Symetria w biologii - Symmetry in biology

Wybór zwierząt wykazujących różne symetrie ciała, w tym asymetrię, promieniste i obustronne plany ciała
Komiks ilustrujący różnicę między symetrią dwustronną ( Drosophila ), radialną ( kwiaty aktynomorficzne ) i sferyczną ( bakterie kokosowe )

Symetria w biologii odnosi się do symetrii obserwowanej w organizmach , w tym roślinach, zwierzętach, grzybach i bakteriach . Symetrię zewnętrzną można łatwo zobaczyć, po prostu patrząc na organizm. Weźmy na przykład twarz człowieka, której środek ma płaszczyznę symetrii, lub szyszka z wyraźnym symetrycznym wzorem spirali. Cechy wewnętrzne mogą również wykazywać symetrię, na przykład rurki w ludzkim ciele (odpowiedzialne za transport gazów , substancji odżywczych i produktów przemiany materii), które są cylindryczne i mają kilka płaszczyzn symetrii.

Symetrię biologiczną można traktować jako zrównoważony rozkład zduplikowanych części lub kształtów ciała w ciele organizmu. Co ważne, w przeciwieństwie do matematyki symetria w biologii jest zawsze przybliżona. Na przykład liście rośliny – choć uważane za symetryczne – rzadko dopasowują się dokładnie po złożeniu na pół. Symetria to jedna z klas wzorców w naturze, w której element wzorca jest prawie powtarzany przez odbicie lub obrót .

Podczas gdy gąbki i placozoans reprezentują dwie grupy zwierząt, które nie wykazują żadnej symetrii (tj. są asymetryczne), plany ciała większości organizmów wielokomórkowych wykazują pewną formę symetrii i są przez nią określone. W planach ciała możliwe jest tylko kilka rodzajów symetrii. Są to symetria promieniowa (cylindryczna), dwustronna , dwupromieniowa i sferyczna . Podczas gdy klasyfikacja wirusów jako „organizmów” pozostaje kontrowersyjna, wirusy zawierają również symetrię dwudziestościenną .

Znaczenie symetrii ilustruje fakt, że grupy zwierząt były tradycyjnie definiowane przez tę cechę w grupowaniach taksonomicznych . Radiata , zwierzęta z symetrią promieniową, stanowią jedną z czterech dziedzin Georges Cuvier klasyfikacji jest na zwierzętach Brytania . Tymczasem Bilateria to ugrupowanie taksonomiczne używane do dziś do reprezentowania organizmów o embrionalnej dwustronnej symetrii.

Symetria promieniowa

Organizmy o symetrii promieniowej wykazują powtarzający się wzór wokół centralnej osi, tak że można je rozdzielić na kilka identycznych kawałków po przecięciu przez centralny punkt, podobnie jak kawałki ciasta. Zazwyczaj polega to na powtórzeniu części ciała 4, 5, 6 lub 8 razy wokół osi – określane odpowiednio jako tetrameryzm, pentameryzm, heksameryzm i oktomeria. Takie organizmy nie mają lewej ani prawej strony, ale mają górną i dolną powierzchnię lub przednią i tylną.

George Cuvier sklasyfikował zwierzęta o symetrii radialnej w taksonie Radiata ( Zoophytes ), który jest obecnie powszechnie akceptowany jako zespół różnych typów zwierząt, które nie mają wspólnego przodka ( grupa polifiletyczna ). Większość promieniście symetrycznych zwierząt jest symetryczna wokół osi rozciągającej się od środka powierzchni jamy ustnej, która zawiera pysk , do środka przeciwległego (aboralnego) końca. Zwierzęta z rodzaju Cnidaria i Echinodermata generalnie wykazują symetrię promieniową, chociaż wiele ukwiałów i niektóre koralowce w obrębie Cnidaria mają dwustronną symetrię określoną przez pojedynczą strukturę, syfonoglif . Symetria promieniowa jest szczególnie odpowiednia dla zwierząt siedzących, takich jak ukwiał morski, zwierząt pływających, takich jak meduzy i wolno poruszających się organizmów, takich jak rozgwiazdy ; podczas gdy dwustronna symetria sprzyja lokomocji poprzez generowanie opływowego ciała.

