СТАТЕВЕ РОЗМНОЖЕННЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДИ, РОСЛИНИ, ТВАРИНИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Статеве розмноження є розмноження особин з двох батьків різної статі: чоловічої і жіночої статі - за винятком того, коли мова йде про статеве розмноження бактерій або найпростішими, де не має жодної різниці статі. Це широко поширений процес в еукаріотичних організмах.

Кожна особина, яка бере участь у статевому розмноженні, виробляє тип спеціалізованих клітин зародкових ліній: сперму та яйцеклітини. Вони викликані типом спеціалізованого поділу клітин, який називається мейозом. Ця подія є вирішальною різницею між безстатевим та статевим відтворенням.

Джерело: Автор Manojiritty, з Wikimedia Commons

Процес починається з об'єднання двох гамет, які породжують зиготу. Пізніше зигота породжує нового індивіда з характеристиками обох батьків та з певними унікальними характеристиками.

Через всюдисущість цього процесу ми робимо висновок, що сексуальне відтворення передбачає низку переваг перед безстатевим відтворенням. Однак можливі недоліки статевого розмноження помітніші: час та енергія, вкладені в пошуки товаришів, змагання за самки, вартість виробництва гамет, які не запліднюються, серед інших.

Витрати, як видається, дуже високі, тому вони повинні мати суттєві переваги, щоб допомогти їх компенсувати. Переваги сексуального відтворення стали предметом суперечок та дискусій серед еволюційних біологів.

Одна з гіпотез говорить про те, що сексуальне розмноження сприятливе, оскільки воно дає різновиди, які під час змін навколишнього середовища можуть бути корисними для виду. Насправді, виробництво генетичної мінливості є однією з переваг, що приписуються сексу.

З іншого боку, деякі дослідники припускають, що сексуальне розмноження, зокрема рекомбінація, було обрано як механізм відновлення ДНК. Однак поширеність сексу, незважаючи на його витрати, досі невідома.

Загальна характеристика

Секс - це складне явище, яке широко варіюється серед еукаріотичних таксонів. Загалом, ми можемо розуміти це як процес, що включає три етапи: злиття двох гаплоїдних ядер, явище рекомбінації, що виробляє нові генотипи, і поділ диплоїдних клітин для утворення гаплоїдних ядер.

З цієї точки зору, секс у еукаріотів залежить від життєвого циклу, в якому диплоїдні клітини повинні ділитися за мейозом. Цей процес мейотичного поділу відповідає за поширення генетичного матеріалу майбутніх гамет.

Мейоз має на меті розділити гомологічні хромосоми таким чином, щоб кожна гамета мала половину соматичних хромосом. Окрім зменшення генетичного навантаження, в мейозі відбувається також обмін матеріалу між хроматидами, які не є сестрами, що дає абсолютно нові комбінації.

Гамети

Гамети - це статеві клітини організмів, які породжуються мейозом і містять половину генетичного навантаження, тобто є гаплоїдними.

Гамети різняться як у рослин, так і у тварин і класифікуються на три основні категорії залежно від їх розміру та відносної рухливості: ізогамія, анігомія та оогамія.

Ізогамія - це форма сексуального розмноження, де гамети, які зливаються, щоб породити нового індивіда, однакові за розміром, рухливістю та структурою. Ізогамія представлена ​​переважно в рослинах.

Навпаки, анізогамія складається з об’єднання двох гамет, що відрізняються між собою за розміром і структурою. Одним із конкретних типів анізогамії є огомія, де чоловічі гамети мають відносно невеликі розміри та численні за чисельністю. Самки набагато помітніші і виробляються в меншій кількості.

Статеве розмноження у тварин

У тваринному світі статеве розмноження є широко поширеним явищем серед членів групи.

Практично всі безхребетні та хребетні мають статі в окремих організмах - тобто ми можемо розрізнити особину чоловічої та жіночої статі за видом. Цей стан називають дводомним, термін, похідний від грецьких коренів "два будинки"

На відміну від цього, існують певні менш численні види, стать яких є одним і тим же особиною, що називається однодомним: «будинок». Ці тварини також відомі як гермафродити.

Розмежування статей не дається морфологічними характеристиками розміру чи забарвлення, а типом гамет, які виробляє кожна стать.

Самки виробляють яйцеклітини, що характеризуються великими розмірами та нерухомістю. Сперматозоїди, з іншого боку, виробляються самцями в більшій кількості, вони набагато менші і мають спеціальні структури для переміщення та запліднення яйцеклітини.

Далі ми опишемо типові статеві органи тварин, а потім деталізуємо процес розмноження у кожній групі тварин.

Структури, пов'язані з розмноженням

Спеціалізовані клітини для статевого розмноження - яйцеклітини та сперматозоїди - виробляються в специфічних тканинах, званих статевими залозами.

