Размножение организмов: типы и механизмы.

Введение

Биологический процесс, при котором новые организмы генерируются из одного или нескольких родительских организмов.

Размножение (или прокреация, или разведение) – это биологический процесс, в результате которого новые отдельные организмы – "потомство" – образуются из их "родителя" или родителей. Существуют две формы размножения: бесполое и половое. При бесполом размножении организм может размножаться без участия другого организма. Бесполое размножение не ограничивается одноклеточными организмами. Клонирование организма является формой бесполого размножения. При бесполом размножении организм создает генетически схожую или идентичную копию самого себя. Эволюция полового размножения представляет собой серьезную загадку для биологов. Двойной недостаток полового размножения заключается в том, что только 50% организмов участвуют в размножении и передают только 50% своих генов. Половое размножение обычно требует полового взаимодействия двух специализированных репродуктивных клеток, называемых гаметами, которые содержат половину числа хромосом нормальных клеток и образуются в результате мейоза, при этом обычно самец оплодотворяет самку того же вида, чтобы создать оплодотворенную зиготу. Это приводит к образованию потомства, чьи генетические характеристики происходят от обоих родительских организмов.

Асексуал

Бесполое размножение – это процесс, посредством которого организмы создают генетически похожие или идентичные копии самих себя без участия генетического материала другого организма. Бактерии размножаются бесполым путем посредством бинарного деления; вирусы захватывают контроль над клетками хозяина для производства новых вирусов; гидры (беспозвоночные отряда Hydroidea) и дрожжи способны размножаться почкованием. Эти организмы часто не имеют разделения на полы и способны "делиться" на две или более копий самих себя. Большинство растений обладают способностью к бесполому размножению, а вид муравьев Mycocepurus smithii, предположительно, размножается исключительно бесполым путем. Некоторые виды, способные к бесполому размножению, такие как гидра, дрожжи (см. Спаривание дрожжей) и медузы, также могут размножаться половым путем. Например, большинство растений способны к вегетативному размножению – размножению без семян или спор, – но также могут размножаться половым путем. Аналогично, бактерии могут обмениваться генетической информацией посредством конъюгации. Другие формы бесполого размножения включают партеногенез, фрагментацию и спорообразование, в которых участвует только митоз. Партеногенез – это рост и развитие эмбриона или семени без оплодотворения. Партеногенез встречается естественным образом у некоторых видов, включая низшие растения (где он называется апомиксисом), беспозвоночных (например, дафнии, тли, некоторые пчелы и паразитические осы) и позвоночных (например, некоторые рептилии, некоторые рыбы и крайне редко домашняя птица).

Сексуальное

Половое размножение — это биологический процесс, создающий новый организм путем объединения генетического материала двух организмов в процессе, начинающемся с мейоза, специализированного типа клеточного деления. Каждый из двух родительских организмов вносит половину генетического состава потомства, создавая гаплоидные гаметы. Большинство организмов формируют два различных типа гамет. У этих анизогамных видов выделяют два пола: мужской (производящий сперматозоиды или микроспоры) и женский (производящий яйцеклетки или мегаспоры). У изогамных видов гаметы похожи или идентичны по форме (изогаметы), но могут обладать различными свойствами и, соответственно, иметь иные названия (см. изогамию). Поскольку обе гаметы выглядят одинаково, их обычно нельзя классифицировать как мужские или женские. Например, у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii существуют так называемые «плюс» и «минус» гаметы. Некоторые типы организмов, такие как многие грибы и инфузория Paramecium aurelia, имеют более двух «полов», называемых типами спаривания. Большинство животных (включая человека) и растений размножаются половым путем. У организмов, размножающихся половым путем, существуют различные наборы генов для каждого признака (называемые аллелями). Потомство наследует по одному аллелю для каждого признака от каждого родителя, таким образом, получая комбинацию генов родителей. Считается, что «маскировка вредных аллелей способствует эволюции доминирующей диплоидной фазы у организмов, чередующих гаплоидную и диплоидную фазы», где рекомбинация происходит свободно. Бриофиты размножаются половым путем, однако более крупные и часто встречающиеся организмы являются гаплоидными и производят гаметы. Гаметы сливаются, образуя зиготу, которая развивается в спорангий, который, в свою очередь, производит гаплоидные споры. Диплоидная стадия относительно мала и кратковременна по сравнению с гаплоидной стадией, то есть наблюдается гаплоидное доминирование. Преимущество диплоидии, гетерозис, проявляется только в диплоидной фазе жизненного цикла. Бриофиты сохраняют половое размножение, несмотря на то, что гаплоидная стадия не получает преимуществ от гетерозиса. Это может указывать на то, что половое размножение имеет преимущества, помимо гетерозиса, такие как генетическая рекомбинация между особями вида, позволяющая экспрессию более широкого спектра признаков и, следовательно, повышающая способность популяции выживать при изменении условий окружающей среды.

