ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДЫ, РАСТЕНИЯ, ЖИВОТНЫЕ. - БИОЛОГИЯ - 2025

Половое размножение является размножение особей из двух родителей разных полов: мужского и женского пола - за исключением того, когда речь идет о половом размножении бактерий или простейшими, где не имеет никакого различия пола. Это широко распространенный процесс у эукариотических организмов.

Каждый человек, участвующий в половом размножении, производит особые клетки зародышевой линии: сперматозоиды и яйцеклетки. Это вызвано типом специализированного деления клеток, называемым мейозом. Это событие является решающим различием между бесполым и половым размножением.

Источник: Маноджиритти, Wikimedia Commons.

Процесс начинается с объединения двух гамет, в результате чего образуется зигота. Позже из зиготы рождается новая особь с характеристиками обоих родителей и некоторыми уникальными характеристиками.

Из-за повсеместности этого процесса мы делаем вывод, что половое размножение имеет ряд преимуществ по сравнению с бесполым размножением. Однако возможные недостатки полового размножения более заметны: время и энергия, вложенные в поиск партнеров, конкуренция за самок, затраты на производство неоплодотворенных гамет, среди прочего.

Затраты кажутся очень высокими, поэтому они должны иметь существенные преимущества, чтобы компенсировать их. Преимущества полового размножения были предметом споров и дискуссий среди биологов-эволюционистов.

Одна из гипотез предполагает, что половое размножение полезно, поскольку оно дает разновидности, которые во времена изменений окружающей среды могут быть полезны для вида. Фактически, создание генетической изменчивости - одно из преимуществ пола.

С другой стороны, некоторые исследователи предполагают, что половое размножение, в частности рекомбинация, было выбрано в качестве механизма восстановления ДНК. Однако распространенность секса, несмотря на его стоимость, до сих пор неизвестна.

Общие характеристики

Пол - сложное явление, которое широко варьируется среди таксонов эукариот. В общем, мы можем понять это как процесс, который включает три этапа: слияние двух гаплоидных ядер, феномен рекомбинации, который дает новые генотипы, и деление диплоидных клеток с образованием гаплоидных ядер.

С этой точки зрения пол у эукариот зависит от жизненного цикла, в котором диплоидные клетки должны делиться посредством мейоза. Этот процесс мейотического деления отвечает за распространение генетического материала будущих гамет.

Мейоз направлен на разделение гомологичных хромосом таким образом, чтобы каждая гамета имела половину соматических хромосом. В дополнение к снижению генетической нагрузки в мейозе также происходит обмен материалом между несестринскими хроматидами, производя совершенно новые комбинации.

Половые клетки

Гаметы - это половые клетки организмов, которые генерируются мейозом и содержат половину генетической нагрузки, то есть они гаплоидны.

Гаметы различаются как у растений, так и у животных и делятся на три основные категории в зависимости от их размера и относительной подвижности: изогамия, анизогамия и оогамия.

Изогамия - это форма полового размножения, при которой гаметы, которые сливаются, давая начало новому человеку, идентичны по размеру, подвижности и структуре. Изогамия представлена ​​в основном растениями.

Напротив, анизогамия состоит из союза двух гамет, различающихся по размеру и структуре. Одним из конкретных типов анизогамии является оогамия, при которой мужские гаметы относительно малы по размеру и многочисленны. Женские особи гораздо заметнее и производятся в меньшем количестве.

Половое размножение у животных

В животном мире половое размножение - широко распространенное явление среди членов группы.

Почти все беспозвоночные и позвоночные обладают полами в отдельных организмах, то есть мы можем различать самцов и самок в виде. Это состояние называется раздельнополым, от греческого корня «два дома».

Напротив, есть некоторые менее многочисленные виды, полы которых присутствуют у одного и того же человека, называемого однодомным: «дом». Эти животные также известны как гермафродиты.

Различие между полами определяется не морфологическими характеристиками размера или окраски, а типом гамет, производимых каждым полом.

Самки производят семяпочки, отличающиеся большим размером и неподвижностью. С другой стороны, сперматозоиды производятся самцами в большем количестве, они намного меньше по размеру и имеют специальные структуры для перемещения и оплодотворения яйцеклетки.

Далее мы опишем типичные половые органы животных, а затем подробно рассмотрим процесс воспроизводства в каждой группе животных.

Структуры, связанные с воспроизводством

Специализированные клетки для полового размножения - яйцеклетки и сперма - производятся в определенных тканях, называемых гонадами.

