Charakterystyka rozmnażania płciowego, rodzaje, w roślinach, u zwierząt



The rozmnażanie płciowe jest rozmnażaniem się osobników od dwóch rodziców różnych płci: mężczyzny i kobiety - z wyjątkiem sytuacji, w których odnosimy się do rozmnażania płciowego u bakterii lub pierwotniaków, gdzie nie ma rozróżnienia płci. Jest to szeroko rozpowszechniony proces w organizmach eukariotycznych.

Każda osoba uczestnicząca w rozmnażaniu płciowym wytwarza typ wyspecjalizowanych komórek linii zarodkowych: plemników i zalążków. Pochodzą one z typu wyspecjalizowanego podziału komórkowego, zwanego mejozą. To wydarzenie jest zasadniczą różnicą między rozmnażaniem bezpłciowym i seksualnym.

Proces rozpoczyna się od połączenia dwóch gamet, które powodują powstanie zygoty. Następnie zygota rodzi nową jednostkę o cechach zarówno rodziców, jak i pewnych wyjątkowych postaci.

Ze względu na wszechobecność tego procesu, wnioskujemy, że rozmnażanie płciowe zakłada szereg korzyści w odniesieniu do bezpłciowości. Jednak możliwe wady rozmnażania płciowego są bardziej oczywiste: czas i energia zainwestowane w poszukiwanie partnerów, konkurencja dla kobiet, między innymi koszt produkcji gamet, które nie są nawożone..

Koszty wydają się być bardzo wysokie, więc muszą mieć znaczne korzyści, które pomagają zrekompensować. Korzyści z rozmnażania płciowego były przedmiotem kontrowersji i debat wśród biologów ewolucyjnych.

Jedna z hipotez sugeruje, że rozmnażanie płciowe jest korzystne, ponieważ wytwarza odmiany, które w czasie zmian środowiskowych mogą być korzystne dla gatunku. W rzeczywistości wytwarzanie zmienności genetycznej jest jedną z zalet przypisywanych płci.

Z drugiej strony niektórzy badacze proponują, że rozmnażanie płciowe, a konkretnie rekombinacja, zostało wybrane jako mechanizm naprawy DNA. Jednak rozpowszechnienie seksu pomimo jego kosztów jest nadal nieznane..

Indeks

  • 1 Ogólna charakterystyka
  • 2 Gametos
  • 3 Rozmnażanie płciowe u zwierząt
    • 3.1 Struktury związane z reprodukcją
    • 3.2 Porifera
    • 3.3 Cnidarianie
    • 3.4 Acelomorphs i flatworms
    • 3.5 Mięczaki i pierścienie
    • 3.6 Stawonogi
    • 3.7 Echinodermy
    • 3.8 Cordados
  • 4 Partenogeneza u zwierząt
  • 5 Rozmnażanie płciowe u roślin
    • 5.1 Kwiat
    • 5.2 Zapylanie
    • 5.3 Nawożenie, nasiona i owoce
  • 6 Rozmnażanie płciowe u bakterii
    • 6.1 Koniugacja
    • 6.2 Transformacja
    • 6.3 Transdukcja
  • 7 Perspektywa ewolucyjna
    • 7.1 Koszty seksu
    • 7.2 Korzyści z seksu
    • 7.3 Selekcja seksualna
  • 8 Odniesienia

Ogólna charakterystyka

Seks jest złożonym zjawiskiem, które jest bardzo zróżnicowane wśród taksonów eukariotycznych. Ogólnie możemy zrozumieć, że jest to proces, który obejmuje trzy etapy: fuzję dwóch haploidalnych jąder, zjawisko rekombinacji, które wytwarza nowe genotypy i podział komórek diploidalnych, tworząc haploidalne jądra.

Z tego punktu widzenia płeć u eukariontów zależy od cyklu życia, w którym komórki diploidalne muszą być podzielone przez mejozę. Ten proces podziału mejotycznego jest odpowiedzialny za dystrybucję materiału genetycznego przyszłych gamet.

