Эволюция многоклеточных организмов


Эволюция органического мира прошла несколько этапов. Первый из них — возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом, второй — усложнение структуры биотического компонента биосферы в результате появления многоклеточных организмов. Эти два этапа, осуществляющиеся в соответствии с чисто биологическими закономерностями жизнедеятельности и развития, могут быть объединены в период биогенеза.[ …]

Вершиной эволюции в животном организме стало появление медиаторов, передатчиков информации между клетками многоклеточного организма: ацетилхолина и биогенных аминов.[ …]

В процессе эволюции живых организмов происходили кардинальные изменения, приводившие к возникновению видов, принципиально отличающихся от всех предыдущих. Так постепенно произошло возникновение многоклеточных организмов, позвоночных животных, животных с постоянной температурой тела и т.д. Возникновение человека также связано с формированием определенного генотипа.[ …]

Дальнейшая эволюция биосферы приводила к усложнению ее структуры в результате появления многоклеточных организмов и прогрессивного развития различных групп растений и животных.


и этом в процессе эволюции соотношение различных групп организмов отражало их взаимозависимость. Например, с расцветом покрытосеменных растений связан взрыв видообразования насекомых. Крупнейшим событием в истории биосферы было появление наземных позвоночных животных, и особенно теплокровных, резко изменивших уровень трансформации энергии. Каждый шаг в эволюции жизни определял и развитие биосферы.[ …]

Постепенно появились многоклеточные организмы, менее зависимые от изменения компонентов природной среды и имеющие свою внутреннюю среду. Эти многоклеточные организмы обладают системами органов, регулирующими жизненные процессы: питание и пищеварение, газообмен и циркуляцию питательных веществ. Через нервную систему осуществляется связь организмов с природной средой. Именно развитие ревной системы, мозга животных способствовало их ориентации, передвижению в пространстве и возникновению сложных форм поведения. По мере эволюции возрастала скорость передачи (миграции) вещества и энергии в живой природе в образовавшихся биогеоценозах.[ …]

Вторым крупнейшим этапом эволюции была трансформация одноклеточных организмов в многоклеточные. Считают, что первые эукариоты появились 1,5 млрд лет назад. Их появление есть крупнейший эволюционный переход, ибо в основе появления эукариотов лежит формирование митоза и развитие клеточных структур. Последние разветвились на пять линий, одна из которых повела к иглокожим и хордовым. Остальные линии повели к большинству других типов животного мира.[ …]


Возникновение в процессе эволюции многоклеточности открыло широкие перспективы для приспособления организмов к различным условиям внешней среды. Чем выше растение в эволюционном отношении, тем совершеннее в нем процесс специализации клеток.[ …]

Человек как вид, принципиально отличающийся от всех предыдущих видов, возник в процессе эволюции под воздействием законов, общих для всех живых существ в результате фундаментального генетически закрепленного открытия в процессе эволюции организмов биосферы. Такие кардинальные открытия, приводящие к возникновению принципиально новых видов, происходили и до возникновения человека. Так, возникли многоклеточные организмы, позвоночные животные, гомойотермные животные с постоянной температурой тела.[ …]

Морфофиэиологический прогресс — это изменения структуры и общей жизнедеятельности на пути эволюции от простых форм к сложным, от одноклеточных организмов к многоклеточным. Напротив, морфофизиологический регресс — это упрощение организации и жизнедеятельности, выражающееся в редукции органов (например, хорды у оболочников) на пути эволюции.[ …]

Как и при описанном в предыдущих разделах этой главы развитии в течение коротких промежутков времени, долговременная эволюция экосистемы формируется под влиянием 1) аллогенных (внешних) сил, таких, как геологические и климатические изменения; 2) автогенных (внутренних) процессов, обусловленных активностью живых компонентов экосистемы.
рвые экосистемы, существовавшие 3 млрд. лет назад, были населены мельчайшими анаэробными гетеротрофами, существовавшими за счет органического вещества, синтезируемого в абиотических процессах. Затем последовало возникновение и популяционный взрыв автотрофных водорослей, преобразовавших восстановительную атмосферу в кислородную. На протяжении длительного геологического времени организмы эволюировали и возникали системы, все возрастающие по сложности и разнообразию, которые 1) могли контролировать атмосферу и 2) содержали в себе все более крупные и высокоорганизованные виды многоклеточных. Считается, что в пределах этого компонента сообщества эволюционные изменения осуществляются главным образом путем естественного отбора, действующего на видовом или более низком уровне. Однако возможно, что естественный отбор на более высоких уровнях также играет важную роль, особенно 1) сопряженная эволюция, т. е. взаимный отбор зависящих друг от друга автотрофов » гетеротрофов, и 2) групповой отбор, или отбор на уровне сообществ, который ведет к сохранению признаков, благоприятных для группы в целом, даже если они неблагоприятны (для конкретных носителей этих признаков.[ …]

