Кіріспе
Жаңа организмдердің бір немесе бірнеше ата-аналардан пайда болуының биологиялық процесі. Көбею (немесе ұрпақ алу немесе шаруашылық) – жаңа жеке организмдер – "ұрпақтар" – олардың "ата-анасынан" немесе ата-аналарынан пайда болатын биологиялық процесс. Көбеюдің екі түрі бар: жыныссыз және жыныстық. Жыныссыз көбеюде организм басқа организмнің қатысуынсыз көбейе алады. Жыныссыз көбею бір жасушалы организмдермен ғана шектелмейді. Организмді клондау – жыныссыз көбеюдің бір түрі. Жыныссыз көбею арқылы организм өзінің генетикалық жағынан ұқсас немесе бірдей көшірмесін жасайды. Жыныстық көбеюдің эволюциясы биологтар үшін маңызды мәселе. Жыныстық көбеюдің екі еселік кемшілігі – организмдердің тек 50% ғана көбейеді және организмдер өз гендерінің 50% ғана беріп отырады. Жыныстық көбею әдетте екі арнайы көбею жасушасының – гаметалардың – жыныстық қатысуын қажет етеді, олар қалыпты жасушалардың хромосомаларының жартысын қамтиды және мейоз арқылы пайда болады, әдетте аталық бір түрдің аналығын ұрықтандыру арқылы ұрықтандырылған зигота жасайды. Бұл екі ата-ананың генетикалық қасиеттерінен алынған ұрпақ организмдерін тудырады.
Reproduction (or procreation or breeding) is the biological process by which new individual organisms – "offspring" – are produced from their "parent" or parents. There are two forms of reproduction: asexual and sexual. In asexual reproduction, an organism can reproduce without the involvement of another organism. Asexual reproduction is not limited to single celled organisms. The cloning of an organism is a form of asexual reproduction. By asexual reproduction, an organism creates a genetically similar or identical copy of itself. The evolution of sexual reproduction is a major puzzle for biologists. The two fold cost of sexual reproduction is that only 50% of organisms reproduce and organisms only pass on 50% of their genes. Sexual reproduction typically requires the sexual interaction of two specialized reproductive cells, called gametes, which contain half the number of chromosomes of normal cells and are created by meiosis, with typically a male fertilizing a female of the same species to create a fertilized zygote. This produces offspring organisms whose genetic characteristics are derived from those of the two parental organisms.
Жыныстық емес
Жыныстық емес көбею – бұл организмдердің басқа организмнің генетикалық материалына қатысқансыз, генетикалық жағынан ұқсас немесе толықтай бірдей көшірмелерін жасау процесі. Бактериялар екіге бөліну арқылы жыныстық емес жолмен көбейеді; вирустар көбейіп, жаңа вирустар жасау үшін қабылдаушы жасушаларды бақылайды; гидралар (Hydroidea тобының омыртқасыздары) және ашытқылар бүршіклену арқылы көбейе алады. Мұндай организмдер әдетте әртүрлі жыныстарға бөлінбейді және өздерін екі немесе одан да көп көшірмеге "бөлуге" қабілетті. Көптеген өсімдіктер жыныстық емес көбеюге қабілетті, ал Mycocepurus smithii құмырсқасының түрі толығымен жыныстық емес жолмен көбейетіні есептеледі. Жыныстық және жыныстық емес көбеюге қабілетті түрлер, мысалы гидра, ашытқы (Ашытқылардың жұптасуына қараңыз) және медузалар, жыныстық жолмен де көбейе алады. Мысалы, көптеген өсімдіктер вегетативтік көбеюге қабілетті, яғни тұқымсыз немесе спорасыз көбеюге, бірақ сонымен қатар жыныстық жолмен де көбейе алады. Бактериялар да конъюгация арқылы генетикалық ақпарат алмаса алады. Жыныстық емес көбеюдің басқа түрлеріне партеногенез, фрагментация және тек митозға негізделген споралардың түзілуі жатады. Партеногенез – ұрықтандырусыз ұрықтың немесе тұқымның өсуі және дамуы. Партеногенез кейбір түрлерде табиғи түрде кездеседі, оның ішінде төменгі сатыдағы өсімдіктерде (апомиксис деп аталады), омыртқасыздарда (мысалы, су құмырсқалары, апидтер, кейбір аралар және паразиттік шегіршіндер) және омыртқалыларда (мысалы, кейбір бауырындар, кейбір балықтар және өте сирек үй құстары).
reptiles, some fish, and very rarely, domestic birds).