Sexual reproduction is a biological process that creates a new organism by combining the genetic material of two organisms in a process that starts with meiosis, a specialized type of cell division. Each of two parent organisms contributes half of the offspring's genetic makeup by creating haploid gametes. Most organisms form two different types of gametes. In these anisogamous species, the two sexes are referred to as male (producing sperm or microspores) and female (producing ova or megaspores). In isogamous species, the gametes are similar or identical in form (isogametes), but may have separable properties and then may be given other different names (see isogamy). Because both gametes look alike, they generally cannot be classified as male or female. For example, in the green alga, Chlamydomonas reinhardtii, there are so called "plus" and "minus" gametes. A few types of organisms, such as many fungi and the ciliate Paramecium aurelia, have more than two "sexes", called mating types. Most animals (including humans) and plants reproduce sexually. Sexually reproducing organisms have different sets of genes for every trait (called alleles). Offspring inherit one allele for each trait from each parent. Thus, offspring have a combination of the parents' genes. It is believed that "the masking of deleterious alleles favors the evolution of a dominant diploid phase in organisms that alternate between haploid and diploid phases" where recombination occurs freely. Bryophytes reproduce sexually, but the larger and commonly seen organisms are haploid and produce gametes. The gametes fuse to form a zygote which develops into a sporangium, which in turn produces haploid spores. The diploid stage is relatively small and short lived compared to the haploid stage, i. e. haploid dominance. The advantage of diploidy, heterosis, only exists in the diploid life generation. Bryophytes retain sexual reproduction despite the fact that the haploid stage does not benefit from heterosis. This may be an indication that the sexual reproduction has advantages other than heterosis, such as genetic recombination between members of the species, allowing the expression of a wider range of traits and thus making the population more able to survive environmental variation.

Аллогамия

Аллогамией называют оплодотворение цветов посредством перекрёстного опыления, которое происходит, когда яйцеклетка цветка оплодотворяется сперматозоидами из пыльцы цветка другого растения. Пыльца может переноситься с помощью опылителей или абиотических факторов, таких как ветер. Оплодотворение начинается, когда пыльца достигает женской гаметы через пыльцевую трубку. Аллогамию также называют перекрёстным оплодотворением, в отличие от автогамии или геитоногамии, которые являются способами самооплодотворения.

Автогамия

Самооплодотворение, также известное как аутогамия, происходит у гермафродитных организмов, когда две гаметы, сливающиеся в процессе оплодотворения, происходят от одного и того же организма, например, у многих сосудистых растений, некоторых фораминифер, некоторых инфузорий, или внутри одного однодомного хвойного растения.

Однополые

В настоящее время научные исследования изучают возможность однополого размножения, которое позволило бы произвести потомство с равным генетическим вкладом от двух самок или двух самцов. Очевидными подходами, активно разрабатываемыми, являются получение спермы из женских клеток и яйцеклеток из мужских клеток. В 2004 году японские ученые, изменив функцию нескольких генов, участвующих в импринтинге, объединили две мышиные яйцеклетки и получили дочерних мышей, а в 2018 году китайские ученые создали 29 самок мышей, используя двух матерей-мышей, но не смогли получить жизнеспособное потомство от двух отцов-мышей. Исследователи отмечают, что применение этих технологий к людям в ближайшем будущем маловероятно.

