Биология. Углублённая и олимпиадная подготовка учащихся. Все классы.

Филогенез дыхательной и сердечно-сосудистой системы

Рудименты

Причины редукции:

1. Прежде активный орган становится вредным в новых условиях (например, бескрылые насекомые островов).

2. Орган замещается новыми, более эффективными структурами - субституция (например, замещение первичных почек вторичными; замещение хорды позвоночником).

3. Орган, почти не выполняющий функций, выходит из-под контроля естественного отбора; проявляет повышенную изменчивость; становится вредным (например, зубы “мудрости” у человека).

К рудиментам у человека относят:

1. структуры, потерявшие свои функции, но сохраняющиеся после рождения:

волосяной покров на теле

мышцы ушной раковины

копчик

аппендикс (как пищеварительный орган)

2. органы, сохраняющиеся в эмбриональном периоде онтогенеза:

хорда

хрящевые жаберные дуги

правая дуга аорты

шейные ребра

Причины сохранения рудиментарных органов в онтогенезе:

1. Их роль в эмбриональной индукции (например, хорда, первичная почка у пресмыкающихся и млекопитающих).

2. Выполнение рудиментами новых функций (например, мочеточники предпочки у круглоротых преобразуются у рыб в мочеполовые протоки).

Рис. Рудименты тазового пояса самца кита служат опорой для половых органов.

Атавизмы

Атавизмы - признаки предковых форм, которые в норме у вида не проявляются, но возникают у отдельных особей при нарушении работы генов.

По механизмам формирования различают четыре варианта атавистических аномалий:

1. Недоразвитие органа в эмбриональный период при возврате (рекапитуляции) предкового состояния:

двух- и трехкамерное сердце

гипоплазия, или недоразвитие диафрагмы

«волчья пасть»

2. Сохранение эмбриональных структур, характерных для предков, в связи с нарушением их редукции в эмбриональный период :

сохранение боталлова протока

латеральные свищи шеи

многососковость

шейные ребра

3. Нарушение перемещения органов в онтогенезе, результатом чего становится их расположение в тех частях тела, где при нормальных условиях они находятся у предковых форм:

дисплазия почек

крипторхизм

синдром Шпренгеля (высокое стояние лопатки)

4. Развитие до функционирующего состояния органов, характерных в норме для предковых форм:

полимастия

сохранение левой и правой дуг аорты

Атавизмы - результат мутации регуляторных генов, которые контролируют скорость морфогенеза и редукцию органов, а не обратные мутации структурных генов.

Рис. Развитие шишек у лиственницы европейской:

а - нормально развивающиеся и зрелая шишки; б - аномальное развитие; в - аномальные зрелые прошлогодние шишки.

СООТНОСИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНОВ

Координации- устойчивые взаимосвязи в развитии органов, проявляющиеся в филогенезе.

1. Биологические координации - связи в развитии структур, являющимися адаптациями к определенным условиям обитания (например, к паразтизму, или к древесному образу жизни и т.п.).

2. Динамические координации - взаимное соответствие структур, связанных функционально (например, развитие органов кровеносной и дыхательной систем; развитие органов чувств и головного мозга).

3. Топографические координации - проявляются между структурами, связанными друг с другом пространственно. Так, для каждого типа животного царства характерен своеобразный общий план строения, выражающийся в определенном взаимном расположении основных органов и систем.

Дыхательная система

Особенности дыхательной поверхности:

- проницаемость для O2 и CO2;

- тонкость (диффузия эффективна только на небольших расстояниях);

- влажность (газы диффундируют в раствор);

- определенная площадь поверхности газообмена (для поддержания достаточной скорости газообмена).

Дыхательная система беспозвоночных:

1. Дыхание всей поверхностью тела: губки, мшанки, плоские черви, пиявки, мелкие ракообразные.

2. Жаберное дыхание

Жабры - специальные выросты с большой площадью поверхности, опутанные густой разветвленной сетью сосудов: ракообразные, моллюски.

Принцип противотока: движение крови в капиллярах противоположно току воды.

Кожные жабры (папулы) иглокожих - многочисленные тонкостенные выросты покровов, в которые заходят выросты полости тела. Газообмен происходит между водой и целомической жидкостью.

Перистые жабры полихет - производные параподий или головных придатков. Газообмен может происходить через кровь или целомическую жидкость.

Ктенидии- первичные жабры моллюсков.