Wiele kwiatów jest również promieniście symetrycznych lub „ aktynomorficznych ”. Z grubsza identyczne struktury kwiatowe – płatki , działki kielicha i pręciki – występują w regularnych odstępach wokół osi kwiatu, który często jest żeńskim narządem rozrodczym zawierającym słupek , styl i piętno .

Lilium bulbiferum wykazuje heksameryzm z powtarzającymi się częściami ułożonymi wokół osi kwiatu.

Podtypy symetrii promieniowej

Niektóre meduzy, takie jak Aurelia marginalis , wykazują tetrameryzm z czterokrotną symetrią promieniową. Jest to od razu widoczne, gdy patrzy się na meduzę ze względu na obecność czterech gonad , widocznych przez jej półprzezroczysty korpus. Ta promieniowa symetria jest ważna z ekologicznego punktu widzenia, umożliwiając meduzie wykrywanie i reagowanie na bodźce (głównie pokarm i niebezpieczeństwo) ze wszystkich kierunków.

Tekst alternatywny
Jabłko cięte poziomo, co pokazuje, że pentameryzm występuje również w owocach

Rośliny kwitnące wykazują pięciokrotną symetrię lub pentamerię w wielu swoich kwiatach i owocach. Widać to łatwo po ułożeniu pięciu słupków (kieszeni nasiennych) w jabłku po przecięciu w poprzek . Wśród zwierząt, tylko szkarłupni, takie jak morza gwiazd , jeżowców i lilii wodnych są pentamerous jako dorośli, z pięcioma ramionami rozmieszczone wokół ust. Będąc zwierzętami dwubocznymi, początkowo rozwijają się z symetrią lustrzaną jako larwy, a później uzyskują symetrię pentaradialną.

Heksameryzm występuje u koralowców i ukwiałów (klasa Anthozoa ), które dzielą się na dwie grupy na podstawie ich symetrii. Najczęstsze koralowce z podklasy Hexacorallia mają heksameryczny plan ciała; ich polipy mają sześciokrotną symetrię wewnętrzną i liczbę macek, która jest wielokrotnością sześciu.

Oktameryzm występuje w koralowcach z podklasy Octocorallia . Mają polipy z ośmioma mackami i oktameryczną symetrią promieniową. Ośmiornica ma jednak dwustronnej symetrii, pomimo ośmiu ramionach.

Triradial symetrii był obecny w Trilobozoa z późnej ediakarska okresu.

Symetria dwudziestościenna

Tekst alternatywny
Wirusy zapalenia żołądka i jelit mają symetrię dwudziestościenną

Symetria dwudziestościenna występuje w organizmie, który zawiera 60 podjednostek generowanych przez 20 ścian, z których każda jest trójkątem równobocznym i 12 rogami. W obrębie dwudziestościanu występuje symetria 2-krotna, 3-krotna i 5-krotna . Wiele wirusów, w tym parwowirus psów , wykazuje tę formę symetrii ze względu na obecność ikozaedrycznej otoczki wirusowej . Taka symetria ewoluowała, ponieważ pozwala na zbudowanie cząsteczki wirusa z powtarzalnych podjednostek składających się z ograniczonej liczby białek strukturalnych (kodowanych przez geny wirusa ), oszczędzając w ten sposób miejsce w genomie wirusa . Symetria dwudziestościenna może być nadal zachowana dla ponad 60 podjednostek, ale tylko w czynnikach 60. Na przykład wirus krzaczastego stuntu T=3 Tomato ma 60x3 podjednostek białkowych (180 kopii tego samego białka strukturalnego). Chociaż wirusy te są często określane jako „sferyczne”, nie wykazują one prawdziwej matematycznej symetrii sferycznej.

Na początku XX wieku Ernst Haeckel opisał (Haeckel, 1904) szereg gatunków Radiolaria , których szkielety mają kształt różnych regularnych wielościanów. Przykłady obejmują Circoporus octahedrus , Circogonia icosahedra , Lithocubus geometricus i Circorrhegma dodecahedra . Kształty tych stworzeń powinny wynikać z ich nazw. Symetria czworościenna nie występuje u Callimitra agnesae .

Symetria sferyczna

Tekst alternatywny
Volvox to mikroskopijna zielona alga słodkowodnao symetrii sferycznej. Wewnątrz większych można zobaczyć młode kolonie.

