Введение

Отогенез – возникновение и развитие организма (как физического, так и психологического, например, нравственного развития), обычно с момента оплодотворения яйцеклетки до взрослого состояния. Термин также может использоваться для обозначения изучения всей продолжительности жизни организма. Онтогенез – это история развития организма в течение его собственной жизни, в отличие от филогенеза, который относится к эволюционной истории вида. Другой способ понять онтогенез – это процесс, в ходе которого организм проходит все стадии развития на протяжении своей жизни. История развития включает в себя все события развития, происходящие в течение существования организма, начиная с изменений в яйцеклетке в момент оплодотворения и событий с момента рождения или вылупления и далее (то есть рост, перестройка формы тела, развитие вторичных половых признаков и т. д.). В то время как процессы развития (то есть онтогенетические) могут влиять на последующие эволюционные (то есть филогенетические) процессы (см. эволюционную биологию развития и теорию рекапитуляции), отдельные организмы развиваются (онтогенез), а виды эволюционируют (филогенез). Онтогенез, эмбриология и биология развития – тесно связанные области исследования, и эти термины иногда используются как взаимозаменяемые. Аспектами онтогенеза являются морфогенез – развитие формы и структуры организма; рост тканей; и клеточная дифференциация. Термин онтогенез также используется в клеточной биологии для описания развития различных типов клеток внутри организма. Онтогенез является полезной областью исследования во многих дисциплинах, включая биологию развития, клеточную биологию, генетику, психологию развития, когнитивную нейробиологию развития и психобиологию развития. В антропологии онтогенез используется как «процесс, посредством которого каждый из нас воплощает историю своего становления».

Этимология

Слово онтогенез происходит от греческого *on*, означающего бытие, индивид; и существование, и от суффикса *geny* от греческого *geneia*, означающего происхождение, возникновение и способ образования.

История

Термин онтогенез был предложен Эрнстом Геккелем, немецким зоологом и эволюционистом, в 1860-х годах. Геккель, родившийся в Германии 16 февраля 1834 года, также был убежденным сторонником дарвинизма. В своей книге 1866 года «Generelle Morphologie der Organismen» («Общая морфология организмов») Геккель предположил, что онтогенез вкратце и иногда неполно рекапитулирует, то есть повторяет, филогенез. Несмотря на широкую известность его книги, научное сообщество не было особенно убеждено или заинтересовано в его идеях, поэтому он стал публиковать больше работ, чтобы привлечь внимание. В 1866 году Геккель и другие представляли развитие как процесс создания новых структур после того, как более ранние элементы уже сформировались в развивающемся организме. Он полагал, что индивидуальное развитие следует за стадиями развития предыдущих поколений, а будущие поколения добавляют к этому процессу что-то новое, и что существует причинно-следственная параллель между онтогенезом и филогенезом животного. Кроме того, Геккель сформулировал биогенетический закон, согласно которому онтогенез рекапитулирует филогенез, основываясь на идее, что последовательное и прогрессивное возникновение новых видов подчиняется тем же законам, что и последовательное и прогрессивное возникновение новых эмбриональных структур. По мнению Геккеля, развитие порождает новые признаки, а естественный отбор устраняет устаревшие или выродившиеся виды. Хотя его представления о развитии и эволюции не получили научного обоснования, будущие эмбриологи развивали и дополняли идеи Геккеля, показав, как новые морфологические структуры могут возникать в результате наследственной модификации эмбрионального развития. Морской биолог Уолтер Гарстанг изменил взаимосвязь между онтогенезом и филогенезом, предложенную Геккелем, утверждая, что онтогенез создает филогенез, а не рекапитулирует его. В основополагающей работе 1963 года Николаас Тинберген назвал онтогенез одним из четырех основных вопросов биологии, наряду с тремя другими, сформулированными Джулианом Хаксли: причинность, адаптивная значимость и эволюция. Тинберген выражал обеспокоенность тем, что сложно исключить влияние факторов окружающей среды, а использование термина «врожденный» часто может быть вводящим в заблуждение.

