Симметрия в биологии - Symmetry in biology

Подборка животных, демонстрирующих диапазон возможных симметрий тела, включая асимметрию, радиальный и двусторонний планы тела.
Мультфильм, иллюстрирующий разницу между двусторонней ( дрозофила ), радиальной ( актиноморфные цветки) и сферической ( кокковые бактерии) симметрией

Симметрия в биологии относится к симметрии, наблюдаемой у организмов , включая растения, животных, грибы и бактерии . Внешнюю симметрию легко увидеть, просто взглянув на организм. Например, возьмите лицо человека, у которого есть плоскость симметрии по центру, или сосновая шишка с четким симметричным спиральным узором. Внутренние элементы также могут демонстрировать симметрию, например, трубы в человеческом теле (отвечающие за транспортировку газов , питательных веществ и продуктов жизнедеятельности) имеют цилиндрическую форму и несколько плоскостей симметрии.

Биологическую симметрию можно рассматривать как сбалансированное распределение повторяющихся частей или форм тела в теле организма. Важно отметить, что в отличие от математики, симметрия в биологии всегда приблизительна. Например, листья растений - хотя и считаются симметричными - редко совпадают в точности, когда сложены пополам. Симметрия - это один из классов паттернов в природе, при котором элемент паттерна почти повторяется за счет отражения или вращения .

В то время как губки и плакозоаны представляют две группы животных, которые не проявляют никакой симметрии (т. Е. Асимметричны), планы тела большинства многоклеточных организмов демонстрируют некоторую форму симметрии и определяются ею. Есть только несколько типов симметрии, которые возможны в планах тела. Это радиальная (цилиндрическая), двусторонняя , бирадиальная и сферическая симметрия. Хотя классификация вирусов как «организмов» остается спорной, вирусы также обладают икосаэдрической симметрией .

Важность симметрии иллюстрируется тем фактом, что группы животных традиционно определялись по этому признаку в таксономических группах. Radiata , животные с радиальной симметрией, образованной одной из четырех ветвей Жоржа Кювье классификации «ы из животного царства . Между тем, Bilateria - это таксономическая группа, которая до сих пор используется для представления организмов с эмбриональной двусторонней симметрией.

Радиальная симметрия

Организмы с радиальной симметрией демонстрируют повторяющийся узор вокруг центральной оси, так что они могут быть разделены на несколько идентичных частей при разрезании центральной точки, как кусочки пирога. Как правило, это включает в себя повторение части тела 4, 5, 6 или 8 раз вокруг оси - это называется тетрамеризмом, пентамеризмом, гексамерией и октомерией соответственно. У таких организмов нет ни левой, ни правой стороны, но есть верхняя и нижняя поверхности или передняя и задняя части.

Джордж Кювье классифицировал животных с радиальной симметрией в таксон Radiata ( Zoophytes ), который в настоящее время общепризнан как совокупность различных типов животных, не имеющих единого общего предка ( полифилетическая группа). Большинство радиально-симметричных животных симметричны относительно оси, проходящей от центра ротовой поверхности, которая содержит рот , к центру противоположного (аборального) конца. Животные в типах Cnidaria и Echinodermata обычно демонстрируют радиальную симметрию, хотя многие морские анемоны и некоторые кораллы в пределах Cnidaria обладают двусторонней симметрией, определяемой единственной структурой - сифоноглифом . Радиальная симметрия особенно подходит для сидячих животных, таких как морской анемон, плавающих животных, таких как медузы , и медленно движущихся организмов, таких как морские звезды ; тогда как двусторонняя симметрия способствует передвижению , создавая обтекаемое тело.

Многие цветы также радиально-симметричны или « актиноморфны ». Примерно одинаковые цветочные конструкции - лепестки , чашелистики и тычинки - происходят через регулярные промежутки вокруг оси цветка, который часто является женский репродуктивный орган , содержащий пестика , стиль и стигмы .

Lilium bulbiferum демонстрирует гексамеризм с повторяющимися частями, расположенными вокруг оси цветка.

Подтипы радиальной симметрии

Некоторые медузы, такие как Aurelia marginalis , демонстрируют тетрамеризм с четырехкратной радиальной симметрией. Это сразу видно при взгляде на медузу из-за наличия четырех гонад , видимых через ее полупрозрачное тело. Эта радиальная симметрия имеет важное экологическое значение, поскольку позволяет медузам обнаруживать раздражители (в основном пищу и опасность) и реагировать на них со всех сторон.