Активность живых существ непрерывно изменяла химические, а отчасти и физические, условия на поверхности планеты. При этом появлялась возможность возникновения новых групп организмов, и хотя все основные биогеохимические процессы на Земле успешно осуществлялись (да и сейчас осуществляются) бактериями, развитие жизни и эволюция, порождающая чрезвычайное разнообразие новых живых существ, никогда не прекращались.


бактериям добавились одноклеточные организмы, имеющие ядро, — так называемые эукариоты. От некоторых из них позднее произошли первые многоклеточные, и это позволило в дальнейшем значительно увеличить размеры тела. Во всяком случае, 600 млн лет тому назад в морях уже обитало множество разных крупных беспозвоночных, а спустя еще 100 млн лет появились рыбообразные существа — предки всех возникших впоследствии позвоночных животных, в том числе и нас с вами.[ …]

Появление автотрофов-продуцентов означало эволюционное ослабление роли геохимической энергии и усиление значения солнечной составляющей глобального энергобаланса биосферы. Автотрофная эволюция углублялась по мере возникновения многоклеточных организмов. Они обеспечивали более высокую стабильность экосистем. Очевидно, в то же время степень замыкания биогеохимических круговоротов, а скорее их форма, начала резко меняться. Редукция за счет анаэробов-гетеротрофов уже не обеспечивала полного баланса. Происходило интенсивное накопление биогенных веществ, которые были депонированы в виде существующих ныне горючих ископаемых. В них был связан излишний углерод атмосферы, а энергетическая система биосферы стала приближаться к современным параметрам. Биогенная миграция атомов стала доминировать.[ …]


Эрнест Геккель (1834—1919) — немецкий биолог-эволюционист, сторонник и пропагандист учения Ч. Дарвина. Высказал идею естественного происхождения жизни из неорганических веществ и углубил представления Дарвина о естественном отборе как факторе эволюции. Предложил теорию происхождения многоклеточных организмов и первую филогению животных. Сформулировал биогенетический закон — отражение в индивидуальном развитии особи стадий эволюции ее предков. Определил экологию как самостоятельную биологическую дисциплину.[ …]

Функциональные царства сообществ не могут быть идентичными царствам в систематике, но они в значительной степени составляют их эволюционную основу. В традиционной системе Из двух царств царство животных включало одновременно и одноклеточные, и многоклеточные организмы, характеризующиеся способностью к заглатыванию пищи и подвижностью, а обширное царство растений объединяло главным образом фотосинтезирующие группы и (несколько произвольно скооперированные с ними) бактерии и грибы. В современном альтернативном делении форм жизни бактерии (вместе с синезелеными водорослями) образуют царство Мопега, являясь прокариотами, тогда как высшие растения и животные также составляют царства, характеризующиеся направлением эволюции, которое рассмотрено выше. Одновременно вполне логично считать высшие грибы особым царством, а эукариотические одноклеточные организмы объединить в царство Protista •.[ …]


Наличие в атмосфере группы так называемых инертных газов (гелия, неона, аргона, криптона, ксенона) связано с непрерывным протеканием процессов естественного радиоактивного распада. Биологическое значение газов атмосферы очень велико. Для большинства многоклеточных организмов определенное содержание молекулярного кислорода в газовой или водной среде является непременным фактором их существования, обусловливающим при дыхании высвобождение из органических веществ, созданных первоначально в ходе фотосинтеза. Не случайно, что верхние границы биосферы (часть поверхности земного шара и нижняя часть атмосферы, где существует жизнь, т.е. равновесная система, в которой происходят процессы обмена веществ и энергии главным образом за счет жизнедеятельности организмов) определяются наличием достаточного объема кислорода. В процессе эволюции организмы приспособились к определенному уровню содержания кислорода в атмосфере; изменение содержания кислорода в сторону уменьшения (или увеличения) оказывает неблагоприятный эффект (высотная болезнь, гипоксия, гипероксия).[ …]

