Развитие животных организмов

Как уже было отмечено, развитие и рост зародыша осуществляются путем увеличения числа клеток в результате клеточных делений. Число клеток, составляющих тело крупного животного, очень велико. Так, например, в теле взрослого человека содержится около 500 000 000 000 000 клеток. Все они произошли путем деления единственной исходной клетки - оплодотворенного яйца - и на ранних стадиях развития зародыша очень похожи друг на друга (рис. 9).

Несмотря на столь большое количество клеток, составляющих тело взрослого человека, число необходимых для этого последовательных клеточных делений относительно невелико, если принять во внимание, что в результате каждого следующего деления общее число клеток зародыша увеличивается вдвое (в геометрической прогрессии) по сравнению с предыдущим. Поясним сказанное примером из области шахмат, на первый взгляд кажущимся неправдоподобным.

Согласно легенде, индийский властелин Схерам, живший тысячи полторы лет назад, не отличался умением в управлении страной и в короткое время довел ее до разорения.

Тогда брамин и мудрец Сесса, дабы не рассердить сурового властелина прямой критикой его деятельности, сложил шахматную игру, в которой король - самая важная фигура - не может ничего достичь без помощи других фигур и пешек. Шахматы были представлены властелину, и урок шахматной игры произвел на него большое впечатление. Желая по достоинству отблагодарить брамина за урок жизненной мудрости, Схерам обещал наградить Сессу всем, чего он только пожелает.

Сесса потребовал, казалось бы, очень скромное вознаграждение: по его условию, на первую клетку шахматной доски следовало положить одно зерно, на вторую - вдвое больше, чем на первую, т. е. 2 зерна, на третью - вдвое больше, чем на вторую, т. е. 4 зерна, на четвертую - вдвое больше, чем на третью, т. е. 8 зерен, и так далее до 64-й клетки шахматной доски включительно.

Рис. 9. Разрезы через зародыши лягушки ранних стадий развития. Составляющие их клетки мало отличаются друг от друга по величине и еще меньше - по форме

Властелин с легкостью согласился на это условие, радуясь в душе, что так дешево откупился от мудреца. Из амбаров начали поставлять зерно. Но уже очень скоро выяснилось, что условие брамина невыполнимо: только на одну 64-ю клетку нужно было положить 9 223 372 036 854 775 808 зерен, а все вознаграждение, слагающееся из суммы двоек, возведенных в степени от 0 до 63 (1⁰ + 2¹ + 2² + 2³ + 2⁴ + 2⁵ и т. д. до 2⁶³ включительно), составляет 18 446 744 073 709 551 615, т. е. 18 квинтиллионов 446 квадриллионов 744 триллиона 073 биллиона 709 миллионов 551 тысячу 615 зерен.

Имеются два объемных расчета размера данного вознаграждения. По одному из них принято, что на 1 м³ приходится 20 миллионов зерен (на 1 см³ - 20 зерен), по другому - 15 миллионов зерен (на 1 см³ - 15 зерен). По первому расчету, объем вознаграждения составляет 922 337 203 685 м^3*. Для сбора такого количества зерна потребовалось бы восемь раз засеять и собрать урожай со всей поверхности земного шара! По второму расчету^**, требуемое брамином количество зерна соответствует 12 000 000 000 000 м³. Длина амбара для этого количества зерна при ширине 10 м и высоте 4 м составила бы 300 000 000 км, т. е. в два раза больше расстояния от Земли до Солнца!

^*(Ежи Гижицки. С шахматами через века и страны. Польское издание на русском языке. Warszawa, "Sport i Turvstyka", 1964 с. 360.)

^**(Я. Перельман. Живая математика. Изд. 8-е. М., "Наука", 1967, с. 160.)

Число клеток в развивающемся зародыше увеличивается также в геометрической прогрессии, если допустить, что все они делятся более или менее синхронно. Поэтому нетрудно подсчитать, что уже после 31 последовательного деления число клеток достигнет биллиона, а после 48 делений их число превысит 140 триллионов.

Заметим также, что, когда говорят о клетках, из которых состоит тело человека или животного, их кратко называют соматическими (от слова сома - тело). Соответственно этому и число содержащихся в них хромосом называют соматическим или диплоидным, т. е. двойным, и обозначают как 2п. В дальнейшем по мере надобности мы будем пользоваться этими терминами ввиду их лаконичности.

В отличие от клеток зародыша клетки взрослого организма достигли окончательного развития и высокой степени специализации. В теле взрослого человека можно различить не менее ста типов клеток, отличающихся по строению и функции. Теперь каждая из них выполняет определенную работу, и вследствие этого большинство их утратило способность к размножению. Постоянная интенсивная работа, как известно, всегда и на все накладывает отпечаток профессионализма. На клетках взрослого организма он выражен очень ярко. На рис. 10 изображены мышечные и нервные клетки взрослого организма. Действительно, как непохожи они на те клетки раннего зародыша, от которых произошли и каковыми были сами в начале своего возникновения (см. рис. 9).