Жыныстық
Жыныстық көбею – екі организмнің генетикалық материалының бірігуі арқылы жаңа организмнің пайда болуын қамтамасыз ететін биологиялық процесс, ол мейозбен басталады, яғни жасушаның ерекше түріне жататын бөліну. Әрбір ата-аналық организм ұрпақтың генетикалық құрамының жартысын гаплоидты гаметалар құру арқылы береді. Көптеген организмдер екі түрлі гамета түзеді. Анизогамиялық түрлерде екі жыныс – еркек (сперматозоидтар немесе микроспоралар өндіретін) және әйел (жұмыртқа жасушалары немесе мегаспоралар өндіретін) деп аталады. Изогамиялық түрлерде гаметалар пішін жағынан ұқсас немесе бірдей (изогаметалар) болады, бірақ бөлінетін қасиеттері болуы мүмкін, содан кейін оларға басқаша атаулар берілуі мүмкін (изогамияға қараңыз). Екі гамета да бір-біріне ұқсас болғандықтан, оларды еркек немесе әйел деп жіктеу қиын. Мысалы, жасыл балдырларда, Chlamydomonas reinhardtii, «плюс» және «минус» гаметалар болады. Көптеген саңырауқұлақтар мен Paramecium aurelia сияқты тіршілік иелерінің кейбір түрлерінде екінен астам «жыныс» болады, олар жұптасу түрлері деп аталады. Көптеген жануарлар (адамдарды қоса) және өсімдіктер жыныстық жолмен көбейеді. Жыныстық көбеюге қабілетті организмдерде әрбір белгіге (аллельдер деп аталатын) әртүрлі гендер жиынтығы болады. Ұрпақ әр ата-анадан әрбір белгіге қатысты бір аллельді мұраға алады. Осылайша, ұрпақта ата-аналық гендердің комбинациясы пайда болады. «Қолайсыз аллельдердің жасырылуы гаплоидты және диплоидты фазалар арасында ауысып отыратын организмдерде диплоидты фазаның эволюциясына көмектеседі» деп саналады, онда рекомбинация еркін жүреді. Бриофиттер жыныстық жолмен көбейеді, бірақ көбінесе кездесетін және ірі организмдер гаплоидты болып табылады және гаметалар түзеді. Гаметалар бірігіп зигота құрайды, ол спорангийге айналады, ал спорангий гаплоидты спораларды өндіреді. Диплоидты фаза гаплоидты фазаға қарағанда салыстырмалы түрде кішкентай және аз өмір сүреді, яғни гаплоидтық басымдық. Диплоидияның, гетерозистің артықшылықтары тек диплоидты тіршілік циклінде ғана байқалады. Бриофиттер жыныстық көбеюді сақтайды, бірақ гаплоидты фаза гетерозистен пайда көре алмайды. Бұл жыныстық көбеюдің гетерозистен басқа да артықшылықтары бар екенін көрсетеді, мысалы, түрдің мүшелері арасындағы генетикалық рекомбинация, бұл белгілердің кең ауқымын білдіруге және халықтың қоршаған ортаның өзгеруіне бейімделу қабілетін арттыруға мүмкіндік береді.
Аллогамия
Аллогамия – гүлдердің басқа өсімдіктердің тозаңын пайдаланып өзара тозаңдану арқылы ұрықтандырылуы. Бұл гүлдің жұмыртқасы басқа өсімдіктің гүлінен алынған сперматозоидтармен ұрықтанғанда жүзеге асады. Тозаңды тозаң тасымалдаушылар немесе жел сияқты абиотикалық факторлар арқылы тасымалдауға болады. Ұрықтандыру тозаң түтігі арқылы әйел гаметасына тозаң жеткен кезде басталады. Аллогамия – автогамия және гейтоногамиядан өзгеше, өзара тозаңдану деп те аталады.
Автогамия
Өзін-өзі ұрықтандыру, сондай-ақ аутогамия деп аталады, екі жынысты организмдерде кездеседі, онда ұрықтандыру кезінде біріккен екі гамета бір жеке тұлғадан шығады, мысалы, көптеген тамырлы өсімдіктер, кейбір фораминиферлер, кейбір кірпік жалғыздары. немесе бір ғана екіжынысты қырықжапырақ өсімдігінде.