У большинства брюхоногих моллюсков: один ктенидий.

Рис. Ктенидии моллюсков:

1 - приносящий жаберный сосуд; 2 - продольный мускул жабры; 3 - парные жаберные пластинки (ламеллы); 4 - выносящий жаберный сосуд.

У головоногих моллюсков в основании каждого ктенидия находится дополнительное жаберное сердце.

Пластинчатые жабры двустворчатых моллюсков (обычно 2 пары) - производные ктенидиев; функция: газообмен и фильтрация.

Жабры ракообразных - кожные выросты грудных ног и боковых поверхностей тела, находящиеся в жаберной полости головогруди.

Рис. Жаберная полость речного рака

ЛЕГОЧНОЕ ДЫХАНИЕ

Легкие- органы воздушного дыхания, представляющие собой полость внутри организма, стенки которой оплетены кровеносными капиллярами.

Кишечные (водные) легкие голотурий снабжены мышечным насосом.

Рис. Голотурия в разрезе

Легкие моллюсков - стенки мантийной полости.

Рис. Брюхоногий моллюск в разрезе

Легочные мешки членистоногих

Рис. Лёгочный мешок паука в поперечном разрезе:

1 - отверстие стигмы, 2 - пластинки, заполненные гемолимфой, 3 - прослойки воздуха между ними.

ТРАХЕИ ЧЛЕНИСТОНОГИХ

Трахеи- органы дыхательной системы наземных членистоногих (насекомых, многоножек, паукообразных) и онихофор.

Эктодермальное происхождение.

Строение трахей:

- многочисленные неветвящиеся трубочки (у онихофор и ложноскорпионов);

- метамерные пучки трахей - трахеомеры (у двупарноногих многоножек и большинства бескрылых насекомых);

- единая трахейная система (у сольпуг и крылатых насекомых).

Рис. Трахейная система двукрылого

Рис. Трахейная система черного таракана со спинной стороны:

1 - трахейные стволы, 2 - стигмы, 3 - зоб, 4 - пилорические придатки, 5 - средняя кишка, 6 - задняя кишка

Рис. Строение трахей насекомых:

А - участок трахеи; Б - стенка трахеи при большом увеличении; В - концевая клетка трахеи, пронизанная трахеолами:

1 - эпителий трахеи, 2 - хитиновая выстилка трахеи, 3 - спиральное утолщение (= тенидии) хитиновой выстилки трахеи, 4 - трахея, 5 - трахеолы (без хитиновой выстилки)

Рис. Перипатус (Тип Онихофоры)

Рис. Книжный ложноскорпион

Поступление воздуха через стигмы:

- пассивное: путем диффузии (у малоактивных насекомых, обитающих в условиях повышенной влажности);

- активное: с помощью дыхательных движений; есть замыкательный аппарат стигм (у активных насекомых и обитателей засушливых мест).

Воздушные мешки - локальные расширения трахей для улучшения вентиляции трахейной системы (у наземных насекомых), или в качестве резервуаров воздуха (у водных насекомых).

Трахейные жабры и замкнутая трахейная система без стигм: у водных личинок насекомых.

Трахеи аналогичны кровеносным капиллярам жабр позвоночных.

Анальные жабры - стенки задней кишки, густо покрытые трахеями; снабжены мышечным насосом: у личинок разнокрылых стрекоз.

Рис. Листовидные трахейные жабры личинки поденки

Дыхательные пигменты

Растворимость кислорода в крови составляет 0,2 мл на 100 мл крови.

Дыхательные пигменты - окрашенные органические вещества в клетках живых организмов, участвующие в переносе кислорода или в тканевом дыхании.

Почти полное отсутствие эритроцитов и гемоглобина у личинок европейского угря и взрослых особях семейства белокровных рыб.

Рис. Крокодиловая белокровка

Дыхательная система хордовых

1. Жабры

Функции:

- газообмен в водной среде;

- органы выделения избытка солей, аммиака и мочевины.

Рис. Жаберный аппарат костных рыб

Рис. Жабры щуки

2. Легкие

Легкие впервые появились у кистеперых рыб из плавательного пузыря.

Плавательный пузырь - парное выпячивание вентральной стороны глотки.

Смена функций в филогенезе:

- гидростатическая (у рыб)

- гидростатическая и вспомогательная дыхательная (кистеперые рыбы, многоперовые рыбы);

- дыхательная (наземные позвоночные).