Стадии развития

Развитие организма происходит посредством оплодотворения, дробления, бластуляции, гаструляции, органогенеза и метаморфоза во взрослую особь. Каждый вид животных проходит через эти стадии немного по-своему, поскольку продолжительность некоторых стадий может отличаться у разных видов, а также различается место развития потомства у разных типов животных (например, в твердой яичной скорлупе, матке, мягкой яичной скорлупе, на листе растения и т.д.).

Оплодотворение

У человека процесс развития плода начинается после того, как сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку и они сливаются, запуская эмбриональное развитие. Слияние яйцеклетки и сперматозоида в зиготу изменяет окружающую мембрану, предотвращая проникновение других сперматозоидов и, таким образом, исключая многократное оплодотворение. Слияние также активирует зиготу, позволяя ей начать деление клеток. Хотя не у каждого вида животных есть именно сперматозоиды и яйцеклетки, у них есть две гаметы, содержащие половину типичного генетического материала этого вида, и слияние их мембран запускает процесс создания потомства.

Разрез

Вскоре после успешного оплодотворения сперматозоидами, зигота подвергается множественным митотическим делениям – это также бесполые клеточные деления. Дробление – это процесс деления клеток, в результате которого исходная зигота превращается в совокупность идентичных клеток, называемую морулой и состоящую из клеток, называемых бластомерами. Дробление подготавливает зиготу к развитию в эмбрион, которым у человека считается плод с 2 по 8 неделю после зачатия (оплодотворения).

Бластуляция

После того как зигота превращается в эмбрион, она продолжает делиться, формируя полый шар клеток, называемый бластулой. Эти внешние клетки образуют единый эпителиальный слой – бластодерму, который по сути окружает заполненное жидкостью внутреннее пространство – бластоцель. На рисунке справа показан основной процесс, который видоизменяется у разных видов. Бластуляция незначительно различается у разных видов, но у млекопитающих восьмиклеточный эмбрион формирует несколько иной тип бластулы, называемый бластоцистой. Другие виды, такие как морские звезды, лягушки, цыплята и мыши, имеют те же структуры на этой стадии, однако ориентация этих структур отличается, а также эти виды обладают дополнительными типами клеток на этой стадии.

Гаструляция

После бластуляции однослойная бластула расширяется и реорганизуется в многослойную структуру, гаструлу (как показано на рисунке справа). Рептилии, птицы и млекопитающие – триплобластные организмы, то есть гаструла состоит из трех зародышевых листков: эндодермы (внутреннего листка), мезодермы (среднего листка) и эктодермы (наружного листка).

Органогенез

На рисунке ниже показано, как человеческие зародышевые клетки способны дифференцироваться в те органы и ткани, которые они формируют в дальнейшем развитии организма. Зародышевые клетки способны мигрировать к своим конечным местам расположения, чтобы перестроиться, и некоторые органы состоят из двух зародышевых листков – одного наружного, другого внутреннего. На рисунке выше демонстрируется сходство в развитии зародышей свиньи, коровы, кролика и человека. Рисунок показывает, как зародышевые листки могут превращаться в различные органы и ткани у эволюционно более высокоорганизованных форм жизни, и как развитие этих видов в целом очень похоже. Кроме того, он иллюстрирует, как развитие у нескольких видов происходит параллельно, но затем расходится, чтобы сформировать более специфические признаки организма, такие как копыта, хвост или уши.

Нейроустройство

При развитии потомства позвоночных формируется нейронная трубка посредством первичной или вторичной нейруляции. У некоторых видов позвоночник и нервная система развиваются с использованием как первичной, так и вторичной нейруляции, в то время как другие используют только первичную или только вторичную нейруляцию. В процессе развития человеческого плода первичная нейруляция происходит на 3-й и 4-й неделях гестации для формирования мозга и спинного мозга. Затем, на 5-й и 6-й неделях гестации, вторичная нейруляция формирует нижний сакральный и копчиковый отделы спинного мозга.

