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27.1: 动物王国的特征

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    培养技能

    • 列出将 Animalia 王国与其他王国区分开来的特征
    • 解释动物繁殖和胚胎发育的过程
    • 描述 Hox 基因在发育中的作用

    尽管动物界的成员非常多样化，但大多数动物都具有某些特征，使它们与其他王国的生物区分开来。 所有动物都是真核生物、多细胞生物，几乎所有动物都具有复杂的组织结构，具有分化和特殊的组织。 大多数动物都是活动的，至少在生命的某些阶段是如此。 所有动物都需要食物来源，因此是异养的，会摄入其他活体或死亡生物；这一特征使它们与自养生物（例如大多数植物）区分开来，后者通过光合作用合成自己的营养。 作为异养动物，动物可能是食肉动物、食草动物、杂食动物或寄生虫（图\(\PageIndex{1}\)）。 大多数动物通过性繁殖，后代会经历一系列发育阶段，从而制定坚定而固定的身体计划。 身体计划是指动物的形态，由发育线索决定。

    a 部分显示了一只嘴里有一条大鱼的熊。 b 部分显示了罐子里的一颗心。 长而线状的蠕虫从心脏延伸。
    图\(\PageIndex{1}\)：所有动物都是从食物中获取能量的异养动物。 (a) 黑熊是一种杂食动物，既吃植物又吃动物。 (b) 心丝虫 Dirofilaria immitis 是一种寄生虫，从宿主那里获取能量。 如图所示，它在蚊子中度过幼虫阶段，成虫阶段侵扰狗和其他哺乳动物的心脏。 （来源 a：美国农业部森林服务局对作品的修改；来源 b：克莱德·罗宾逊对作品的修改）

    复杂的组织结构

    作为多细胞生物，动物不同于植物和真菌，因为它们的细胞没有细胞壁，它们的细胞可能嵌入细胞外基质（例如骨骼、皮肤或结缔组织）中，并且它们的细胞具有独特的细胞间通信结构（例如间隙连接）。 此外，动物拥有独特的组织，在真菌和植物中不存在，这允许运动（肌肉组织）的协调（神经组织）。 动物的特征还包括专门的结缔组织，为细胞和器官提供结构支持。 这种结缔组织构成细胞的细胞外环境，由有机和无机材料组成。 在脊椎动物中，骨组织是一种支撑整个身体结构的结缔组织。 脊椎动物的复杂身体和活动需要这样的支撑组织。 上皮组织覆盖、排列、保护和分泌。 上皮组织包括外皮表皮、消化道内膜和气管，构成晚期动物的肝管和腺体。

    动物界分为 Parazoa（海绵）和 Eumetazoa（所有其他动物）。 作为非常简单的动物，Parazoa组（“动物旁边”）中的生物不包含真正的特殊组织；尽管它们确实拥有执行不同功能的特殊细胞，但这些细胞没有组织成组织。 这些生物被认为是动物，因为它们缺乏自己制造食物的能力。 具有真正组织的动物属于 Eumetazoa 组（“真正的动物”）。 当我们想到动物时，我们通常会想到Eumetazoans，因为大多数动物都属于这一类。

    真实动物体内不同类型的组织负责为生物体发挥特定的功能。 组织的这种分化和专业化是实现如此令人难以置信的动物多样性的部分原因。 例如，神经组织和肌肉组织的进化使动物具有快速感知和应对环境变化的独特能力。 这使动物能够在必须与其他物种竞争以满足其营养需求的环境中生存。

    链接到学习

    观看生物学家 E.O. Wilson 关于多样性重要性的演讲。

    动物繁殖与发育

    大多数动物是二倍体生物，这意味着它们的身体（体体）细胞是二倍体，而单倍体繁殖（配子）细胞是通过减数分裂产生的。 有一些例外：例如，在蜜蜂、黄蜂和蚂蚁中，雄性是单倍体，因为它是由未受精的卵发育而成的。 大多数动物都经过有性繁殖：这一事实将动物与真菌、原生生物和细菌区分开来，在真菌、原生动物和细菌中，无性繁殖是常见的或排他性的。 但是，一些群体，例如刺胞动物、扁虫和蚯蚓，会经历无性繁殖，尽管几乎所有这些动物的生命周期也处于性阶段。

    动物繁殖和胚胎发育过程

    在有性生殖过程中，一个物种的雄性和雌性个体的单倍体配子在一个称为受精的过程中结合在一起。 通常，小而机动的雄性精子会使大得多的无柄雌卵受精。 这个过程会产生一个叫做合子的二倍体受精卵。

    一些动物物种，包括海星和海葵，以及一些昆虫、爬行动物和鱼类，具有无性繁殖能力。 固定水生动物最常见的无性繁殖形式包括萌芽和碎裂，其中一部分亲本可以分离并成长为新的个体。 相比之下，在某些昆虫和脊椎动物中发现的一种无性繁殖形式被称为单性生殖（或 “处女初生”），其中未受精的卵可以发育成新的雄性后代。 这种类型的单性生殖被称为单倍体。 这些类型的无性繁殖会产生遗传上相同的后代，从进化适应性的角度来看，这是不利的，因为有害突变可能会积累。 但是，对于吸引伴侣能力有限的动物来说，无性繁殖可以确保遗传繁殖。