Бір жынысты
Қазіргі уақытта ғылыми зерттеулер екі әйел немесе екі еркектің теңдей генетикалық үлес қосып ұрпақ тудыру мүмкіндігін зерттеп жатыр. Осыған байланысты, қызметі күшейіп келе жатқан бағыттар – әйелдер спермасы және еркек жұмыртқалары. 2004 жылы жапон ғалымдары импринтингке қатысты бірнеше геннің жұмысын өзгертіп, екі тышқан жұмыртқасын біріктіріп, қыз тышқандарды өрбіткен. 2018 жылы қытай ғалымдары екі аналық тышқаннан 29 аналық тышқан тудырды, бірақ екі аталық тышқаннан тірі ұрпақ алуға қол жеткізе алмады. Зерттеушілер бұл техникалардың жақын арада адамдарға қолданылуының ықтималы төмен екенін атап өтті.
Стратегиялар
Түрлі жануар түрлері әртүрлі репродуктивтік стратегияларды қолданады. Кейбір жануарлар, мысалы, адам және солтүстік гагарка, туылғаннан кейін көп жылдар бойы жыныстық пісілуге жете алмайды, тіпті содан кейін де аз ұрпақ береді. Басқалары жылдам көбейеді, бірақ қалыпты жағдайларда ұрпақтарының көпшілігі ересекке дейін жетпейді. Мысалы, қоян (8 айда піседі) жылына 10-30 бала, ал жеміс шыбығы (10-14 күнде піседі) жылына 900 балаға дейін тудырады. Бұл екі негізгі стратегия К-селекция (аз ұрпақ) және r-селекция (көп ұрпақ) деп аталады. Эволюция қай стратегияны қалайтындығы түрлі жағдайларға байланысты. Аз ұрпағы бар жануарлар әрбір ұрпақты күтуге және қорғауға көбірек ресурстар жұмсай алады, соның салдарынан көп ұрпаққа қажеттілік азаяды. Екінші жағынан, көп ұрпағы бар жануарлар әрбір жеке ұрпаққа аз ресурстар жұмсайды; мұндай жануарлар үшін көптеген ұрпақ туылғаннан кейін көп ұзамай өлуі жиі кездеседі, бірақ популяцияны сақтау үшін жеткілікті мөлшерде жеке тұлғалар тірі қалады. Бал аралары мен жеміс шыбығы сияқты кейбір организмдер сперматозоидтарды сақтау процесі арқылы сперматозоидтарды сақтайды, осылайша олардың фертильділік мерзімін ұзартады.
Басқа түрлері
Полициклді жануарлар өмір бойы ара-тұра көбейеді. Бір реттік көбейтінді организмдер өмірінде бір рет ғана көбейеді, мысалы, бір жылдық өсімдіктер (барлық дәнді дақылдарды қоса алғанда), сондай-ақ кейбір лосось түрлері, бүркіттер, бамбук және ғасырлық агаве. Көбінесе олар көбейгеннен кейін көп ұзамай өледі. Бұл көбінесе r-стратегтерімен байланысты. Көп реттік көбейтінді организмдер ұрпақтарын бір-бірінен кейін (мысалы, жылдық немесе маусымдық) циклдарда тудырады, мысалы, көп жылдық өсімдіктер. Көп реттік көбейтінді жануарлар бірнеше маусымға (немесе жағдайдың кезеңдік өзгеруіне) дейін тірі қалады. Бұл көбінесе K-стратегтерімен байланысты.
