ранняя эволюция нервной системы многоклеточных». Philos trans r soc lond b biol sci 370(1684).
4. Фолл, М., и др. (2014). «Широко распространенные сигналы конвергентной адаптации к большой высоте в Азии и Америке». Am J Hum Genet 95(4): 394-407.

Кроме названий, что общего между лошадьми и морскими коньками? Хотя они выглядят совершенно по-разному, они оба животные. Как правило, мы определяем животных как многоклеточные организмы, которые подвижны, то есть способны к самостоятельному движению, потребляют органические вещества для получения энергии и способны к половому размножению. Виды развили свои различные черты с определенными функциями, чтобы максимизировать свою приспособленность к среде обитания, например, легкие и жабры. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что форма следует за функцией, а это означает, что функцию объекта можно предсказать по его структуре и внешнему виду. Например, у разных видов вьюрков на Галапагосских островах развились разные клювы для специфической диеты, например, тонкие клювы для потребления нектара и толстые клювы для раскрытия крупных семян. Таким образом, мы можем предсказывать рацион того или иного вида, наблюдая за структурами, участвующими в питании.

Определенные особенности отмечают точки ветвления на эволюционном древе, и это верно на всем протяжении всего древа животной жизни. Если мы посмотрим на базовую структуру эволюционного дерева животных, то увидим, что оно разделено на множество различных типов, каждый из которых определяется основными общими характеристиками. Давайте кратко пройдемся по ним.

Первый основной тип — Porifera, что означает просто несущий поры. Неподвижные во взрослом состоянии, Porifera включают в себя фильтрующие кормушки, такие как губки. Отсутствие симметрии и четких слоев тканей отличает Porifera от других групп и наделяет их огромной способностью к регенерации, когда целый организм может вырасти из небольшой группы клеток.

Следующий тип, Cnidaria, включает в себя морские анемоны и медузы, и эта группа характеризуется их щупальцами со специализированными клетками на концах, которые они используют для жала и усмирения добычи. Книдарии радиально симметричны, так как могут быть разделены на равные части по центральной оси и обладают двумя тканевыми слоями: эндодермой внутри и эктодермой снаружи. Это позволило книдариям развить простую кишку с одним отверстием.

Platyhelminthes, буквально означающие плоские черви, — наша следующая группа. Плоские черви демонстрируют двустороннюю симметрию, что означает, что у них есть зеркальные половинки вдоль одной оси. Билатеральная симметрия позволила осуществить цефализацию, которая представляет собой концентрацию органов чувств вблизи переднего конца или головы, где эти животные будут постоянно взаимодействовать с окружающей средой. Цефализация, в свою очередь, обеспечивала направленное движение, например, движение к источнику пищи. У платигельминтов также развился третий слой ткани, мезодерма, который зажат между эктодермой и энтодермой.

По мере того, как животные становились все более сложными, именно сегментированный тип, кольчатые черви, как и дождевой червь, развил выстланную мезодермой полость тела, называемую целомом. Эта новая функция способствовала дальнейшей специализации тканей и проложила путь к развитию органов.

Сложность этой специализации возрастает у моллюсков, группы, которая включает в себя такие разнообразные строения тела, как осьминоги, улитки и моллюски. Эта группа имеет множество специализированных органов, покрытых и удерживаемых на месте мантией.

Членистоногие, пожалуй, самый разнообразный тип и включают насекомых, ракообразных и паукообразных. Они были первой группой, у которой развились сочлененные придатки, и поэтому были названы соответственно. У них также есть сенсорные антенны, а их тела разделены на три специализированных сегмента: голова, грудная клетка и брюшная полость, покрытые экзоскелетом.

Наконец, тип хордовых включает в себя нашего старого друга, поедателя семян, и всех других птиц, а также оболочников или морских брызг, рыб, земноводных, рептилий и млекопитающих. Хордовые получили свое название от новой физической черты, которую они развили, нервного канатика, который хорошо виден у этого типичного эмбриона хордовых. У большинства взрослых это развивается в головной и спинной мозг. Они также имеют хрящевую структуру, хорду, которая становится позвоночником или позвоночником.

Здесь мы охарактеризовали основные типы животных в предельно упрощенной форме. Но, как вы можете видеть, даже в пределах одного типа можно найти множество различий в форме и функциях. Это означает, что мы можем наблюдать за разнообразными структурами и физиологиями различных членов одного типа и предсказывать их функции и жизненные циклы.

В этой лаборатории вы понаблюдаете за структурой раков и сверчков и предскажете их функции.