У мужчин семенники отвечают за производство спермы, а женские гаметы образуются в яичниках.

Гонады считаются основными половыми органами. Дополнительные половые органы присутствуют в важной группе многоклеточных животных, которые отвечают за получение и передачу яйцеклеток и спермы. У женщин мы находим влагалище, маточные трубы или маточные трубы и матку, а у мужчин - пенис.

Пористый

Пориферы широко известны как губки и могут воспроизводиться половым и бесполым путем. У большинства видов производство мужских и женских гамет происходит у одной особи.

Хоаноциты - это особый тип клеток этой линии, которые могут превращаться в сперматозоиды. В других группах гаметы могут происходить из археоцитов.

Многие виды живородящие, что указывает на то, что после феномена оплодотворения зигота удерживается родительским организмом до тех пор, пока не произойдет выход личинки. У этих видов сперматозоид попадает в воду и поглощается другой губкой.

Книдарианцы

Книдарии - это морские организмы, в том числе медузы и тому подобное. Эти животные имеют две морфологии: первая - полип и характеризуется сидячим образом жизни, а вторая - медуза, способная двигаться и плавать.

Полипы обычно размножаются бесполым путем за счет процессов почкования или деления. Медуза раздельнополая и размножается половым путем. Жизненный цикл в этой группе сильно варьируется.

Экломорфы и плоские черви

Плоские черви, такие как планарии, известны прежде всего своей способностью регенерировать и производить несколько клонов бесполым путем от одного человека.

Большинство этих червеобразных животных однодомны. Однако они ищут партнера для перекрестного оплодотворения.

Репродуктивная система самца включает несколько семенников и сосочковидную структуру, похожую на пенисы сложных позвоночных.

Моллюски и кольчатые червя

Большинство моллюсков раздельнополы, и их размножение дает начало свободно плавающей личинке, называемой трокоферой (очень похожей на личинок кольчатых червей), и варьируется в зависимости от вида моллюсков.

Точно так же у кольчатых червей есть отдельные полы, а у некоторых из них временно появляются гонады.

артроподы

Членистоногие - чрезвычайно разнообразная группа животных, для которых характерен экзоскелет, состоящий из хитина и сочлененных придатков. Эта линия включает в себя многоножек, хелицератов, ракообразных и гексапод.

Полы обычно разделены, органы, специализирующиеся на воспроизводстве, появляются парами. У большинства видов есть внутреннее оплодотворение. Они могут быть яйцекладущими, яйцекладущими или живородящими.

Иглокожие

Иглокожие включают морских звезд, морских огурцов, морских ежей и тому подобное. Хотя есть некоторые виды гермафродитов, для большинства характерны отдельные полы. Гонады представляют собой крупные структуры, протоки простые, а сложные копулятивные органы отсутствуют.

Оплодотворение происходит извне, и развивается двусторонняя личинка, которая может свободно перемещаться в водоеме. Некоторые виды имеют прямое развитие.

Хордовые

Большинство полов раздельны. В этой группе мы находим более сложные органы для воспроизводства. У каждого пола есть гонады с протоками, которые направляют их продукты в клоаку или в какое-то специальное отверстие, расположенное рядом с анальным отверстием. В зависимости от группы оплодотворение может быть внешним или внутренним.

Партеногенез у животных

Партеногенез - это явление, широко представленное в животном мире, в основном у беспозвоночных и некоторых позвоночных, которое позволяет создать новую особь только с одним родителем. Хотя это форма бесполого размножения, определенные типы партеногенеза считаются типами полового размножения.

В мейотическом партеногенезе яйцеклетка образуется в результате мейоза и может оплодотворяться, а может и не оплодотворяться спермой самца.

В некоторых случаях яйца должны активироваться мужской половой гаметой. В этом случае не происходит слияния обоих ядер, так как генетический материал из сперматозоидов отбрасывается.

Однако у некоторых видов яйцеклетка может развиваться спонтанно без необходимости в процессе активации.

Половое размножение у растений

Как и в случае с животными, растения могут воспроизводиться половым путем. Он состоит из объединения двух гаплоидных гамет, которые дают начало новому человеку с уникальными генетическими характеристиками.

У растения могут быть мужские и женские органы как у одной особи, так и они могут быть разделены. У огурца и молочного полы разделены, а у роз и петуний - вместе.

Цветок

Органом, отвечающим за процессы полового размножения, являются цветы. У этих специализированных структур есть области, которые не участвуют напрямую в воспроизводстве: чашечка и венчик, и сексуально активные структуры: андроций и гинецей.