Стратегии

Существует широкий спектр репродуктивных стратегий, используемых разными видами. Некоторые животные, например, человек и северный буревестник, не достигают половой зрелости в течение многих лет после рождения и даже тогда производят небольшое количество потомства. Другие размножаются быстро, но в обычных условиях большинство потомков не доживает до взрослого возраста. Например, кролик (созревает через 8 месяцев) может производить 10–30 потомков в год, а плодовая мушка (созревает через 10–14 дней) может производить до 900 потомков в год. Эти две основные стратегии известны как K-селекция (небольшое количество потомства) и r-селекция (большое количество потомства). Какая стратегия оказывается предпочтительной в процессе эволюции, зависит от различных обстоятельств. Животные с небольшим количеством потомства могут направлять больше ресурсов на заботу и защиту каждого отдельного детёныша, тем самым снижая необходимость в большом количестве потомства. С другой стороны, животные с большим количеством потомства могут уделять меньше ресурсов каждому отдельному детёнышу; для таких животных часто бывает, что многие детёныши погибают вскоре после рождения, но достаточное количество особей обычно выживает для поддержания популяции. Некоторые организмы, такие как медоносные пчелы и плодовые мушки, сохраняют сперму в процессе, называемом хранением спермы, тем самым увеличивая продолжительность их фертильности.

Другие виды

Полициклические животные размножаются непостоянно на протяжении всей жизни. Семельпаровые организмы размножаются только один раз за жизнь, например, однолетние растения (включая все зерновые культуры), а также некоторые виды лосося, пауков, бамбука и агавы. Часто они умирают вскоре после размножения. Это часто связано с r-стратегами. Итеропарные организмы производят потомство в последовательных (например, годовых или сезонных) циклах, таких как многолетние растения. Итеропарные животные выживают в течение нескольких сезонов (или периодических изменений условий). Это больше связано с K-стратегами.

Асексуальное и половое размножение

Организмы, размножающиеся бесполым путем, как правило, растут в численности экспоненциально. Однако, поскольку они полагаются на мутации для внесения изменений в свою ДНК, все представители вида имеют схожие уязвимости. Организмы, размножающиеся половым путем, производят меньшее количество потомства, но большое разнообразие генов делает их менее восприимчивыми к заболеваниям. Многие организмы способны размножаться как половым, так и бесполым путем. Примерами служат тли, слизевики, морские анемоны, некоторые виды морских звезд (путем фрагментации) и многие растения. Когда факторы окружающей среды благоприятны, бесполое размножение используется для эксплуатации подходящих условий для выживания, таких как обильный запас пищи, надлежащее укрытие, благоприятный климат, устойчивость к болезням, оптимальный pH или подходящая комбинация других факторов, необходимых для жизни. Популяции этих организмов увеличиваются экспоненциально благодаря бесполым стратегиям размножения, чтобы в полной мере использовать богатые ресурсы. Когда источники пищи истощаются, климат становится неблагоприятным или выживание отдельных особей оказывается под угрозой из-за других неблагоприятных изменений в условиях жизни, эти организмы переходят к половому размножению. Половое размножение обеспечивает перемешивание генофонда вида. Вариации, наблюдаемые у потомства при половом размножении, позволяют некоторым особям лучше приспосабливаться к выживанию и обеспечивают механизм селективной адаптации. Стадия мейоза в половом цикле также обеспечивает особенно эффективное восстановление повреждений ДНК (см. Мейоз). Однако вирусы часто не рассматриваются как живые организмы. Представляя собой не более чем фрагмент РНК или ДНК в белковой капсуле, они не обладают метаболизмом и могут размножаться только с помощью метаболического аппарата захваченной клетки. Создание по-настоящему живого организма (например, простой бактерии) без предков было бы гораздо более сложной задачей, но, согласно современным биологическим знаниям, вполне возможно в определенной степени. Синтетический геном был перенесен в существующую бактерию, где он заменил ее собственную ДНК, что привело к искусственному созданию нового организма M. mycoides. В научном сообществе ведутся дискуссии о том, можно ли считать эту клетку полностью синтетической, поскольку химически синтезированный геном был почти точной копией (1:1) природного генома, а клетка-реципиент была природной бактерией. Институт Крейга Вентера использует термин "синтетическая бактериальная клетка", но также уточняет: "мы не рассматриваем это как "создание жизни с нуля", а скорее как создание новой жизни из уже существующей с использованием синтетической ДНК". Вентер планирует запатентовать свои экспериментальные клетки, утверждая, что "они, безусловно, являются человеческими изобретениями". Исследователи, участвовавшие в проекте, заявили, что создание "настоящей синтетической биохимической жизни" относительно близко к достижению с использованием современных технологий и обходится дешевле, чем усилия, необходимые для отправки человека на Луну.