У кишечнополостных тело состоит из двух слоев — эктодермы и энтодермы, представляющих собой наружный и внутренний эпителиальные слои. Наружные эпителиальные клетки являются стрекательными клетками, содержащими ядовитую жидкость, тогда как внутренние эпителиальные клетки секретируют пищеварительные ферменты и обеспечивают пищеварение. Поэтому предполагают, что первыми сформировались слои эпителиальных клеток и их роль в эволюции многоклеточных аналогизируется с ролью клеточных стенок и мембран одноклеточных организмов.[ …]


Источник: ru-ecology.info

Здравствуй, Хабр!

Несколько лет назад в прикладных целях я реализовал обычный Force-based визуализатор графов.

На меня произвело впечатление, как простые итеративные преобразования могут производить субъективно сложные и интересные вычисления, формируя нетривиальные визуально-кинетические модели.

Со временем возникло несколько идей, что интересного можно смоделировать.

Вот что получилось с одной из них (в кадре мелкие объекты, смотреть в HD):

За основу я взял тот самый визуализатор графов: потрогать.

Эволюция многоклеточных организмов

shift+click, shift+drag, alt+click.
потрогать лучше всего получится в Chrome или Safari по причине V8 javascript.

Я начал с того, что добавил инерцию вершинам графа, что сделало поведение объекта более сложным. В определённый момент модель стала ассоциироваться с чем-то средним между моделью химического соединения и многоклеточного организма: потрогать

Эволюция многоклеточных организмов

Эксперименты выросли в желание обеспечить взаимодействие множества таких объектов по некоторым принципам, так, чтобы за этим было интересно наблюдать:


  • объект считаем моделью тела многоклеточного организма, кодовое название «космик»
  • космики состоят из клеток (cell) и склеек (stick)
  • клетки имеют собственную энергию, с ростом энергии меняется размер и цвет
  • склейки имеют энергию, определяющую её упругость, равную минимальной из энергий склеенных клеток
  • клетки космика отталкиваются друг от друга с силой, пропорциональной энергии клеток
  • склейки клеток препятствуют процессу отталкивания клеток с силой, пропорциональной энергии склеек
  • головной клеткой космика считается клетка с наибольшей энергией
  • космики стремятся поглотить (присоединить к себе) других космиков
  • космик поглощает другого космика, приблизившись к его головной клетке любой собственной клеткой, обладающей большей энергией, чем головная клетка поглощаемого космика
  • космики стремятся уклониться от поглощения другими космиками
  • ускорение космика формируется суммой ускорений его клеток
  • каждая клетка ускоряется в направлении всех клеток, которые она способна поглотить, с силой, пропорциональной её собственной энергии
  • каждая клетка ускоряется в направлении от всех клеток, которые способны её поглотить, с силой, пропорциональной её собственной энергии

Позже была добавлена возможность разрыва склейки в случае чрезмерной нагрузки на неё. Вот что получилось в итоге: потрогать


Эволюция многоклеточных организмов

Следующим шагом было реализовано пищеварение в пределах одного организма: каждая склейка каждый фиксированный отрезок времени отнимает энергию у меньшей клетки и передаёт её большей. В случае, если энергия меньшей клетки оказывается меньше определённого минимума, клетка исчезает, а в пространстве появляется новая ничейная клетка с базовым зарядом энергии, служащая пищей для эволюционирующих вокруг организмов. Так же было введено ограничение — клетка может поглотить только клетку, составляющую не меньше 61.8% от её собственной энергии. Это исключило формирование уродцев, когда огромные клетки присоединяют непосредственно к себе мелкие. Вместо этого, теперь они стали вынуждены формировать для этого разветвлённые щупальца: потрогать

На этом этапе возникло желание поделиться прогрессом с друзьями, был подготовлен скринкаст:

Следующим шагом проект перешёл от SVG прототипа к CUDA модели. Очевидно, стало хотеться больше активной материи. Перенос модели на GPU дал возможность использовать 8-16K частиц вместо 250 в браузерном прототипе.

Это то, что есть на сегодняшний момент. Имеющие CUDA 2.0 совместимые устройства, могут потрогать модельку лично: потрогать.