Жыныстық емес және жыныстық көбею
Жыныстық емес көбею арқылы көбейетін организмдердің саны экспоненциалды түрде өсуге бейім. Дегенмен, олар ДНК-дағы өзгерістер үшін мутацияға тәуелді болғандықтан, түрдің барлық өкілдері ұқсас осалдықтарға ие. Жыныстық көбею арқылы көбейетін организмдер аз ұрпақ береді, бірақ гендерінің кең ауқымды вариациясы оларды ауруларға төзімді етеді. Көптеген организмдер жыныстық және жыныстық емес көбеюге қабілетті. Мысалдарға көкпарлар, шырыштар, теңіз анемондары, теңіз жұлдыздарының кейбір түрлері (фрагментация арқылы) және көптеген өсімдіктер жатады. Қоршаған орта факторлары қолайлы болғанда, жыныстық емес көбею тіршілік үшін жағдайды пайдалану үшін қолданылады, мысалы, мол азық, жеткілікті баспана, қолайлы климат, ауру, оптималды pH немесе өмір салтының басқа да талаптары. Бұл организмдердің популяциясы мол ресурстарды толық пайдалану үшін жыныстық емес көбею стратегиялары арқылы экспоненциалды түрде өседі. Азық көзі таусылғанда, климат қатал болғанда немесе жеке организмнің тірі қалуына қауіп төнгенде, олар жыныстық көбеюге көшеді. Жыныстық көбею түрдің гендік қорының араласуын қамтамасыз етеді. Жыныстық көбеюдің ұрпақтарындағы вариациялар кейбір организмдерге тірі қалуға жақсы бейімделуге мүмкіндік береді және табиғи іріктелу механизмін қамтамасыз етеді. Жыныстық циклдің мейоз кезеңі ДНК зақымдануын тиімді жөндеуге де мүмкіндік береді (Мейозға қараңыз). Алайда, вирустар көбінесе тірі емес деп есептеледі. Олар протеин қабықшасындағы РНК немесе ДНК бөлігі ғана, метаболизмге ие емес және тек қана басып алынған жасушаның метаболикалық машиналарын пайдаланып көбейе алады. Шын мәнінде тірі организмді (мысалы, қарапайым бактерияны) ата-тегі жоқ құру әлдеқайда күрделі міндет болар еді, бірақ қазіргі биологиялық білімге сәйкес, белгілі бір деңгейде мүмкін болуы мүмкін. Синтетикалық геномды қолданыстағы бактерияға ауыстырып, оның табиғи ДНК-сын алмастырғанда, жаңа M. mycoides организмі жасанды түрде жасалды. Ғылыми қауымдастықта бұл жасуша толық синтетикалық санала ма, жоқ па деген пікірталас бар, себебі химиялық жолмен синтезделген геном табиғи геномның дерлік 1:1 көшірмесі болды, ал қабылдаушы жасуша табиғи бактерия болды. Крейг Вентер институты "синтетикалық бактериялық жасуша" терминін қолданады, бірақ олар "біз бұл "жандылықты қырынан жасау" емес, синтетикалық ДНҚ арқылы бар өмірден жаңа өмір жасаймыз" деп түсіндіреді. Вентер өзінің тәжірибелік жасушаларына патент алуды жоспарлап отыр, "олар адамның ойлап тапқан өнімі екені анық" дейді. Зерттеушілердің сөзіне қарағанда, қазіргі технологиямен "нағыз синтетикалық биохимиялық өмірді" жасау салыстырмалы түрде жеңіл және айға адамды қанатын қондыруға кеткен еңбекпен салыстырғанда арзан.
Лотереялық принцип
Жыныстық көбеюдің көптеген кемшіліктері бар, себебі ол жыныссыз көбеюге қарағанда әлдеқайда көп энергия жұмсауды талап етеді және организмдерді басқа іс-әрекеттерден алаңдатады, сондай-ақ көптеген түрлердің оны неге пайдаланатыны туралы пікірталастар бар. Джордж С. Уильямс жыныстық көбеюдің кең таралғандығын түсіндіру үшін лотерея билеттерін аналогия ретінде қолданды. Ол, жыныссыз көбею, ұрпақтарда генетикалық әртүрліліктің аз немесе мүлдем болмауымен сипатталатынын, барлық билеттері бірдей нөмірлі көптеген билеттер сатып алуға ұқсатады, бұл "жеңу" – яғни, тірі қалатын ұрпақтар тудыру мүмкіндігін шектейді. Оның пікірінше, жыныстық көбею – аз билеттер сатып алуға, бірақ әртүрлі нөмірлермен, демек табысқа жету мүмкіндігіне ие болумен тең. Бұл аналогияның мәні мынада: жыныссыз көбею генетикалық өзгерістерді жаратпағандықтан, өзгеріп жатқан ортаға жылдам бейімделуге мүмкіндік аз. Лотерея принципі қазіргі кезде осылай болмайды деген дәлелдердің арқасында, жыныссыз көбею тұрақсыз ортада жиі кездеседі, бұл оның болжаған нәрсесіне кері.