У самців яєчка відповідають за вироблення сперми, тоді як жіночі гамети утворюються в яєчниках.

Статеві органи вважаються первинними статевими органами. Допоміжні статеві органи присутні у важливій групі метазой, які відповідають за отримання та передачу яєць та сперми. У самок ми виявляємо піхву, маткові труби або маткові труби та матку, тоді як у самців є пеніс.

Поровий

Паріфери зазвичай відомі як губки і можуть розмножуватися як статевим, так і безстатевим. У більшості видів вироблення чоловічих і жіночих гамет відбувається в однієї особини.

Хоаноцити - це особливий тип клітин цієї лінії, який може трансформуватися у сперматозоїди. В інших групах гамети можуть бути отримані з археоцитів.

Багато видів є живородними, що вказує на те, що після явища запліднення зигота утримується батьківським організмом до моменту виходу личинки. У цих видів сперма виділяється у воду і приймається іншою губкою.

Книдари

Книдари - це морські організми, до яких належать медузи тощо. Ці тварини мають дві морфології: перша - це поліп і характеризується сидячим способом життя, а друга - медуза, яка здатна рухатися і плавати.

Поліпи зазвичай розмножуються безстатевим шляхом шляхом брунькування або процесів поділу. Медуза дводомна і розмножується статевим шляхом. Життєвий цикл у цій групі дуже мінливий.

Ацеломорфи та плоскі черви

Плоскі черви, такі як планарії, відомі насамперед своєю здатністю до регенерації та продукуванню безлічі клонів безстатево від однієї особини.

Більшість цих вермоформних тварин однодомні. Однак вони шукають партнера для перехресного запліднення.

Чоловіча репродуктивна система включає кілька яєчок і сосочкову структуру, схожу на пеніси складних хребетних.

Молюски і кольцовики

Більшість молюсків дводомні, і їх розмноження породжує вільно плаваючу личинку під назвою trocófera (дуже схожа на личинки, наявні в кольцевидах) і змінюється залежно від виду молюсків.

Аналогічно, у вушних раковин є окремі статі, а в деяких вони мають статеві залози, які з’являються тимчасово.

Членистоногі

Членистоногі - надзвичайно різноманітна група тварин, що характеризується екзоскелетом, що складається з хітину та з'єднаних придатків. До цієї лінії належать міріаподи, хелікерати, ракоподібні та гексаподи.

Статі, як правило, розділені, органи, що спеціалізуються на розмноженні, з'являються парами. Більшість видів мають внутрішнє запліднення. Вони можуть бути яйцеподібними, ововивірусними або живородними.

Ехінодерми

До ехінодерм належать морські зірки, морські огірки, морські їжаки тощо. Хоча є деякі гермафродитні види, для більшості характерні окремі статі. Статеві залози - це великі будови, протоки прості, в них немає чітких копуляційних органів.

Запліднення відбувається зовні і розвивається двостороння личинка, яка може вільно пересуватися по воді. Деякі види мають прямий розвиток.

Хордати

Більшість статей є окремими. У цій групі ми знаходимо складніші органи для розмноження. У кожної статі є статеві залози з протоками, які направляють продукти до клоаки або до якогось спеціального отвору, розташованого біля заднього проходу. Залежно від групи запліднення може бути зовнішнім або внутрішнім.

Партеногенез у тварин

Партеногенез - явище, широко представлене в царстві тварин, головним чином у безхребетних та деяких хребетних, що дозволяє генерувати нову особину лише з одним батьком. Хоча це форма безстатевого розмноження, деякі види партеногенезу вважаються видами статевого розмноження.

При мейотичному партеногенезі яйцеклітина утворюється за рахунок мейозу і може запліднюватися сперматозоїдом у самця або не може бути запліднена.

У деяких випадках яйця повинні активуватися статевою гамою чоловічої статі. У цьому випадку не відбувається злиття обох ядер, оскільки генетичний матеріал із сперми відкидається.

Однак у деяких видів яйцеклітина може розвиватися спонтанно, не потребуючи процесу активації.

Статеве розмноження у рослин

Аналогічно випадку тварин, рослини можуть зазнавати статевого розмноження. Він складається з об'єднання двох гаплоїдних гамет, які дадуть породу новому індивіду з унікальними генетичними характеристиками.

У рослини можуть бути чоловічі та жіночі органи в одній особині або їх можна відокремити. У огірків і молочних статі розділені, тоді як у троянд і петуній статі є разом.

Квітка

Органом, що відповідає за процеси статевого розмноження, є квіти. Ці спеціалізовані структури мають регіони, які не беруть участі безпосередньо у розмноженні: чашечка та віночок, а також статево-активні структури: андроецій та гіноецій.

