Как развивалась сердечно-сосудистая система?

В то время как другие обращались к аспектам вашего вопроса в целом, я думаю, было бы полезно взглянуть на специфику.

Взгляните на сердце (точнее, на сердце ) дождевого червя:

Они представляют собой не что иное, как вены с обвивающими их мышцами. Назвать их сердцами кажется почти с натяжкой, они по форме так отличаются от того, что мы считаем настоящим сердцем.

Также обратите внимание на легкие дождевого червя, вернее, на их отсутствие. У него нет! Почему бы и нет? Они не нужны. Он получает достаточно кислорода через кожу посредством осмоса. Только более крупные организмы нуждаются в специальных системах для концентрации кислорода из окружающей среды.

Итак, у червя более простая система (без камер сердца, без легких), которая работает.

Все позвоночные произошли от общего предка, очень похожего на этого дождевого червя. У него было простое сердце и не было легких. Вы можете проследить эволюцию человеческого сердца через сердце рыбы:

который представляет собой более сложный насосный сосуд с двумя камерами.

Земноводные произошли от рыб, рептилии от земноводных, а млекопитающие от рептилий. На этой диаграмме вы обнаружите, что сердце становится более изощренным и эффективным в каждом:

Итак, это должно дать вам хорошее представление об эволюции человеческого сердца из более простой работающей системы. Я не буду тратить время на описание эволюции кровеносных сосудов или легких; может быть, кто-то другой, или вы можете сами погуглить, информация легко доступна. Но все они следуют одной и той же схеме: постепенные, постепенные улучшения работающих, более простых систем.

Такой вопрос был поднят в книге Майкла Бихи, профессора биохимии в США, под названием «Черный ящик Дарвина» — он называет это « непреодолимой сложностью » (ИС). Например, каскадная система свертывания крови, в которой есть большое количество компонентов, которые, по-видимому, необходимы для процесса.

Теперь я должен сказать, что нахожу идею о том, что это проблема, очень неубедительной, если не сказать больше. Тем не менее, это разумный вопрос; как эволюционирует система взаимозависимых элементов, если предположить, что никакая часть не может изменяться постепенно без разрушения всей системы?

Есть, по крайней мере, две основные проблемы с этим. Во-первых, предположение о том, что вы не можете изменить какую-либо часть такой системы, по большей части оказалось ложным. Во-вторых, очевидно, что системы будут развиваться из других, более простых систем, которые столь же эффективны.

Скажем, я начинаю с трех элементов в моей системе (например, трех белков). Все они необходимы , поскольку каждый требует, чтобы другой функционировал должным образом. Теперь я ввожу в систему еще один белок и делаю ее зависимой только от одного из существующих белков. Является ли эта система ИС? Нет, мы можем удалить новый белок, и все это по-прежнему будет работать. Постепенно мы делаем другие части системы зависимыми от нового белка, и внезапно у нас появляется «внутрисистемная» система.

Другими словами, «проблема» заключается в том, чтобы представить себе, что вы должны перейти от ничего к полностью работающей мышеловке. Что кажется более вероятным, так это то, что элементы системы изменяются один за другим, и что система развивается через серию состояний, в которых вы можете указать на какой-то элемент и заявить, что он необходим.

И последнее, что следует отметить: ни один многоклеточный организм не рождается целым за один этап. Процессы, через которые проходит эмбрион, концептуально похожи (хотя и не совсем ) на эволюцию в том смысле, что у вас могут быть разные органы, развивающиеся в разное время, или их более простые версии, которые могут работать вместе как более простая система.

Чтобы сделать это немного менее абстрактным, рассмотрим пример дождевого червя, приведенный в верхнем ответе. У него простое сердце(а) и кровеносные сосуды - это не кажется таким уж сложным, поэтому добавим несколько легких. Вот тривиальная схема:

Линии здесь — это взаимодействия между органами — сердце качает кровь по сосудам, а легкие (если есть) насыщают кровь кислородом. Мы переходим от более простой системы (1) к более сложной системе (2), просто добавляя еще один элемент.

Однако сложность некоторых систем заключается в том, что взаимодействия между частями являются зависимостями. Очень простым примером могут быть белки, которые активируют/деактивируют другие белки (скажем, путем фосфорилирования). Тогда теоретически мы могли бы получить такую ​​ситуацию:

Здесь окончательная система (4) выглядит «неприводимо» сложной, потому что вы не можете удалить ни одно из (A, B, C, D), не нарушив цикл. Однако на каждом этапе мы добавляли или удаляли только одну зависимость. Это также показывает важность избыточности в биологических системах. Если выбить из системы (3) либо C, либо D, то она все равно работает.