Андроций - мужской репродуктивный орган, состоящий из тычинок, которые, в свою очередь, разделены на нить и пыльник. Этот последний регион отвечает за производство пыльцевых зерен.

Гинецей - женский цветочный орган, состоящий из частей, называемых плодолистиками. Структура похожа на удлиненную «каплю» и делится на рыльце, стиль и, наконец, яичник.

Опыление

Процесс полового размножения у растений происходит в основном за счет опыления, которое заключается в переносе пыльцевых зерен от пыльника к рыльцу.

Опыление может происходить в одном и том же цветке (пыльцевые зерна попадают в женский орган одного и того же растения) или может быть перекрестным, когда пыльцевые зерна оплодотворяют другой особь.

У большинства растений для опыления необходимо вмешательство животного. Это могут быть беспозвоночные, такие как пчелы, или другие насекомые, или позвоночные, например птицы и летучие мыши. В качестве награды растение предлагает опылителю нектар, и они отвечают за распространение пыльцы.

Цветочные структуры, которые непосредственно не участвуют в размножении, - это венчик и чашечка. Это видоизмененные листья, во многих случаях ярких и ярких цветов, которые отвечают за визуальное или химическое привлечение потенциального опылителя.

Точно так же некоторые растения не нуждаются в животных-опылителях и используют ветер или воду для рассеивания пыльцы.

Удобрение, семена и фрукты

Процесс начинается с попадания пыльцевых зерен на рыльце цветка. Они путешествуют по стилю, пока не найдут яичник.

Двойное оплодотворение типично для цветковых растений и уникально среди всех организмов. Явление происходит следующим образом: ядро ​​сперматозоида соединяется с яйцеклеткой, а другое ядро ​​сперматозоида соединяется с диплоидным зародышем спорофита.

Результатом этого необычного оплодотворения является триоплоидный эндосперм, который будет действовать как питательная ткань для развития организма. Как только происходит успешное созревание семяпочек, они превращаются в семена. С другой стороны, плод состоит из зрелых завязей.

Плод можно отнести к категории простых, если он получен из зрелой завязи и добавлен, если он развивается из нескольких завязей, например, клубники.

Половое размножение у бактерий

Бактерии известны прежде всего своей способностью к бесполому размножению.

В этой прокариотической линии особь способна делиться на две части с помощью процесса, называемого двойным делением. Однако в бактериях существует ряд механизмов, напоминающих половое размножение, поскольку происходит обмен генетическим материалом.

До середины 1940-х считалось, что бактерии размножаются исключительно бесполым путем. Однако исследователи Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум опровергли это убеждение, проведя гениальный эксперимент с использованием в качестве модели бактерий E. coli с различными диетическими требованиями.

Эксперимент состоял из штамма A, растущего в минимальной среде с метионином и биотином, и штамма B, который рос только в среде с треонином, лейцином и тиамином. Другими словами, каждый штамм нес мутацию, которая не позволяла ему синтезировать эти соединения, поэтому их нужно было синтезировать в культуральной среде.

Когда колонии находились в контакте в течение нескольких часов, особи приобрели способность синтезировать питательные вещества, которые раньше не могли. Таким образом, Ледерберг и Татум продемонстрировали, что существует процесс обмена ДНК, похожий на половое размножение, и назвали его конъюгацией.

Конъюгация

Процесс конъюгации происходит через мостиковую структуру, называемую половыми пилями, которая физически связывает две бактерии вместе и позволяет им обмениваться ДНК.

Поскольку бактерии не имеют полового диморфизма, мы не можем говорить о мужчинах и женщинах. Однако только один тип может производить пили, и у них есть особые фрагменты ДНК, называемые фактором F, для «фертильности». Фактор F обладает генами производства пилей.

ДНК, участвующая в обмене, не является частью одной бактериальной хромосомы. Вместо этого это изолированная кольцевая часть, называемая плазмидой, которая имеет свою собственную систему репликации.

преобразование

Помимо конъюгации, существуют и другие процессы, при которых бактерии могут получать дополнительную ДНК и характеризуются тем, что они проще, чем конъюгация. Один из них - трансформация, заключающаяся в извлечении голой ДНК из внешней среды. Этот экзогенный фрагмент ДНК может быть интегрирован в бактериальную хромосому.

Механизм трансформации входит в понятие полового размножения. Хотя бактерии взяли свободную ДНК, этот генетический материал должен был происходить от другого организма - например, от бактерии, которая умерла и выпустила свою ДНК в окружающую среду.