Андроеціум - це чоловічий репродуктивний орган, що складається з тичинки, яка, у свою чергу, поділяється на нитку та мурашник. Цей останній регіон відповідає за виробництво пилку.

Гінеєцій є жіночим квітковим органом і складається з одиниць, які називаються килимами. Будова схожа на витягнуту «краплю» і поділяється на стигму, стиль та нарешті яєчник.

Запилення

Процес статевого розмноження у рослин відбувається в основному шляхом запилення, яке складається з транспортування пилкових зерен від пилу до стигми.

Запилення може відбуватися в одній квітці (пилкові зерна йдуть до жіночого органу тієї ж рослини) або може бути схрещеною, де пилкові зерна запліднюють іншу особину.

У більшості рослин втручання тварини необхідне для проведення запилення. Це можуть бути безхребетні, такі як бджоли чи інші комахи, або хребетні тварини, такі як птахи та кажани. Рослина пропонує запилювач нектаром в якості винагороди, і вони відповідають за розпорошення пилку.

Квіткові структури, які не беруть участі безпосередньо у розмноженні, - це віночок та чашечка. Це видозмінені листя, у багатьох випадках із яскравими та яскравими кольорами, які відповідають за візуальне чи хімічне залучення потенційного запилювача.

Так само деякі рослини не потребують запилювачів тварин і використовують вітер або воду для розпорошення пилку.

Запліднення, насіння та плоди

Процес починається з надходження пилкових зерен до стигми квітки. Вони подорожують за стилем, поки не знайдуть яєчник.

Подвійне запліднення характерне для квітучих рослин і унікальне серед усіх організмів. Явище відбувається таким чином: ядро ​​сперми об'єднується з яйцеклітиною, а інше ядро ​​сперми зливається з диплоїдним ембріоном спорофіта.

Результатом цієї незвичної події запліднення є триоплоїдний ендосперм, який буде виконувати роль живильної тканини для розвитку організму. Як тільки відбувається успішне дозрівання яйцеклітин, вони перетворюються на насіння. Плід, з іншого боку, формується зрілими зав'язями.

Плід можна класифікувати як простий, якщо він походить із зрілого яєчника, і його можна додати, якщо він розвинений з кількох зав’язей, наприклад, полуниці.

Статеве розмноження бактеріями

Бактерії відомі насамперед своєю здатністю до безстатевого розмноження.

У цій прокаріотичній лінії особина здатна розділитись двома процесами, званими бінарним поділом. Однак існує ряд механізмів у бактерій, які нагадують статеве розмноження, оскільки відбувається обмін генетичним матеріалом.

До середини 40-х років вважалося, що бактерії розмножуються виключно безстатево. Однак дослідники Джошуа Ледерберг та Едвард Татум спростували цю віру через геніальний експеримент, використовуючи бактерії кишкової палички з різними харчовими потребами.

Експеримент складався з штаму А, що зростає в мінімальній середовищі з метіоніном і біотином, і штаму В, який рос лише в середовищах з треоніном, лейцином і тіаміном. Іншими словами, кожен штам проводив мутацію, яка заважала йому синтезувати ці сполуки, тому їх доводилося синтезувати в культуральному середовищі.

Коли колонії контактували протягом декількох годин, люди набули здатності синтезувати поживні речовини, які раніше не могли. Таким чином, Ледерберг і Татум продемонстрували, що існує процес обміну ДНК, подібний до статевого розмноження, і назвали це кон'югацією.

Кон'югація

Процес кон'югації відбувається через мостоподібну структуру, що називається статевою грудкою, яка фізично зв'язує дві бактерії разом і дозволяє їм обмінюватися ДНК.

Оскільки бактерії не мають статевого диморфізму, ми не можемо говорити про чоловіків і жінок. Однак тільки один тип може виробляти пілі, і вони мають спеціальні фрагменти ДНК, які називаються фактором F, для "родючості". Фактор F володіє генами для отримання pili.

ДНК, що бере участь в обміні, не є частиною єдиної бактеріальної хромосоми. Натомість це ізольована кругла частина, яка називається плазмідою, яка має власну систему реплікації.

Трансформація

Крім кон'югації, існують і інші процеси, коли бактерії можуть отримати додаткову ДНК і характеризуються тим, що вони простіші за кон'югацію. Однією з них є трансформація, яка полягає у відведенні оголеної ДНК із зовнішнього середовища. Цей екзогенний фрагмент ДНК може бути інтегрований до бактеріальної хромосоми.

Механізм трансформації входить у поняття сексуального відтворення. Хоча бактерії брали вільну ДНК, цей генетичний матеріал повинен був надходити від іншого організму - наприклад бактерії, яка загинула і випустила свою ДНК у навколишнє середовище.