Mejoza ma na celu oddzielenie homologicznych chromosomów w taki sposób, że każda gameta ma połowę chromosomów somatycznych. Oprócz zmniejszenia obciążenia genetycznego, w mejozie zachodzi również wymiana materiału pomiędzy chromatydami nie-siostrzanymi, tworząc całkowicie nowe kombinacje.

Gametos

Gametami są komórki płciowe organizmów, które są generowane przez mejozę i zawierają połowę obciążenia genetycznego, to znaczy są haploidalne.

Gametami różnią się zarówno rośliny, jak i zwierzęta, i są podzielone na trzy podstawowe kategorie w zależności od ich wielkości i względnej mobilności w: izogamii, anizogamii i oogami.

Izogamia to sposób rozmnażania płciowego, w którym gamety, które łączą się, aby stworzyć nową jednostkę, są identyczne pod względem wielkości, mobilności i struktury. Izogamia jest reprezentowana głównie w roślinach.

Natomiast anizogamia polega na połączeniu dwóch gamet, które różnią się wielkością i strukturą. Szczególnym rodzajem anizogamii jest oogamia, w której męskie gamety są stosunkowo małe i obfite pod względem liczby. Kobiece są znacznie bardziej widoczne i produkowane w mniejszych ilościach.

Rozmnażanie płciowe u zwierząt

W królestwie zwierząt rozmnażanie płciowe jest zjawiskiem szeroko rozpowszechnionym wśród członków grupy.

Prawie wszystkie bezkręgowce i kręgowce posiadają płeć w osobnych organizmach - to znaczy możemy odróżnić osobnika męskiego i żeńskiego w gatunku. Warunek ten nazywa się dioica, termin wywodzący się z greckich korzeni „dwa domy”

W przeciwieństwie do tego istnieją pewne mniej liczne gatunki, których płeć występuje u tej samej osoby zwanej monoes: „dom”. Te zwierzęta są również znane jako hermafrodyty.

Rozróżnienie między płciami nie wynika z cech morfologicznych wielkości lub zabarwienia, ale ze względu na rodzaj gamet wytwarzanych przez każdą płeć.

Samice wytwarzają zalążki, charakteryzujące się dużym rozmiarem i bezruchem. Z drugiej strony plemniki są produkowane przez samców w większej ilości, są znacznie mniejsze i mają specjalne struktury do poruszania się i mogą zapładniać zalążek.

Następnie opiszemy typowe narządy płciowe zwierząt, a następnie szczegółowo omówimy proces reprodukcji w każdej grupie zwierząt.

Struktury związane z reprodukcją

Specjalistyczne komórki do rozmnażania płciowego - zalążki i plemniki - są wytwarzane w określonych tkankach zwanych gonadami.

U samców jądra są odpowiedzialne za produkcję plemników, podczas gdy w jajnikach powstają żeńskie gamety.

Gonady uważa się za pierwotne narządy płciowe. Dodatkowe narządy płciowe są obecne w dużej grupie przeżuwaczy odpowiedzialnych za przyjmowanie i przenoszenie zalążków i plemników. U samic odnajdujemy pochwę, rurki macicy lub jajowody i macicę, podczas gdy u mężczyzn występuje penis.

Porifera

Porifera są powszechnie znane jako gąbki i mogą rozmnażać się zarówno seksualnie, jak i bezpłciowo. U większości gatunków produkcja męskich i żeńskich gamet występuje u jednej osoby.

Chanocyty są szczególnym rodzajem komórek tej linii, które można przekształcić w plemniki. W innych grupach gamet można uzyskać z archeonów.

Wiele gatunków jest żyworodnych, co wskazuje, że po wystąpieniu zjawiska zapłodnienia zygota jest zatrzymywana przez organizm macierzysty do momentu uwolnienia larwy. U tych gatunków plemniki są uwalniane do wody i pobierane przez inną gąbkę.