В архиве, кроме прочего, ссылка на SDK для Win7 x64, который нужно установить перед запуском exe (UPD: добавил в архив ещё один dll, теперь должен и без SDK стартовать). На XP 32bit тоже работает, ссылку можно взять здесь: Cuda SDK.
p — снять с паузы
s — показать slidebar’ы
r — смена режима отображения
h — пометить головные клетки
f — fullscreen


Немного о дальнейших планах:

Конечно, хочется больше клеток. После оптимизации GTX 580 считает 16K клеток на частоте 30 FPS, в видео участвуют 8K клеток на частоте 120FPS.

Сказывается квадратичная сложность алгоритма, так как все клетки влияют на все клетки. Применение алгоритма оптимизации Barnes-Hut’а на CUDA, судя по прочитанным научным статьям от тех, кто это уже переносил на GPU, даёт эффект только за пределами порога в 50K частиц, что вне realtime порога 🙁 Впрочем, мне это всё ещё кажется сомнительным. Кроме того, порядок межклеточных взаимодействий значительно сложнее гравитационного.

Теоретически есть возможность считать одновременно 256K частиц на тех же 30FPS независимыми «галактиками» по 1K частиц (отображать на экране как сетку 16×16). С точки зрения эволюции, 256K частиц, пусть и сегментированных в независимые галактики, может оказаться значительно более полезным, чем непосредственное взаимодействие 16K клеток в пределах одной галактики. Обмен особями можно устраивать по раундам, обеспечивая межгалактический mortal kombat 😉

По тому же принципу можно реализовать распределённую версию модели, например, в виде симпатичного screensaver’а. Начислять энтузиастам очки за время, которое их железо крутило космос, показывая им процесс в виде заставки. Очки можно будет тратить в конструкторе особей, которые будут вбрасываться в распределённый космос, мутировать и эволюционировать — «демиург» сможет отслеживать успехи своей популяции и количество материи, подконтрольной его особям на просторах глобального космоса.

Ключевую роль в дальнейшем развитии проекта должен сыграть морфогенетический алгоритм, который при столь скромных топологических возможностях (количества клеток / особь) сумеет обеспечить видовое многообразие особей.

Надеюсь, удастся его реализовать.

Пока всё, спасибо за внимание!

P.S. Энтузиасты, автономно запустившие модель — просьба написать — что за железо и какой FPS в консоли (консоль на заднем плане вторым окном)