Первичная нейруляция

Диаграмма справа иллюстрирует первичную нейруляцию, которая представляет собой процесс взаимодействия клеток, окружающих нейронную пластинку, с клетками нейронной пластинки для пролиферации, конвергенции и отделения, формируя полый тубус над хордой и мезодермой. Этот процесс является прерывистым и может начинаться в разных точках вдоль краниокаудальной оси, что необходимо для его закрытия. У более развитых организмов, таких как амфибии, птицы и млекопитающие;

Вторичная нейруляция

При вторичной нейруляции хвостовая и сакральная области позвоночника формируются после завершения первичной нейруляции. Этот процесс начинается после того, как первичная нейруляция завершена и задний нейропор закрывается, позволяя хвостовой почке пролиферировать и конденсироваться, затем создать полость и слиться с центральным каналом нервной трубки. Вторичная нейруляция происходит в небольшой области, начинающейся от хвостовой почки позвоночника и заканчивающейся у заднего нейропора, который представляет собой открытые нервные складки вблизи хвостовой области, не закрывающиеся в процессе первичной нейруляции. По мере прогрессирования канализации в течение следующих нескольких недель нейроны и эпендимальные клетки (клетки, производящие спинномозговую жидкость) дифференцируются, формируя хвостовой конец спинного мозга. Далее, закрытая нервная трубка содержит нейроэпителиальные клетки, которые немедленно делятся после закрытия, и формируется второй тип клеток – нейробласты. Нейробласты образуют мантийный слой, который впоследствии становится серым веществом, которое затем дает начало краевому слою, формирующему белое вещество спинного мозга. Этот молодой организм – личинка, представляющая собой промежуточную форму перед метаморфозом во взрослую особь. Ювенильный период у растений отличается от ювенильного периода у животных, но у растений ювенильность – это ранняя фаза роста, в течение которой растения не способны цвести. У животных ювенильная стадия наиболее распространена у социальных млекопитающих, таких как дикие собаки, обезьяны, гориллы, львы, волки и другие. У людей половое созревание знаменует конец этой стадии, за которым следует подростковый возраст. Некоторые виды начинают половое созревание и размножение до завершения ювенильной стадии, например, у самок нечеловеческих приматов. Стадии личинки и куколки изображены на рисунке справа.

Метаморфоза

Процесс, в ходе которого организм претерпевает структурные и физические изменения после рождения или вылупления, чтобы приспособиться к взрослой среде обитания, называется метаморфозом. Например, у головастиков амфибий созревают ферменты печени, гемоглобин и пигменты глаз, а также происходит перестройка нервной, пищеварительной и репродуктивной систем. Во всех видах эти изменения, по-видимому, регулируются линькой и ювенильными гормонами. У собак мелкие породы (например, йоркширский терьер, чихуахуа, кокер-спаниель и т.д.) физически созревают быстрее, чем крупные породы (например, сенбернар, немецкий дог, золотистый ретривер и т.д.), поэтому половая зрелость наступает в возрасте от 12 до 24 месяцев, или от 1 до 2 лет. В отличие от этого, у многих видов насекомых длительные личиночные стадии, а стадия взрослого организма предназначена исключительно для размножения. У шелкопрядов отсутствуют ротовые органы и они не питаются, поэтому им необходимо потреблять достаточно пищи на личиночной стадии, чтобы получить энергию для выживания и размножения. Старение может быть вызвано невосстановленным повреждением ДНК (например, от радиации, возраста и т.д.) или другим клеточным стрессом, и также является состоянием, связанным с возрастом.

Онтогенетическая аллометрия

Большинство организмов претерпевают аллометрические изменения формы по мере роста и созревания, в то время как другие проходят метаморфоз. Даже рептилии (нептичьи савропсиды, например, крокодилы, черепахи, змеи и ящерицы), чье потомство часто воспринимается как уменьшенные копии взрослых особей, демонстрируют разнообразные онтогенетические изменения в морфологии и физиологии.