Cnidarians

Cnidary są organizmami morskimi, które obejmują meduzy i pokrewne. Zwierzęta te mają dwie morfologie: pierwsza to polip i charakteryzuje się siedzącym trybem życia, podczas gdy drugą formą jest meduza, która jest w stanie poruszać się i pływać.

Ogólnie polipy rozmnażają się bezpłciowo przez procesy pączkowania lub rozszczepiania. Meduza jest dioica i rozmnaża się seksualnie. Cykl życia w tej grupie jest bardzo zmienny.

Acelomorphs i flatworms

Płazińce, takie jak płazy, są znane przede wszystkim ze swojej zdolności do regeneracji i produkcji wielu klonów od pojedynczego osobnika poprzez bezpłciowe.

Większość tych zwierząt robakowatych jest jednopienne. Niemniej jednak szukają partnera do przeprowadzenia wzajemnej wymiany.

Męski układ rozrodczy obejmuje kilka jąder i podobną do brodawki strukturę podobną do penisów złożonych kręgowców.

Mięczaki i pierścienie

Większość mięczaków jest dwupienna, a ich rozmnażanie powoduje powstanie larwy zdolnej do swobodnego pływania zwanej trocófera (bardzo podobnej do larwy obecnej w pierścieniach) i zmienia się w zależności od gatunku mięczaków.

Podobnie, pierścienie mają oddzielne płcie, aw niektórych mają gonady, które pojawiają się tymczasowo.

Stawonogi

Stawonogi są niezwykle zróżnicowaną grupą zwierząt, charakteryzującą się egzoszkieletem złożonym z chityny i przegubowych przydatków. Ta linia obejmuje miriapodos, quelicerados, skorupiaki i heksapody.

Generalnie płeć jest rozdzielona, ​​organy wyspecjalizowane w reprodukcji pojawiają się parami. Większość gatunków ma zapłodnienie wewnętrzne. Mogą być jajorodne, jajowodu lub żyworodne.

Echinodermy

Echinodermy obejmują rozgwiazdy, ogórki morskie, jeżowce i sojuszników. Chociaż istnieją pewne gatunki hermafrodytyczne, większość z nich charakteryzuje się osobnymi płciami. Gonady są dużymi strukturami, przewody są proste i nie ma skomplikowanych organów kopulujących.

Zapłodnienie następuje zewnętrznie i rozwija się obustronna larwa, która może swobodnie przemieszczać się w ciele wodnym. Niektóre gatunki mają bezpośredni rozwój.

Cordados

Większość płci jest rozdzielona. W tej grupie znajdujemy bardziej złożone organy do reprodukcji. Każda płeć ma gonady z przewodami, które kierują produkty z nich do kanalizacji lub do specjalnego otworu znajdującego się w pobliżu odbytu. W zależności od grupy nawożenie może być zewnętrzne lub wewnętrzne.

Partenogeneza u zwierząt

Parthenogeneza jest zjawiskiem szeroko reprezentowanym w królestwie zwierząt, głównie u bezkręgowców i niektórych kręgowców, co pozwala na generowanie nowej osoby z jednym rodzicem. Chociaż jest to forma rozmnażania bezpłciowego, pewne rodzaje partenogenezy są uważane za rodzaje rozmnażania płciowego.

W mejotycznej partenogenezie zalążek powstaje w wyniku mejozy i może, ale nie musi, zostać zapłodniony przez plemnik mężczyzny.

W niektórych przypadkach zalążki muszą być aktywowane przez męską gametę. W tym przypadku nie ma fuzji obu jąder, ponieważ materiał genetyczny z plemników jest odrzucany.

Jednak u niektórych gatunków jajnik może rozwijać się spontanicznie bez potrzeby procesu aktywacji.