Symetria sferyczna charakteryzuje się zdolnością do rysowania przez ciało nieskończonej lub wielkiej, ale skończonej liczby osi symetrii. Oznacza to, że sferyczna symetria występuje w organizmie, jeśli można go przeciąć na dwie identyczne połówki przez dowolne cięcie przebiegające przez środek organizmu. Prawdziwej symetrii sferycznej nie można znaleźć w planach budowy ciała zwierząt. Organizmy wykazujące w przybliżeniu symetrię sferyczną obejmują słodkowodną zieloną algę Volvox .

Bakterie są często określane jako mające „kulisty” kształt. Bakterie dzieli się na trzy klasy na podstawie ich kształtu: cocci (w kształcie kuli), Bacillus (w kształcie pręcika) i krętki (w kształcie spirali). W rzeczywistości jest to poważne uproszczenie, ponieważ komórki bakteryjne mogą być zakrzywione, zgięte, spłaszczone, podłużne sferoidy i wiele innych kształtów. Ze względu na ogromną liczbę bakterii uważanych za kokcy (coccus, jeśli jest to pojedyncza komórka), jest mało prawdopodobne, aby wszystkie z nich wykazywały prawdziwą symetrię sferyczną. Ważne jest, aby odróżnić uogólnione użycie słowa „sferyczny” do opisania organizmów swobodnie, od prawdziwego znaczenia symetrii sferycznej. Ta sama sytuacja występuje w opisie wirusów – wirusy „sferyczne” niekoniecznie wykazują symetrię sferyczną, będąc zwykle dwudziestościanem.

Symetria dwustronna

Organizmy o symetrii dwustronnej zawierają jedną płaszczyznę symetrii, płaszczyznę strzałkową , która dzieli organizm na dwie z grubsza lustrzane odbicie lewą i prawą połowę – przybliżona symetria odbiciowa.

Tekst alternatywny
Mała ćma cesarska, Saturnia pavonia , ma wzór dejmatyczny z dwustronną symetrią.
Tekst alternatywny
Kwiat storczyka pszczelego ( Ophrys apifera ) jest obustronnie symetryczny ( zygomorficzny ). Wargi kwiatu przypominają (obustronnie symetryczny) odwłok samicy pszczoły; Zapylanie następuje, gdy samiec pszczoły próbuje się z nią kojarzyć.

Zwierzęta o symetrii dwustronnej są klasyfikowane do dużej grupy zwanej bilateria, która obejmuje 99% wszystkich zwierząt (obejmuje ponad 32 typy i 1 milion opisanych gatunków). Wszyscy dwustronni mają pewne cechy asymetryczne; na przykład ludzkie serce i wątroba są ustawione asymetrycznie, mimo że ciało ma zewnętrzną dwustronną symetrię.

Symetria dwustronna dwustronna jest złożoną cechą, która rozwija się w wyniku ekspresji wielu genów . Bilateria mają dwie osie biegunowości . Pierwsza to oś przednio - tylna (AP), którą można zobrazować jako wyobrażoną oś biegnącą od głowy lub ust do ogona lub innego końca organizmu. Druga to oś grzbietowo - brzuszna (DV), która biegnie prostopadle do osi AP. Podczas opracowywania oś AP jest zawsze określana przed osią DV.

Oś AP jest niezbędna do określenia biegunowości bilatterii i umożliwienia rozwoju przodu i tyłu, aby nadać kierunek organizmowi. Przód styka się z otoczeniem przed resztą ciała, więc narządy zmysłów, takie jak oczy, mają tendencję do skupiania się tam. Jest to również miejsce, w którym rozwijają się usta, ponieważ jest to pierwsza część ciała, która styka się z pokarmem. Dlatego rozwija się wyraźna głowa z narządami zmysłów połączonymi z centralnym układem nerwowym. Ten wzorzec rozwoju (z wyraźną głową i ogonem) nazywa się cefalizacją . Twierdzi się również, że rozwój osi AP jest ważny w lokomocji – dwustronna symetria nadaje ciału wewnętrzny kierunek i umożliwia usprawnienie w celu zmniejszenia oporu .

Oprócz zwierząt kwiaty niektórych roślin wykazują również symetrię dwustronną. Takie rośliny są określane jako zygomorficzne i obejmują rodziny storczykowatych ( Orchidaceae ) i grochu ( Fabaceae ), a także większość rodziny trąbowców ( Scrophulariaceae ). Liście roślin również często wykazują przybliżoną dwustronną symetrię.