Трансдукция

Третий и последний известный механизм получения бактериями чужеродной ДНК - это трансдукция. Это подразумевает участие вируса, поражающего бактерии: бактериофагов.

При трансдукции вирус забирает часть бактериальной ДНК, и когда он заражает бактерию, разница может передать ей этот фрагмент. Некоторые авторы используют термин «парасексуальные события» для обозначения этих трех механизмов.

Эволюционная перспектива

Примечательный факт - повсеместное половое размножение организмов. Таким образом, один из самых больших вопросов эволюционной биологии заключается в том, почему секс распространяется по такому множеству родословных, если это энергетически затратное занятие, а в некоторых случаях даже опасное.

Предполагается, что селективные силы, которые привели к половому размножению у эукариот, являются теми же самыми, что поддерживают парасексуальные процессы, описанные для бактерий.

Стоимость секса

В свете эволюции термин «успех» относится к способности человека передавать свои гены следующему поколению. Парадоксально, но секс - это процесс, который не полностью соответствует этому определению, поскольку с воспроизводством связан ряд затрат.

Половое размножение предполагает поиск партнера, и в большинстве случаев эта задача нетривиальна. Огромное количество времени и энергии необходимо вложить в это усилие, которое определит успех потомства - с точки зрения поиска «идеального партнера».

Животные демонстрируют серию ритуалов, чтобы ухаживать за своими потенциальными партнерами, и в некоторых случаях им приходится бороться, выставляя напоказ свою жизнь, чтобы добиться совокупления.

Даже на клеточном уровне секс обходится дорого, поскольку деление посредством мейоза занимает гораздо больше времени, чем митоз. Так почему же большинство эукариот размножаются половым путем?

Есть две фундаментальные теории. Одна связана со слиянием клеток как механизмом горизонтальной передачи «эгоистичного» генетического элемента, а вторая теория предлагает рекомбинацию как механизм репарации ДНК. Ниже мы опишем плюсы и минусы каждой теории:

Преимущества секса

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сосредоточиться на возможных преимуществах полового размножения у первых эукариот.

Слияние гамет с образованием зиготы приводит к комбинации двух разных геномов, которые способны компенсировать возможные дефектные гены в одном геноме нормальной копией другого.

Например, у людей мы наследуем по одной копии от каждого родителя. Если мы наследуем дефектный ген от нашей матери, нормальный ген от нашего отца может компенсировать это (в таком случае, когда патология или заболевание проявляется только как гомозиготный рецессивный).

Вторая теория - не такая интуитивная, как первая - предполагает, что мейоз действует как механизм восстановления в ДНК. Повреждение генетического материала - проблема, с которой должны столкнуться все организмы. Однако есть организмы, которые размножаются только бесполым путем, и их ДНК особо не повреждена.

Другая гипотеза гласит, что пол мог развиться как паразитическая адаптация между эгоистичными генетическими элементами с целью распространения среди других генетических линий. Аналогичный механизм был обнаружен на E. coli.

Хотя есть возможные объяснения, эволюция пола является предметом жарких споров среди биологов-эволюционистов.

Половой отбор

Половой отбор - это концепция, введенная Чарльзом Дарвином, которая применима только к популяциям, воспроизводящим половым путем. Он используется для объяснения наличия моделей поведения, структур и других атрибутов, существование которых невозможно представить с помощью естественного отбора.

Например, очень красочное и несколько «преувеличенное» оперение павлинов не приносит прямой пользы особи, поскольку делает его более заметным для потенциальных хищников. Кроме того, он присутствует только у мужчин.

Ссылки

1. Колгрейв, Н. (2012). Эволюционный успех секса: серия "Наука и общество" о сексе и науке. EMBO Reports, 13 (9), 774-778.
2. Ворона, Дж. Ф. (1994). Преимущества полового размножения. Генетика развития, 15 (3), 205-213.
3. Фриман, С., и Херрон, Дж. К. (2002). Эволюционный анализ. Прентис Холл.
4. Гуденаф, У., и Хейтман, Дж. (2014). Истоки полового размножения эукариот. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 6 (3), a016154.
5. Хикман, С.П., Робертс, Л.С., Ларсон, А., Обер, В.К., и Гаррисон, К. (2001). Интегральные принципы зоологии. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.
6. Леонард, Дж., И Кордова-Агилар, А. (ред.). (2010). Эволюция первичных половых признаков у животных. Издательство Оксфордского университета.
7. Савада, Х., Иноуэ, Н., и Ивано, М. (2014). Половое размножение у животных и растений. Springer-Verlag GmbH.