UPD: Часть 2: Моделирование эволюции многоклеточных организмов. 7 лет

UPD: блог проекта на Patreon
UPD: демо движка космиков 2013, с soft-body физикой

Источник: habr.com

Зеленые водорослиЗначимым этапом в истории Земли и эволюции жизни стало возникновение многоклеточности. Это дало мощный толчок к увеличению разнообразия живых существ и их развитию. Многоклеточность сделала возможным специализацию живых клеток в пределах одного организма, включая возникновение отдельных тканей и органов. Первые многоклеточные животные, вероятно, появились в придонных слоях мирового океана в конце протерозоя.
Признаками многоклеточного организма считается то, что его клетки должны быть агрегированы, между ними обязательны разделение функций и установление устойчивых специфических контактов. Многоклеточный организм представляет собой жесткую колонию клеток, в которой сохраняется фиксированное их положение на протяжении всей жизни. В процессе биологической эволюции сходные клетки в теле многоклеточных организмов специализировались на выполнении определенных функций, что привело к формированию тканей и органов. Вероятно, в условиях протерозойского Мирового океана, уже содержавшего примитивные одноклеточные организмы, могла происходить самопроизвольная организация одноклеточных организмов в более высокоразвитые многоклеточные колонии.
Можно только догадываться, какими были первые многоклеточные организмы протерозойской эры. Гипотетическим предком многоклеточных организмов могла быть фагоцителла, которая плавала в толще морской воды за счет биения поверхностных клеток – ресничек кинобласта.
Фагоцителла питалась, захватывая взвешенные в среде частички пищи и переваривая их внутренней клеточной массой (фагоцитобласта). Возможно, именно из кинобласта и фагоцитобласта в процессе эволюционного развития произошло все многообразие форм и тканей многоклеточных организмов. Сама фагоцителла обитала в толще воды, но не имела ни рта, ни кишечника, а ее пищеварение было внутриклеточное. Потомки фагоцителлы приспосабливались к многообразным условиям существования при оседании их на морское дно, при перемещении к поверхности или при изменении источников питания. Благодаря этому у первых многоклеточных организмов постепенно появились рот, кишечник и другие жизненно важные органы.
МногоклеточностьЕще одна распространенная гипотеза происхождения и эволюции многоклеточных организмов – появление трихоплакса как первого примитивного животного. Этот плоский многоклеточный организм, напоминающий ползущую кляксу, до сих пор считается одним из самых загадочных на планете. Он не обладает ни мускулатурой, ни передним и задним концом, ни осями симметрии, ни какими-либо сложными внутренними органами, но при этом способен размножаться половым путем. Особенности строения и поведения трихоплакса, ползающего по субстрату среди микроводорослей, позволили отнести его к категории одного из самых примитивных многоклеточных животных на нашей планете.
Кто бы ни был предком многоклеточных животных, дальнейший ход эволюции в протерозое привел к появлению так называемых гребневиков. Это планктонные животные с рядами гребных пластинок, образованных сросшимися ресничками. В протерозое они перешли от плавания к ползанию по дну, их тело поэтому сплющилось, выделились головной отдел, двигательный аппарат в виде кожно-мускульного мешка, органы дыхания, сформировались выделительная и кровеносная системы. Линней, создатель первой научной системы органического мира, уделил гребневикам очень небольшое внимание, упомянув в своей «Системе природы» один вид гребневиков. В 1829 году вышла в свет первая в мире большая работа, посвященная медузам. Ее автор, немецкий зоолог Эшшольц (Eschscholtz), описал в ней и несколько видов известных ему гребневиков. Он считал их особым классом медуз, который назвал гребневиками (Ctenophora). Это название сохранилось за ними и в настоящее время» («Жизнь животных», под ред. Н. А. Гладкова, А. В. Михеева).
Более 630 млн лет назад на Земле появились губки, которые развились на морском дне, преимущественно на мелководье, а потом опустились в более глубокие воды. Наружный слой тела губок образован плоскими покровными клетками, в то время как внутренний – жгутиковыми клетками. Одним своим концом губка прирастает к какому-либо субстрату – камням, водорослям, поверхности тела других животных.

 

Первые многоклеточные организмы жили в придонных слоях древнейших морей и океанов, где внешние условия среды потребовали от них расчленения тела на отдельные части, служившие либо для прикрепления к субстрату, либо для питания. Кормились они, главным образом, органическим веществом (детритом), который покрывал донный ил. Хищников тогда практически не было. Некоторые многоклеточные организмы пропускали через себя переполненные питательным веществом верхние слои морского ила либо поглощали живые бактерии и водоросли, которые в нем обитали.
ГубкиПлоские и кольчатые черви медленно плавали над самым дном или ползали среди осадков, а трубчатые черви лежали среди донных отложений. В протерозойскую эру в морях и водных бассейнах планеты, вероятно, были широко распространены крупные плоские животные в форме блина, обитавшие на илистом дне, разнообразные медузы, плававшие в толще воды, и примитивные иглокожие. На мелководьях расцветали огромные водоросли – вендотении, которые достигали в длину около одного метра и были похожи на морскую капусту.
Большинство живых существ на нашей планете к концу протерозойской эры уже были представлены многоклеточными формами. Их жизнедеятельность сохранилась в виде отпечатков и слепков на некогда мягком иле. В отложениях того периода можно наблюдать следы ползания, проседания грунта, вырытых норок.
Конец протерозойской эры ознаменовался вспышкой разнообразия многоклеточных организмов и появлением животных, существование которых тогда было тесно связано с морем. Огромное количество остатков многоклеточных животных в слоях возрастом 650-700 млн лет даже послужило причиной выделения в протерозое особого периода, получившего название венд. Он продолжался примерно 110 млн лет и охарактеризовался по сравнению с другими эпохами достижением значительного разнообразия многоклеточных животных.
Возникновение многоклеточное способствовало в дальнейшем увеличению разнообразия живых организмов. Она привела к повышению способности организмов создавать в своем теле запас питательных веществ и реагировать на изменения окружающей среды.
для дальнейшей эволюции биосферы. Живые организмы постепенно начали сами изменять форму и состав земной коры, формировать новую оболочку Земли. Можно сказать, что в протерозое жизнь на планете стала важнейшим геологическим фактором. Источник: http://dnepr-online.com.

Источник: planete-zemlya.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.