Rozmnażanie płciowe u roślin

Analogicznie do przypadku zwierząt, rośliny mogą doświadczać rozmnażania płciowego. Składa się z połączenia dwóch haploidalnych gamet, które dadzą początek nowej osobie o unikalnych cechach genetycznych.

Roślina może posiadać narządy męskie i żeńskie w pojedynczych osobnikach lub można je oddzielić. W ogórku i mleczu płeć jest rozdzielona, ​​podczas gdy w różach i petuniach płeć jest razem.

Kwiat

Organem odpowiedzialnym za procesy rozmnażania płciowego są kwiaty. Te wyspecjalizowane struktury mają regiony, które nie uczestniczą bezpośrednio w reprodukcji: kielich i korona oraz struktury aktywne seksualnie: androceo i ginekomię.

Androceo jest męskim narządem rozrodczym złożonym z pręcika, który z kolei dzieli się na włókno i pylnik. Ten ostatni region jest odpowiedzialny za produkcję ziaren pyłku.

Gynoecium jest kobiecym organem kwiatowym i składa się z jednostek zwanych stolarzami. Struktura jest podobna do wydłużonej „kropli” i dzieli się na piętno, styl i wreszcie jajnik.

Zapylanie

Proces rozmnażania płciowego w roślinach zachodzi głównie poprzez zapylanie, które polega na transporcie ziaren pyłku z pylnika na piętno..

Zapylanie może występować w tym samym kwiacie (ziarna pyłku trafiają do kobiecego narządu tej samej rośliny) lub mogą być skrzyżowane, gdzie ziarna pyłku zapładniają inną osobę.

W większości roślin konieczna jest interwencja zwierzęcia w celu zapylenia. Mogą to być bezkręgowce, takie jak pszczoły lub inne owady lub kręgowce, takie jak ptaki i nietoperze. Roślina w nagrodę dla zapylacza nektar i te są odpowiedzialne za rozpraszanie pyłku.

Strukturami kwiatowymi, które nie uczestniczą bezpośrednio w reprodukcji, są korona i kielich. Są to zmodyfikowane liście, w wielu przypadkach uderzających i żywych kolorów, które są odpowiedzialne za przyciąganie wzrokowe lub chemiczne potencjalnemu zapylaczowi.

Podobnie niektóre rośliny nie wymagają zwierzęcych zapylaczy i nie używają wiatru lub wody do rozprzestrzeniania się pyłku.

Nawożenie, nasiona i owoce

Proces rozpoczyna się od przybycia ziaren pyłku do piętna kwiatu. Podróżują tak, dopóki nie znajdą jajnika.

Podwójne nawożenie jest typowe dla roślin kwitnących i wyjątkowe wśród wszystkich organizmów. Zjawisko to występuje w następujący sposób: jądro plemnika jest przyłączone do jaja, a inne jądro plemnika jest połączone z diploidalnym zarodkiem sporofitu.

Wynikiem tego niezwykłego zdarzenia zapłodnienia jest bielmo trioploidalne, które będzie działać jako tkanka odżywcza dla rozwoju organizmu. Gdy dojdzie do pomyślnego dojrzewania zalążków, zostają one przekształcone w nasiona. Z drugiej strony owoce tworzą dojrzałe jajniki.

Owoce można sklasyfikować jako proste, jeśli pochodzą z dojrzałego jajnika i można je dodać, jeśli rozwija się z kilku jajników, takich jak na przykład truskawka..

Rozmnażanie płciowe u bakterii

Bakterie znane są przede wszystkim ze swojej zdolności do rozmnażania się bezpłciowo.

W tej linii prokariotycznej jednostka jest w stanie podzielić się na dwie części w procesie zwanym rozszczepieniem binarnym. Istnieje jednak szereg mechanizmów w bakteriach, które przypominają rozmnażanie płciowe, ponieważ istnieje wymiana materiału genetycznego.