Клетки внешних покровов тела по форме напоминают кирпичики или черепицу. Эта их форма более всего соответствует той роли, которую они выполняют во взрослом организме, принимая на себя разнообразные механические и физические воздействия.

Клетки, в совокупности составляющие центральную и периферическую нервную систему и координирующие реакции организма на разнообразные воздействия внешней среды, очень сложны. Одна из примечательных особенностей нервных клеток - наличие у них особых отростков, при помощи которых осуществляются их взаимные контакты и передача нервных возбуждений со скоростью 250 км в час. Длина отростков некоторых нервных клеток достигает 1 м.

Слагаясь в группы, мышечные клетки образуют мышцы. В теле человека их 639 с шестью биллионами мышечных волокон, каждое из которых содержит около тысячи фибрилл. В них возникли сложные поперечные структуры, благодаря которым мышечные клетки приобрели способность сокращаться и расслабляться и таким путем выполнять механическую работу, связанную с передвижениями в пространстве, дыханием, кровообращением, пищеварением и другими жизненно важными функциями организма.

Рис. 10. Клетки взрослого организма. 1 - 4 - нервные клетки; 5 - 7 - мышечные клетки

Вечные странники - эритроциты - от момента зарождения в костном мозгу и до самой своей смерти не отдыхают ни минуты. Запасшись кислородом в легких, поверхность которых у человека достигает 90 кв. м, они устремляются по артериям во все уголки тела, с большим трудом протискиваются по узким капиллярам, несут кислород ко всем клеткам тела. От них они забирают углекислоту и снова, теперь уже по венам, странствуют в легкие, чтобы обогатиться кислородом и снова пуститься в далекий путь. И так без конца. Один кубический миллиметр крови людей, живущих на равнине, в среднем содержит 4 700 000 эритроцитов, у жителей высокогорных стран - до 8 000 000. Если бы эритроциты взрослого человека, количество которых приблизительно равно 25 триллионам, расположить в виде столбика пли нити, то ею можно было бы четыре раза опоясать земной шар.

Расчет показывает также, что общая поверхность эритроцитов, на которой происходит в легких поглощение кислорода и выделение углекислоты, равна примерно 1200 кв. м, т. е. площади 40х30 м (ср. также зависимость между объемом шара и его поверхностью).

Вследствие интенсивной деятельности эритроциты быстро изнашиваются и погибают через 100 - 130 дней после возникновения. Поэтому и процесс их замещения новыми должен протекать непрерывно и столь же интенсивно. И действительно, продуктивная способность костного мозга намного превышает таковую всех других тканей тела человека: чтобы восполнить их естественную убыль, костный мозг выбрасывает в кровяное русло около 10 тысяч новых эритроцитов каждую секунду.

В результате высокой специализации клетки многих тканей взрослого организма навсегда утратили способность к делению. Таковы, например, клетки нервные, мышечные, эритроциты и т. д. Однако многие клетки и во взрослом организме сохраняют способность к размножению, и во время деления в них можно видеть характерное для данного вида число хромосом. Таковы только что упомянутые клетки костного мозга, клетки внешних покровов тела, покровов внутренних органов и другие. Клетки кожи и покровов внутренних органов, так же как и клетки крови, недолговечны, быстро изнашиваются и постоянно требуют замены новыми.

Половые железы состоят из особых зачатковых клеток, которые носят название первичных половых клеток. Они содержат то же число хромосом, что и все другие клетки тела.

С наступлением половой зрелости первичные половые клетки дают начало зрелым половым клеткам. Первичные половые клетки яичника превращаются в яйцеклетки, или яйца; первичные половые клетки мужской половой железы - в семенные клетки, сперматозоиды. Начавшись с перехода организма из юношеского состояния во взрослое, процесс созревания половых клеток продолжается на протяжении всего периода половой активности.

Подведем краткий итог сказанному о развитии животных организмов. Каждый размножающийся половым путем организм развивается из оплодотворенного яйца. Развитие зародыша и увеличение числа составляющих его клеток осуществляются путем клеточных делений. Образующиеся при этом клетки устроены по одному, общему для всех клеток типу и содержат постоянное число хромосом, свойственное представителям данного вида. Это число называется соматическим или диплоидным (2n). Первичные половые клетки содержат то же число хромосом и в этом отношении не отличаются от всех других клеток тела. Из первичных половых клеток образуются зрелые половые клетки. Процесс созревания половых клеток начинается по достижении организмом взрослого состояния и продолжается на протяжении всего периода половой активности.