    受精后，会发生一系列发育阶段，在此期间，初级生殖层建立并重组以形成胚胎。 在此过程中，动物组织开始分化并组织成器官和器官系统，从而决定其未来的形态和生理学。 有些动物，例如蚱蜢，会经历不完全的变态，其中幼虫与成年动物相似。 其他动物，例如某些昆虫，会经历完全的变态，个体进入一个或多个幼虫阶段，这些阶段的结构和功能可能与成虫不同（图

    观看以下视频，了解人类胚胎发育（在 blastula 和 gastrula 发育阶段之后）如何反映进化。

    Homeobox（Hox）基因在动物发育中的作用

    自19 世纪初以来，科学家们观察到许多动物，从非常简单到复杂，都具有相似的胚胎形态和发育。 令人惊讶的是，处于胚胎发育的某个阶段的人类胚胎和青蛙胚胎看起来非常相似。 很长一段时间以来，科学家们都不明白为什么这么多动物物种在胚胎发育过程中看起来相似，但与成年动物却大不相同。 他们想知道是什么决定了苍蝇、老鼠、青蛙或人类胚胎的发育方向。 接近20 世纪末，人们发现了一类具有这种作用的特定基因。 这些决定动物结构的基因被称为 “同源基因”，它们包含称为同源盒的DNA序列。 含有 homeobox 序列的动物基因被特别称为 Hox 基因。 这个基因家族负责确定总体身体规划，例如动物身体部分的数量、附属物的数量和位置以及动物头尾的方向性。 首先要测序的 Hox 基因是来自果蝇的基因（果蝇 melanogaster）。 果蝇中的一个 Hox 突变会导致额外的一对翅膀甚至附属物从 “错误” 的身体部位长出来。

    尽管有许多基因在动物的形态发育中起着作用，但 Hox 基因之所以如此强大，是因为它们充当了主对照基因，可以开启或关闭大量其他基因。 Hox 基因通过编码控制许多其他基因表达的转录因子来做到这一点。 Hox 基因在动物界是同源的，也就是说，Hox 基因的遗传序列及其在染色体上的位置在大多数动物中都非常相似，因为它们存在于共同的祖先中，从蠕虫到苍蝇、老鼠和人类（图\(\PageIndex{4}\)）。 导致动物体内复杂性增加的原因之一是，Hox 基因在动物进化过程中至少经历了两次重复事件，而额外的基因允许更复杂的体型进化。

    艺术连接

     

    这幅插图显示了在脊椎动物中发现的四组 Hox 基因：Hox-A、Hox-B、Hox-C 和 Hox-D。 有 13 个 Hox 基因，但并非所有基因都存在于每个群集中。 在小鼠和人类中，基因 1-4 调节头部的发育。 基因 5 和 6 调节颈部的发育。 基因 7 和 8 调节躯干的发育，基因 9—13 调节手臂和腿部的发育。
    图\(\PageIndex{4}\)：Hox 基因是高度保守的基因，编码决定动物胚胎发育过程的转录因子。 在脊椎动物中，基因被复制成四个集群：Hox-A、Hox -B、Hox-C 和 Hox-D。 这些簇中的基因在发育的某些阶段在某些身体段中表达。 这里显示的是小鼠和人类体内 Hox 基因之间的同源性。 请注意，Hox 基因表达（如橙色、粉色、蓝色和绿色阴影所示）是如何在小鼠和人类的相同身体段中发生的。

    如果小鼠体内的 Hox 13 基因被 Hox 1 基因所取代，这会如何改变动物的发育？

    摘要

    动物构成了一个极其多样化的生物王国。 尽管动物的复杂性从简单的海绵到人类不等，但动物界的大多数成员都具有某些共同的特征。 动物是真核、多细胞、异养生物，它们会摄取食物，通常会发展成具有固定身体计划的活动生物。 动物界独有的一个主要特征是存在分化组织，例如神经、肌肉和结缔组织，这些组织专门用于执行特定功能。 大多数动物都经过有性繁殖，导致一系列发育胚胎阶段，这些阶段在整个动物界相对相似。 一类称为 Hox 基因的转录对照基因指导着主要动物体计划的组织，而这些基因在整个动物界具有很强的同源性。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{4}\)：如果小鼠体内的 Hox 13 基因被 Hox 1 基因所取代，这会如何改变动物的发育？

    回答

    动物可能会长出两个头而没有尾巴。

    词汇表

    blastula
    动物胚胎发育的 16—32 细胞阶段
    身体计划
    生物体的形态或恒定形状
    分裂
    受精卵（合子）的细胞分裂形成多细胞胚胎
    胃肠
    动物发育阶段，其特征是消化腔的形成
    细菌层
    在胚胎发育过程中形成的细胞集合，这些细胞将产生未来的身体组织，在脊椎动物胚胎发育中更为明显
    Hox 基因
    （也是 homeobox 基因）主对照基因，可以在胚胎发育过程中打开或关闭大量其他基因
    器官生成
    动物胚胎发育中器官的形成