Рис. Плавательный пузырь рыб (а - костной; б - кистеперой) и развитие легких у человека (в - ранние стадии):

1 - средняя кишка; 2 -плавательный пузырь; 3 - глотка; 4 - развивающиеся легкие

ДЫХАНИЕ ЗЕМНОВОДНЫХ

- жабры: водные личинки

- кожа и легкие: у большинства

- кожа и слизистая оболочка ротовой полости: безлегочные саламандры.

Особенности дыхательной системы лягушки:

- носовые ходы;

- гортань- первый орган нижних дыхательных путей;

- крупноячеистые легкие начинаются от гортани;

- механизм дыхания лягушки: глотательные движения мышц дна ротовой полости и брюшных мышц.

ОРГАНЫ ДЫХАНИЯ ПРЕСМЫКАЮЩИХСЯ

- верхние дыхательные пути: полость носа частично отграничена от ротовой полости;

- нижние дыхательные пути: гортань, трахея, бронхи.

Строение легочных мешков:

- у ящериц и змей: складчатое ячеистое строение;

- у черепах и крокодилов: губчатое строение (подобно легким птиц и млекопитающих);

- у хамелеонов, некоторых ящериц и змей: задняя часть легких с пальцевидными выростами (подобие воздушных мешков птиц); функция: эффект шипения, облегчают газообмен при длительном прохождении пищи по пищеводу и при нырянии.

Механизм дыхания: сокращения межреберных и брюшных мышц.

Диафрагма лишена мышечных элементов, либо неполная.

Рис. Легкие пресмыкающихся:

А - амфисбены (разрез); Б - анаконды (вид сверху); В - гаттерии (разрез), Г - варана (разрез), Д - аллигатора (разрез), Е - хамелеона (вид снизу; отростки - подобие воздушных мешков)

Рис. Амфисбена (двуходка)

ДЫХАНИЕ ПТИЦ

Особенности строения легких:

- малый объем легких;

- малая эластичность;

- срастание легких с ребрами и позвоночным столбом;

- проточная система бронхов (парабронхов);

- газообмен в парабронхах и воздушных капиллярах;

- эластичные легочные мешки.

Рис. Схема строения легких и воздухоносных мешков птиц:

1 - межключичный мешок; 2 - подмышечные мешки; 3 - ход в плечевую кость; 4 - шейные мешки; 5, 6 - грудные мешки; 7 - брюшные мешки; 8 - легкие.

Механизм дыхания птиц:

Рис. Схема двойного дыхания

Рис. Принцип противотока

Органы дыхания в онтогенезе высших позвоночных:

сосуды желточного мешка → алантоис → легкие

Гуморальная регуляция дыхания

- у “воднодышащих” дыхательное поведение и жаберное дыхание зависят от концентрации в крови О2;

- у “воздуходышащих” - от концентрации СО2 и Н2;

- у птиц дополнительные артериальные хеморецепторы, реагирующие на недостаток О2, что имеет значение для регуляции дыхания во время полета на больших высотах.

Сердечно-сосудистая система

Мезодермальное происхождение.

КРОВЕНОСНАЯ СИСТЕМА БЕСПОЗВОНОЧНЫХ

ФИЛОГЕНЕЗ КРОВЕНОСНОЙ СИСТЕМЫ ХОРДОВЫХ

Функции кровеносной системы:

- дыхательная;

- трофическая;

- выделительная;

- регуляторная;

- защитная (ммунитет и коагуляция);

- терморегуляторная;

- гомеостатическая.

Основные направления эволюции:

1. Закладка и дифференцировка сердца (от 2-х к 4-х камерному).

2. Развитие второго (малого) круга кровообращения и полное разделение артериальной и венозной крови.

3. Преобразование жаберных артерий (артериальных дуг) и дифференцировка сосудов.

Кровеносная система всех хордовых замкнутая и состоит из двух основных артериальных сосудов: брюшной и спинной аорт.

Рис. Строение кровеносной системы водных (а) и наземных (б) позвоночных:

1 - жаберные артерии; 2 - сонная артерия; 3 - передняя кардинальная вена; 4 - задняя кардинальная вена; 5 - спинная аорта; 6 - кювьеров проток; 7 - подкишечная вена; 8 - печеночная вена; 9 - брюшная аорта; 10 - задняя (нижняя) полая вена; 11 - воротная вена печени; 12 - легочная вена; 13 - легочная артерия; стрелками указано направление движения крови