Альтернативный текст
Яблоко, разрезанное по горизонтали, показывает, что пентамеризм встречается и во фруктах

Цветковые растения демонстрируют пятикратную симметрию или пентамеризм во многих своих цветках и плодах. Это легко увидеть по расположению пяти плодолистиков (семенных карманов) в яблоке при поперечном разрезе . Среди животных только иглокожие, такие как морские звезды , морские ежи и морские лилии , пятичлены во взрослом возрасте, с пятью руками, расположенными вокруг рта. Однако, будучи двунаправленными животными, они сначала развиваются с зеркальной симметрией как личинки, а затем приобретают пятиугольную симметрию.

Гексамерия встречается у кораллов и морских анемонов (класс Anthozoa ), которые делятся на две группы в зависимости от их симметрии. Наиболее распространенные кораллы подкласса Hexacorallia имеют гексамерный план тела; их полипы обладают шестикратной внутренней симметрией и числом щупалец , кратным шести.

Октамеризм встречается у кораллов подкласса Octocorallia . У них есть полипы с восемью щупальцами и октамерной радиальной симметрией. Однако у осьминога двусторонняя симметрия, несмотря на восемь рук.

Трехрадиальная симметрия присутствовала у Trilobozoa позднего эдиакарского периода.

Икосаэдрическая симметрия

Альтернативный текст
Вирусы гастроэнтерита обладают икосаэдрической симметрией

Икосаэдрическая симметрия возникает в организме, который содержит 60 субъединиц, образованных 20 гранями, каждая из которых представляет собой равносторонний треугольник , и 12 углами. Внутри икосаэдра существует 2-, 3- и 5-кратная симметрия . Многие вирусы, включая парвовирус собак , демонстрируют эту форму симметрии из-за наличия икосаэдрической вирусной оболочки . Такая симметрия эволюционировала, потому что она позволяет вирусной частице состоять из повторяющихся субъединиц, состоящих из ограниченного числа структурных белков (кодируемых вирусными генами ), тем самым экономя место в вирусном геноме . Симметрия икосаэдра все еще может поддерживаться более чем 60 субъединицами, но только в 60 раз. Например, T = 3 Tomato bushy stunt virus имеет 60x3 белковых субъединиц (180 копий одного и того же структурного белка). Хотя эти вирусы часто называют «сферическими», они не демонстрируют истинной математической сферической симметрии.

В начале 20 века Эрнст Геккель описал (Haeckel, 1904) ряд видов радиолярий , скелеты некоторых из которых имеют форму различных правильных многогранников. Примеры включают Circoporus octahedrus , Circogonia icosahedra , Lithocubus geometryus и Circorrhegma dodecahedra . Формы этих существ должны быть очевидны из их названий. Тетраэдрическая симметрия отсутствует у Callimitra agnesae .

Сферическая симметрия

Альтернативный текст
Вольвокс - микроскопическая зеленая пресноводная водоросль со сферической симметрией. Молодые колонии можно увидеть внутри более крупных.

Сферическая симметрия характеризуется способностью проводить через тело бесконечное или большое, но конечное число осей симметрии. Это означает, что сферическая симметрия возникает в организме, если его можно разрезать на две идентичные половины любым разрезом, проходящим через центр организма. Истинная сферическая симметрия не встречается на планах тела животных. Организмы, которые демонстрируют приблизительную сферическую симметрию, включают пресноводную зеленую водоросль Volvox .

Бактерии часто называют имеющими «сферическую» форму. По форме бактерии делятся на три класса: кокки (сферические), палочковидные (палочковидные) и спирохеты (спиралевидные) клетки. На самом деле, это серьезное упрощение, поскольку бактериальные клетки могут быть изогнутыми, изогнутыми, сплющенными, иметь продолговатые сфероиды и многие другие формы. Из-за огромного количества бактерий, которые считаются кокками (кокками, если они состоят из одной клетки), маловероятно, что все они обладают истинной сферической симметрией. Важно различать обобщенное использование слова «сферический» для непринужденного описания организмов и истинное значение сферической симметрии. Такая же ситуация наблюдается при описании вирусов - «сферические» вирусы не обязательно обладают сферической симметрией, обычно являясь икосаэдрическими.

Двусторонняя симметрия

Организмы с двусторонней симметрией содержат одну плоскость симметрии, сагиттальную плоскость , которая делит организм на две примерно зеркальные отражения - левую и правую половины - приблизительную симметрию отражения.