Symetria biradialna

Symetria biradialna występuje u organizmów, które wykazują cechy morfologiczne (wewnętrzne lub zewnętrzne) zarówno symetrii dwustronnej, jak i radialnej. W przeciwieństwie do organizmów promieniowo symetrycznych, które można podzielić równo na wielu płaszczyznach, organizmy biradialne można ciąć równo tylko na dwóch płaszczyznach. Mogłoby to stanowić pośredni etap ewolucji dwustronnej symetrii od promieniście symetrycznego przodka.

Grupa zwierząt z najbardziej oczywisty biradial symetrii jest ctenophores . W ktenoforach dwie płaszczyzny symetrii to (1) płaszczyzna macek i (2) płaszczyzna gardła. Oprócz tej grupy, dowody na biradialną symetrię znaleziono nawet u „idealnie promienistego” słodkowodnego polipa Hydra (parzyńca). Symetria dwupromieniowa, zwłaszcza biorąc pod uwagę zarówno cechy wewnętrzne, jak i zewnętrzne, jest bardziej powszechna niż pierwotnie zakładano.

Ewolucja symetrii

Jak wszystkie cechy organizmów, symetria (a właściwie asymetria) ewoluuje dzięki przewadze organizmu – procesowi doboru naturalnego . Wiąże się to ze zmianami częstotliwości genów związanych z symetrią w czasie.

Ewolucja symetrii u roślin

Wcześnie kwitnące rośliny miały promieniście symetryczne kwiaty, ale od tego czasu wiele roślin wyewoluowało obustronnie symetryczne kwiaty. Ewolucja dwustronnej symetrii wynika z wypowiedzi o CYCLOIDEA genów. Dowody na rolę rodziny genów CYCLOIDEA pochodzą z mutacji w tych genach, które powodują powrót do symetrii radialnej. W CYCLOIDEA geny kodują czynniki transkrypcyjne , białka, które kontrolują ekspresję innych genów. Dzięki temu ich ekspresja wpływa na ścieżki rozwojowe związane z symetrią. Na przykład, w Antirrhinum majus , CYCLOIDEA jest wyrażana na wczesnym etapie rozwoju w grzbietowej domenie merystemu kwiatowego i dalej jest wyrażana w grzbietowych płatkach, aby kontrolować ich wielkość i kształt. Uważa się, że ewolucja wyspecjalizowanych zapylaczy może odgrywać rolę w przejściu kwiatów promieniście symetrycznych do kwiatów symetrycznych dwustronnie.

Ewolucja symetrii u zwierząt

Symetria jest często wybierana w ewolucji zwierząt. Nie jest to zaskakujące, ponieważ asymetria często wskazuje na brak sprawności – albo defekty podczas rozwoju, albo urazy w ciągu całego życia. Jest to najbardziej widoczne podczas godów, podczas których samice niektórych gatunków wybierają samce o wysoce symetrycznych cechach. Na przykład symetria twarzy wpływa na ludzką ocenę ludzkiej atrakcyjności. Ponadto samice jaskółki stodoły , gatunek, w którym dorosłe osobniki mają długie ogony serpentyn, wolą kojarzyć się z samcami, które mają najbardziej symetryczne ogony.

Chociaż wiadomo, że symetria podlega selekcji, ewolucyjna historia różnych typów symetrii u zwierząt jest przedmiotem szerokiej debaty. Tradycyjnie sugerowano, że zwierzęta obustronne wyewoluowały z promieniowego przodka . Cnidarians , gromada zawierająca zwierzęta o symetrii promieniowej, są grupą najściślej spokrewnioną z ptakami dwubocznymi. Parzydełka są jedną z dwóch grup wczesnych zwierząt uważanych za mające określoną strukturę, drugą są cenofory . Ctenofory wykazują symetrię dwupromieniową, co prowadzi do sugestii, że stanowią one pośredni etap w ewolucji symetrii dwustronnej od symetrii promieniowej.