Do połowy lat 40. uważano, że bakterie rozmnażają się wyłącznie drogą bezpłciową. Jednak naukowcy Joshua Lederberg i Edward Tatum zaprzeczyli temu przekonaniu poprzez genialny eksperyment wykorzystujący bakterię jako model E. coli o różnych wymaganiach żywieniowych.

Eksperyment składał się ze szczepu A rosnącego w podłożu minimalnym z metioniną i biotyną oraz szczepu B, który rósł tylko w środowiskach z treoniną, leucyną i tiaminą. Innymi słowy, każdy szczep miał mutację, która uniemożliwiła mu syntezę tych związków, dlatego musiały zostać zsyntetyzowane w pożywce hodowlanej..

Gdy kolonie kontaktowały się ze sobą przez kilka godzin, osobnicy nabyli zdolność do syntezy składników odżywczych, których wcześniej nie mogli. Tak więc Lederberg i Tatum wykazali, że istnieje proces wymiany DNA podobny do rozmnażania płciowego i nazwali go koniugacją.

Koniugacja

Proces koniugacji zachodzi poprzez strukturę podobną do mostu, zwaną pilami seksualnymi, która fizycznie łączy dwie bakterie i pozwala na wymianę DNA.

Ponieważ bakterie nie mają dymorfizmu płciowego, nie możemy mówić o mężczyznach i kobietach. Jednak tylko jeden typ może produkować pilusy i mają specjalne fragmenty DNA zwane czynnikiem F, dla „płodności”. Czynnik F ma geny do produkcji pilusów.

DNA biorące udział w wymianie nie jest częścią pojedynczego chromosomu bakteryjnego. Zamiast tego jest to wyizolowana okrągła część zwana plazmidem, która ma swój własny system replikacji.

Transformacja

Oprócz koniugacji istnieją inne procesy, w których bakterie mogą uzyskać dodatkowe DNA i charakteryzują się prostotą niż koniugacja. Jedną z nich jest transformacja polegająca na pobraniu nagiego DNA ze środowiska zewnętrznego. Ten egzogenny fragment DNA można zintegrować z chromosomem bakteryjnym.

Mechanizm transformacji wchodzi w koncepcję rozmnażania płciowego. Chociaż bakterie pobierały wolne DNA, ten materiał genetyczny musiał pochodzić z innego organizmu - na przykład bakterii, która zmarła i uwolniła swoje DNA do środowiska.

Transdukcja

Trzecim i ostatnim mechanizmem znanym w bakteriach do uzyskania zewnętrznego DNA jest transdukcja. Obejmuje to udział wirusa, który infekuje bakterie: bakteriofagi.

W transdukcji wirus pobiera część bakteryjnego DNA, a kiedy zdarza się zainfekować bakterię różnicową, może przekazać mu ten fragment. Niektórzy autorzy używają terminu „wydarzenia seksualne” w odniesieniu do tych trzech mechanizmów.

Perspektywa ewolucyjna

Wszechobecność rozmnażania płciowego w organizmach jest widocznym faktem. Dlatego jednym z największych pytań w biologii ewolucyjnej jest to, dlaczego seks rozprzestrzenia się w tak wielu liniach, jeśli jest to działalność kosztowna energetycznie - aw niektórych przypadkach nawet niebezpieczna.

Podejrzewa się, że siły selekcyjne, które zapoczątkowały rozmnażanie płciowe u eukariontów, są takie same, że utrzymują opisane procesy paraseksualne dla bakterii.

Koszty seksu

W świetle ewolucji termin „sukces” odnosi się do zdolności jednostki do przekazywania swoich genów następnemu pokoleniu. Paradoksalnie seks to proces, który nie spełnia w pełni tej definicji, ponieważ szereg kosztów związanych z reprodukcją.

Rozmnażanie płciowe obejmuje znalezienie partnera iw większości przypadków zadanie to nie jest trywialne. Musisz zainwestować ogromną ilość czasu i energii w tę pracę, która zadecyduje o sukcesie potomstwa - w zakresie znalezienia „idealnego partnera”.