Альтернативный текст
Маленькая императорская бабочка, Saturnia pavonia , демонстрирует дейматический узор с двусторонней симметрией.
Альтернативный текст
Цветок пчелиной орхидеи ( Ophrys apifera ) двусторонне симметричен ( зигоморфен ). Губа цветка напоминает (симметрично с двух сторон) брюшко пчелы; опыление происходит, когда самец пчелы пытается спариваться с ним.

Животные с двусторонней симметрией классифицируются в большую группу, называемую bilateria, которая включает 99% всех животных (включая более 32 типов и 1 миллион описанных видов). Все билатерии имеют некоторые асимметричные черты; например, сердце и печень человека расположены асимметрично, несмотря на то, что тело имеет внешнюю двустороннюю симметрию.

Двусторонняя симметрия билатерий - сложный признак, который развивается из-за экспрессии многих генов . Билатерии имеют две оси полярности . Первым является передняя - задняя (AP) оси , который можно представить в виде воображаемой оси , проходящей от головки или рта до хвоста или другого конца организма. Во - вторых, спинной - вентральной (DV) оси , которая проходит перпендикулярно к оси AP. Во время разработки ось AP всегда указывается перед осью DV.

Ось AP важна для определения полярности билатериев и позволяет развиваться передней и задней сторонам, чтобы задать направление организму. Передняя часть сталкивается с окружающей средой раньше остального тела, поэтому органы чувств, такие как глаза, как правило, сгруппированы там. Это также место, где развивается рот, поскольку это первая часть тела, которая встречает пищу. Следовательно, есть тенденция к развитию отчетливой головы с органами чувств, связанными с центральной нервной системой. Этот паттерн развития (с четкой головой и хвостом) называется цефализацией . Также утверждается, что развитие оси AP важно для передвижения - двусторонняя симметрия придает телу внутреннее направление и позволяет обтекаемость для уменьшения сопротивления .

Помимо животных, цветы некоторых растений также обладают двусторонней симметрией. Такие растения называются зигоморфными и включают семейства орхидей ( Orchidaceae ) и гороха ( Fabaceae ), а также большую часть семейства фигуристых ( Scrophulariaceae ). Листья растений также обычно демонстрируют примерную двустороннюю симметрию.

Бирадиальная симметрия

Бирадиальная симметрия встречается у организмов, которые показывают морфологические особенности (внутренние или внешние) как двусторонней, так и радиальной симметрии. В отличие от радиально-симметричных организмов, которые можно разделить поровну по многим плоскостям, бирадиальные организмы можно разделить поровну только по двум плоскостям. Это может представлять собой промежуточный этап в эволюции двусторонней симметрии от радиально-симметричного предка.

Группа животных с наиболее очевидной бирадиальной симметрией - гребневики . У гребневиков две плоскости симметрии - это (1) плоскость щупалец и (2) плоскость глотки. В дополнение к этой группе доказательства бирадиальной симметрии были обнаружены даже у «идеально радиального» пресноводного полипа Гидры (книдарии). Бирадиальная симметрия, особенно при рассмотрении как внутренних, так и внешних особенностей, встречается чаще, чем предполагалось изначально.

Эволюция симметрии

Как и все признаки организмов, симметрия (или даже асимметрия) развивается из-за преимущества для организма - процесса естественного отбора . Это связано с изменением частоты генов, связанных с симметрией, с течением времени.

Эволюция симметрии у растений

Ранние цветущие растения имели радиально-симметричные цветы, но с тех пор многие растения развили двусторонне-симметричные цветы. Эволюция двусторонней симметрии связано с выражением из CYCLOIDEA генов. Доказательства роли семейства генов CYCLOIDEA прибывают из мутаций в этих генах, которые вызывают возврат к радиальной симметрии. Этот CYCLOIDEA гены кодируют факторы транскрипции , белка , которые контролируют экспрессию других генов. Это позволяет их экспрессии влиять на пути развития, относящиеся к симметрии. Напр., У Antirrhinum majus , CYCLOIDEA экспрессируется во время раннего развития в дорсальной области меристемы цветка и продолжает экспрессироваться позже в спинных лепестках, чтобы контролировать их размер и форму. Считается, что эволюция специализированных опылителей может сыграть роль в переходе радиально-симметричных цветков в двусторонне-симметричные цветки.

Эволюция симметрии у животных

Симметрия часто выбирается в процессе эволюции животных. Это неудивительно, поскольку асимметрия часто является признаком непригодности - либо дефекты во время развития, либо травмы на протяжении всей жизни. Это наиболее очевидно во время спаривания, во время которого самки некоторых видов выбирают самцов с высокосимметричными чертами. Например, симметрия лица влияет на человеческие суждения о человеческой привлекательности. Кроме того, самки амбарных ласточек , у которых взрослые особи имеют длинные полосы на хвосте, предпочитают спариваться с самцами, у которых хвосты наиболее симметричны.