Трандукція

Третім і останнім відомим механізмом бактерій для отримання чужорідної ДНК є трансдукція. Це передбачає участь вірусу, який заражає бактерії: бактеріофаги.

При трансдукції вірус бере частину бактеріальної ДНК, і коли він заражає бактерію, різниця може передати цей фрагмент до нього. Деякі автори використовують термін «парасексуальні події» для позначення цих трьох механізмів.

Еволюційна перспектива

Поширеність статевого розмноження в організмах - неабиякий факт. Таким чином, одне з найбільших питань еволюційної біології - чому секс поширюється на стільки родовищ, якщо це енергетично дороге заняття - а в деяких випадках навіть небезпечне.

Підозрюється, що селективні сили, які зароджували статеве розмноження у еукаріотів, - це ті самі, що підтримують парасексуальні процеси, описані для бактерій.

Витрати на секс

У світлі еволюції термін "успіх" означає здатність індивіда передавати свої гени наступному поколінню. Парадоксально, але секс - це процес, який не повністю відповідає цьому визначенню, оскільки це ряд витрат, пов’язаних із відтворенням.

Статеве розмноження передбачає пошук парубка, і в більшості випадків це завдання не є тривіальним. У цю діяльність потрібно вкласти величезну кількість часу та енергії, яка визначатиме успіх нащадків - з точки зору пошуку "ідеального партнера".

Тварини демонструють низку ритуалів, щоб спокушати своїх потенційних товаришів, а в деяких випадках вони повинні боротися з викриттям власного життя, щоб домогтися сукупності.

Навіть на клітинному рівні секс коштує дорого, оскільки поділ за мейозом займає набагато довше, ніж мітоз. То чому ж більшість еукаріотів розмножується статевим шляхом?

Є дві основні теорії. Одна пов'язана з синтезом клітин як механізмом горизонтальної передачі "егоїстичного" генетичного елемента, а друга теорія пропонує рекомбінацію як механізм відновлення ДНК. Нижче ми опишемо плюси і мінуси кожної теорії:

Користь для сексу

Щоб відповісти на це питання, ми повинні зосередитись на можливих перевагах статевого розмноження у перших еукаріотів.

Злиття гамет з утворенням зиготи призводить до комбінації двох різних геномів, які здатні компенсувати можливі дефектні гени в одному геномі з нормальною копією іншого.

Наприклад, у людей ми успадковуємо по одному примірнику від кожного з батьків. Якщо ми успадковуємо дефектний ген від своєї матері, то нормальний ген від батька може компенсувати це (у такому випадку, коли патологія чи захворювання представляють лише гомозиготну рецесивну).

Друга теорія - не така інтуїтивна, як перша - передбачає, що мейоз діє як механізм відновлення в ДНК. Пошкодження генетичного матеріалу - це проблема, з якою повинні зіткнутися всі організми. Однак є організми, які розмножуються лише безстатево і їх ДНК не особливо пошкоджується.

В іншій гіпотезі зазначається, що секс, можливо, розвинувся як паразитична адаптація між егоїстичними генетичними елементами, щоб розповсюджуватися на інші генетичні лінії. Аналогічний механізм був підтверджений у E. coli.

Хоча можливі пояснення, еволюція сексу є предметом гострих дискусій серед еволюційних біологів.

Сексуальний відбір

Сексуальний вибір - це концепція, запроваджена Чарльзом Дарвіном, яка застосовна лише для сексуально відтворюваних груп населення. Він використовується для пояснення наявності поведінки, структур та інших ознак, існування яких неможливо уявити природним відбором.

Наприклад, дуже барвисте і дещо «перебільшене» оперення павичів не дає прямої користі для індивіда, оскільки робить його більш помітним для потенційних хижаків. Крім того, він присутній лише у самців.

Список літератури

1. Colegrave, N. (2012). Еволюційний успіх сексу: серія Science & Society про секс та науку. Звіти EMBO, 13 (9), 774-778.
2. Ворона, JF (1994). Переваги статевого розмноження. Генетика розвитку, 15 (3), 205-213.
3. Freeman, S., Herron, JC (2002). Еволюційний аналіз. Prentice Hall.
4. Goodenough, U., і Heitman, J. (2014). Витоки еукаріотичної статевої репродукції. Перспективи біологічної холодної весни, 6 (3), a016154.
5. Хікман, К.П., Робертс, Л.С., Ларсон, А., Обер, WC, & Гарнізон, C. (2001). Комплексні принципи зоології. Нью-Йорк: McGraw-Hill.
6. Леонард, Дж. Та Кордова-Агілар, А. (Ред.). (2010). Еволюція первинних статевих персонажів у тварин. Oxford University Press.
7. Sawada, H., Inoue, N., & Iwano, M. (2014). Статеве розмноження у тварин і рослин. Springer-Verlag GmbH.