Zwierzęta wykazują serię rytuałów, aby zachęcić swoich potencjalnych partnerów, aw niektórych przypadkach muszą walczyć z narażeniem własnego życia, aby kopulować.

Nawet na poziomie komórkowym seks jest kosztowny, ponieważ podział przez mejozę trwa znacznie dłużej niż mitoza. Dlaczego więc większość eukariontów rozmnaża się seksualnie?

Istnieją dwie podstawowe teorie. Jedna jest związana z fuzją komórkową jako mechanizmem poziomej transmisji „samolubnego” elementu genetycznego, podczas gdy druga teoria proponuje rekombinację jako mechanizm naprawy DNA. Następnie opiszemy wady i zalety każdej teorii:

Korzyści z seksu

Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy skupić się na możliwych korzyściach z rozmnażania płciowego u pierwszych eukariontów.

Fuzja gamet w zygotę prowadzi do połączenia dwóch różnych genomów, które są w stanie skompensować ewentualne wadliwe geny jednego genomu normalną kopią drugiego.

Na przykład u ludzi dziedziczymy kopię każdego rodzica. Jeśli odziedziczymy wadliwy gen od naszej matki, normalny gen naszego ojca może zrekompensować (w takim przypadku patologia lub choroba pojawia się tylko jako homozygotyczny recesywny).

Druga teoria - nie tak intuicyjna jak pierwsza - proponuje, że mejoza działa jako mechanizm naprawczy w DNA. Uszkodzenie materiału genetycznego jest problemem, z którym muszą się zmierzyć wszystkie organizmy. Istnieją jednak organizmy, które rozmnażają się bezpłciowo, a ich DNA nie jest szczególnie zniszczone.

Inna hipoteza stwierdza, że ​​seks mógł ewoluować jako pasożytnicza adaptacja wśród samolubnych elementów genetycznych, aby zostać rozprowadzonym do innych linii genetycznych. Podobny mechanizm został udowodniony w E. coli.

Chociaż istnieją możliwe wyjaśnienia, ewolucja seksu jest przedmiotem żmudnej debaty wśród biologów ewolucyjnych.

Selekcja seksualna

Selekcja seksualna jest koncepcją wprowadzoną przez Karola Darwina, która ma zastosowanie tylko do populacji z rozmnażaniem płciowym. Służy do wyjaśnienia obecności zachowań, struktur i innych atrybutów, których istnienia nie można wyobrazić poprzez dobór naturalny.

Na przykład upierzenie tak kolorowe i do pewnego stopnia „przesadzone” pawie nie przynosi jednostce bezpośrednich korzyści, ponieważ czyni ją bardziej widoczną dla potencjalnych drapieżników. Ponadto występuje tylko u mężczyzn.

Referencje

  1. Colegrave, N. (2012). Ewolucyjny sukces seksu: seria Science & Society na temat seksu i nauki. Raporty EMBO, 13(9), 774-778.
  2. Crow, J. F. (1994). Zalety rozmnażania płciowego. Genetyka rozwojowa, 15(3), 205-213.
  3. Freeman, S. i Herron, J. C. (2002). Analiza ewolucyjna. Prentice Hall.
  4. Goodenough, U. i Heitman, J. (2014). Geneza eukariotycznego rozmnażania płciowego. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 6(3), a016154.
  5. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W. C., i Garrison, C. (2001). Zintegrowane zasady zoologii. Nowy Jork: McGraw-Hill.
  6. Leonard, J. i Córdoba-Aguilar, A. (red.). (2010). Ewolucja pierwotnych postaci seksualnych u zwierząt. Oxford University Press.
  7. Sawada, H., Inoue, N. i Iwano, M. (2014). Rozmnażanie płciowe u zwierząt i roślin. Springer-Verlag GmbH.