Interpretacje oparte wyłącznie na morfologii nie wystarczają do wyjaśnienia ewolucji symetrii. Zaproponowano dwa różne wyjaśnienia dla różnych symetrii u parzydełkowatych i dwulatków. Pierwsza sugestia jest taka, że ​​zwierzę przodek nie miało symetrii (było asymetryczne), zanim parzydełka i zwierzęta dwuboczne rozdzieliły się na różne linie ewolucyjne . Symetria promieniowa mogła wówczas wyewoluować u parzydełkowców, a symetria dwustronna u dwustronnych. Alternatywnie, druga sugestia jest taka, że ​​przodek parzydełek i parzydełek miał dwustronną symetrię, zanim parzydełka wyewoluowały i stały się inne dzięki symetrii promieniowej. Oba potencjalne wyjaśnienia są badane, a dowody nadal napędzają debatę.

Asymetria

Chociaż asymetria jest zwykle związana z niezdolnością do pracy, niektóre gatunki wyewoluowały, aby być asymetrycznym jako ważna adaptacja . Wielu członków gromady Porifera (gąbki) nie ma symetrii, chociaż niektóre są symetryczne promieniście.

Grupa/Gatunek Asymetryczna funkcja Korzyści adaptacyjne
Niektóre sowy Rozmiar i ustawienie uszu Pozwala sowie dokładniej określić położenie ofiary
Płastuga Oba oczy po tej samej stronie głowy Odpoczywaj i pływaj po jednej stronie (aby wtopić się w piaszczyste dno oceanu)
Zjadająca łuskę pielęgnica Perissodus microlepis Asymetria ust i żuchwy Skuteczniejszy w usuwaniu łusek z ofiary
Ludzie Ręczność i wewnętrzna asymetria narządów np. lewe płuco jest mniejsze niż prawe Ręczność to adaptacja odzwierciedlająca asymetrię ludzkiego mózgu. Asymetria wewnętrzna przyczynia się do pozycjonowania i generowania układu funkcjonalnego.

Łamanie symetrii

Obecność tych asymetrycznych cech wymaga procesu łamania symetrii podczas rozwoju, zarówno u roślin, jak i zwierząt. Łamanie symetrii zachodzi na kilku różnych poziomach w celu wygenerowania obserwowanej przez nas asymetrii anatomicznej. Poziomy te obejmują asymetryczną ekspresję genów, ekspresję białek i aktywność komórek.

Na przykład asymetria lewo-prawo u ssaków była szeroko badana w embrionach myszy. Takie badania doprowadziły do ​​poparcia hipotezy przepływu węzłowego. W obszarze zarodka zwanym węzłem znajdują się małe struktury przypominające włosy ( monocilia ), które obracają się razem w określonym kierunku. Powoduje to jednokierunkowy przepływ cząsteczek sygnalizacyjnych, powodując akumulację tych sygnałów po jednej stronie zarodka, a nie po drugiej. Powoduje to aktywację różnych ścieżek rozwojowych po każdej stronie, a następnie asymetrię.

Schematyczny schemat ścieżek sygnałowych po lewej i prawej stronie zarodka kurzego, prowadzących ostatecznie do rozwoju asymetrii

Wiele badań genetycznych podstaw łamania symetrii przeprowadzono na embrionach kurzych. W kurzych zarodkach lewy wyraża niepożądane geny zwane NODAL i LEFTY2 które aktywują PITX2 sygnalizować rozwój struktur lewych bocznych. Natomiast prawa strona nie wyraża PITX2 iw konsekwencji rozwija struktury prawej strony. Pełniejsza ścieżka jest pokazana na obrazku z boku strony.

Więcej informacji na temat łamania symetrii u zwierząt można znaleźć na stronie asymetrii od lewej do prawej .

Rośliny wykazują również asymetrię. Na przykład kierunek spiralnego wzrostu Arabidopsis , najczęściej badanej rośliny modelowej, jest leworęczny. Co ciekawe, geny zaangażowane w tę asymetrię są podobne (ściśle spokrewnione) do tych występujących w asymetrii zwierząt – zarówno LEFTY1, jak i LEFTY2 odgrywają rolę. Podobnie jak u zwierząt, łamanie symetrii w roślinach może zachodzić na poziomie molekularnym (geny/białka), subkomórkowym, komórkowym, tkankowym i narządowym.

Zobacz też

Struktury biologiczne

Warunki orientacji

Bibliografia

Cytaty

Źródła