Это хороший вопрос, но он имеет широкий размах, так как вы говорите о развитии миллионов различных живых существ на протяжении сотен миллионов лет, ни одно из которых еще не живо, поэтому мы должны делать выводы, основываясь на том, что мы наблюдаем в их выживших потомках.

Это означает, что если вы хотите узнать, как могут функционировать «промежуточные» (скажем, не совсем легкие, не совсем сердце, не совсем мозг) системы организма, вам сначала нужно изучить биологию многих органов. другие животные. Не у всех животных есть легкие, сердце или нервная система. Не у всех животных есть кровь.

Более того, ключевым фактором является то, что несколько сотен миллионов лет — это очень, очень, очень большой срок. Это такое долгое время, что оно находится далеко за пределами любой типичной человеческой шкалы понимания. Рассмотрите весь свой жизненный опыт до сих пор и все, что вы видели, изменилось. По сравнению с тем, как долго продолжается эволюционный процесс, продолжительность вашей жизни составляет порядка миллисекунды в день.

Более простые формы разработаны для удовлетворения более простых требований. Возьмем, к примеру, планарий, которые достаточно тонкие и маленькие, чтобы получать кислород путем диффузии прямо через свою поверхность. А теперь представьте немного более крупное животное, которому нужна чуть более сложная система для хорошего насыщения кислородом внутренних органов. Мышцы с аберрантным автономным сокращением было бы достаточно, чтобы перемешивать/циркулировать больше насыщенных кислородом жидкостей по телу. Кроме того, любая маленькая случайность, которая способствует этому (например, некоторые клетки немного лучше связываются с кислородом, мышцы сокращаются немного сильнее или более регулярно и т. д.), является другой формой, более близкой к тому, что мы видим сегодня.

Действительно, хороший вопрос, и на него нелегко ответить (или понять). Я дам очень упрощенный ответ. Имейте в виду, что процессы, которые я опишу, ДЕЙСТВИТЕЛЬНО сложны.

Прежде чем кровь, мозги и т. д., нужно подумать. Миллиарды лет назад на планете сформировались органические молекулы. Эти органические молекулы начали «присоединяться»». Миллионы лет спустя образовались простые клетки, не имевшие даже ядра. Спустя несколько миллионов лет начали формироваться клетки с ядром. Позднее эти клетки начали агрегировать, превращаясь в колонии одноклеточных особей. Со временем эти колонии превратились в многоклеточные особи, но со всеми клетками, равными друг другу. После этого клетки в одном организме начали дифференцироваться по некоторым функциям (например, пищеварительной и нервной). Постепенно формировались более сложные организмы, по мере того как клетки, формировавшие эти организмы, начинали дифференцироваться и формировать различные виды тканей, которые через миллионы лет превращались во все более сложные организмы. Подумайте, например, о книдариях. Они очень «простые» (я использую «простые» вместо «несложных») существа. У них нет кровеносной системы. Кровеносная система развивалась у последних групп: первая, «простая», кровеносная система появилась у нематод (если не ошибаюсь). Но это было действительно «просто». Со временем из-за различных эволюционных давлений начали возникать другие, более сложные системы кровообращения. То же самое относится к любому типу клеток, тканей или органов, о которых вы только можете подумать в любом организме: Кровеносная система развивалась у последних групп: первая, «простая», кровеносная система появилась у нематод (если не ошибаюсь). Но это было действительно «просто». Со временем из-за различных эволюционных давлений начали возникать другие, более сложные системы кровообращения. То же самое относится к любому типу клеток, тканей или органов, о которых вы только можете подумать в любом организме: Кровеносная система развивалась у последних групп: первая, «простая», кровеносная система появилась у нематод (если не ошибаюсь). Но это было действительно «просто». Со временем из-за различных эволюционных давлений начали возникать другие, более сложные системы кровообращения. То же самое относится к любому типу клеток, тканей или органов, о которых вы только можете подумать в любом организме:Сложные организмы являются результатом миллионов лет более простых организмов, которые очень маленькими шажками породили более сложные организмы.

Я надеюсь, вы поняли, что я пытаюсь сказать. Чтобы по-настоящему понять все это, вам нужно много изучить эволюцию, потому что нам трудно глубоко понять эту концепцию.