Organisms that reproduce through asexual reproduction tend to grow in number exponentially. However, because they rely on mutation for variations in their DNA, all members of the species have similar vulnerabilities. Organisms that reproduce sexually yield a smaller number of offspring, but the large amount of variation in their genes makes them less susceptible to disease. Many organisms can reproduce sexually as well as asexually. Aphids, slime molds, sea anemones, some species of starfish (by fragmentation), and many plants are examples. When environmental factors are favorable, asexual reproduction is employed to exploit suitable conditions for survival such as an abundant food supply, adequate shelter, favorable climate, disease, optimum pH or a proper mix of other lifestyle requirements. Populations of these organisms increase exponentially via asexual reproductive strategies to take full advantage of the rich supply resources. When food sources have been depleted, the climate becomes hostile, or individual survival is jeopardized by some other adverse change in living conditions, these organisms switch to sexual forms of reproduction. Sexual reproduction ensures a mixing of the gene pool of the species. The variations found in offspring of sexual reproduction allow some individuals to be better suited for survival and provide a mechanism for selective adaptation to occur. The meiosis stage of the sexual cycle also allows especially effective repair of DNA damages (see Meiosis). However, viruses are often regarded as not alive. Being nothing more than a bit of RNA or DNA in a protein capsule, they have no metabolism and can only replicate with the assistance of a hijacked cell's metabolic machinery. The production of a truly living organism (e. g. a simple bacterium) with no ancestors would be a much more complex task, but may well be possible to some degree according to current biological knowledge. A synthetic genome has been transferred into an existing bacterium where it replaced the native DNA, resulting in the artificial production of a new M. mycoides organism. There is some debate within the scientific community over whether this cell can be considered completely synthetic on the grounds that the chemically synthesized genome was an almost 1:1 copy of a naturally occurring genome and, the recipient cell was a naturally occurring bacterium. The Craig Venter Institute maintains the term "synthetic bacterial cell" but they also clarify " we do not consider this to be "creating life from scratch" but rather we are creating new life out of already existing life using synthetic DNA". Venter plans to patent his experimental cells, stating that "they are pretty clearly human inventions". Researchers involved stated that the creation of "true synthetic biochemical life" is relatively close in reach with current technology and cheap compared to the effort needed to place man on the Moon.

Принцип лотереи

Сексуальное размножение имеет много недостатков, поскольку требует значительно больше энергии, чем бесполое, и отвлекает организмы от других видов деятельности, поэтому существует вопрос о том, почему так много видов его используют. Джордж К. Уильямс использовал аналогию с лотерейными билетами в одном из объяснений широкого распространения полового размножения. Он утверждал, что бесполое размножение, которое производит мало или совсем не производит генетического разнообразия у потомства, подобно покупке множества билетов с одинаковым номером, что снижает вероятность "выигрыша" – то есть появления жизнеспособного потомства. По его мнению, половое размножение – это как покупка меньшего количества билетов, но с большим разнообразием номеров и, следовательно, большей вероятностью успеха. Суть этой аналогии в том, что поскольку бесполое размножение не создает генетических вариаций, возможности быстрой адаптации к изменяющейся среде ограничены. В настоящее время принцип лотереи получает меньше поддержки, поскольку есть данные о том, что бесполое размножение более распространено в нестабильных средах, что противоречит предсказаниям этой теории.