В то время как симметрия, как известно, находится в процессе отбора, эволюционная история различных типов симметрии у животных является областью широких дискуссий. Традиционно предполагалось, что двусторонние животные произошли от радиального предка . Книдарии , тип, содержащий животных с радиальной симметрией, являются наиболее близкородственной группой к билатериям. Книдарии - одна из двух групп ранних животных, которые, как считается, имели определенное строение, вторая - гребневики . Гребневики демонстрируют бирадиальную симметрию, что позволяет предположить, что они представляют собой промежуточную ступень в эволюции двусторонней симметрии от радиальной симметрии.

Интерпретации, основанные только на морфологии, недостаточно для объяснения эволюции симметрии. Предлагаются два разных объяснения разной симметрии у книдарий и билатериев. Первое предположение состоит в том, что предковое животное не имело симметрии (было асимметричным) до того, как книдарии и билатерии разделились на разные эволюционные линии . Радиальная симметрия могла тогда развиться у книдарий, а двусторонняя симметрия - у билатерий. Альтернативно, второе предположение состоит в том, что предок книдарий и билатерий обладал двусторонней симметрией до того, как книдарии эволюционировали и стали отличаться радиальной симметрией. Оба возможных объяснения изучаются, и доказательства продолжают подпитывать дебаты.

Асимметрия

Хотя асимметрия обычно ассоциируется с непригодностью, некоторые виды эволюционировали, чтобы стать асимметричными, что стало важной адаптацией . Многие представители филума Porifera (губки) не обладают симметрией, хотя некоторые из них радиально симметричны.

Группа / Вид Асимметричная особенность Адаптивное преимущество
Некоторые совы Размер и расположение ушей Позволяет сове точнее определять местонахождение добычи
Камбала Оба глаза на одной стороне головы Отдыхайте и плавайте на одной стороне (чтобы слиться с песчаным дном океана)
Цихлида- чешуйница Perissodus microlepis Асимметрия рта и челюсти Более эффективно удаляет чешую с добычи.
Люди Руки и внутренняя асимметрия органов, например, левое легкое меньше правого Ручность - это адаптация, отражающая асимметрию человеческого мозга. Внутренняя асимметрия способствует позиционированию и созданию функциональной системы.

Нарушение симметрии

Наличие этих асимметричных особенностей требует процесса нарушения симметрии в процессе развития как у растений, так и у животных. Нарушение симметрии происходит на нескольких разных уровнях, чтобы вызвать наблюдаемую нами анатомическую асимметрию. Эти уровни включают асимметричную экспрессию генов, экспрессию белков и активность клеток.

Например, лево-правая асимметрия у млекопитающих широко исследовалась на эмбрионах мышей. Такие исследования привели к поддержке гипотезы узлового потока. В области эмбриона, называемой узлом, есть небольшие волосовидные структуры ( моноцилии ), которые все вместе вращаются в определенном направлении. Это создает однонаправленный поток сигнальных молекул, заставляя эти сигналы накапливаться на одной стороне эмбриона, а не на другой. Это приводит к активации различных путей развития с каждой стороны и последующей асимметрии.

Схематическая диаграмма сигнальных путей на левой и правой стороне куриного эмбриона, что в конечном итоге приводит к развитию асимметрии

Большая часть исследований генетической основы нарушения симметрии была проведена на куриных эмбрионах. У куриных эмбрионов левая сторона экспрессирует гены, называемые NODAL и LEFTY2, которые активируют PITX2, чтобы сигнализировать о развитии структур левой стороны. Принимая во внимание, что правая сторона не выражает PITX2 и, следовательно, развивает структуры правой стороны. Более полный путь показан на изображении сбоку страницы.

Дополнительные сведения о нарушении симметрии у животных см. На странице асимметрии влево-вправо .

Растения также демонстрируют асимметрию. Например, направление спиралевидного роста Arabidopsis , наиболее часто изучаемого модельного растения, демонстрирует леворукость. Интересно, что гены, участвующие в этой асимметрии, сходны (тесно связаны) с генами асимметрии животных - и LEFTY1, и LEFTY2 играют роль. Так же, как и у животных, нарушение симметрии у растений может происходить на молекулярном (гены / белки), субклеточном, клеточном, тканевом и органном уровнях.

Смотрите также

Биологические структуры

Условия ориентации

использованная литература

Цитаты

Источники