Способы размножения организмов

Способность к самовоспроизведению (размножению) является одним из основных характерных свойств живых объектов. Различают два основных типа размножения: половое и бесполое.

Отличие между ними состоит в том, что при половом размножении увеличение численности особей обеспечивается с помощью образования специализированных половых клеток, которые в итоге сливаются друг с другом, а при бесполом размножении этого не происходит.

Половой процесс может существовать и вне связи с размножением – для осуществления обмена генетическим материалом между разными клетками, например у прокариот и инфузорий. Примерами этого является процесс конъюгации у бактерий и инфузорий.

Бесполое размножение может осуществляться различными способами: простым делением, митозом, множественным делением, почкованием, споробразованием и вегетативным способом.

Простым делением размножаются прокариотические клетки – бактерии. Митозом делятся эукариотические одноклеточные организмы (амебы, жгутиконсцы). Множественное деление, в основе которого лежит ряд последовательных митотических делений ядра, представлено в жизненном цикле Споровиков (в частности, малярийного плазмодия)

Почкование, в основе которого тоже лежит митоз, встречается как у одноклеточных организмов (например, дрожжей), так и многоклеточных (например, гидры).

Спорообразование, или спорогенез, характеризуется тем, что из состава материнского организма выделяется специализированная клетка, спора (от греч. спора – семя, посев), которая в дальнейшем становится родоначальницей дочернего организма. Споровое размножение характерно для всех без исключения растений и грибов, а также некоторых одноклеточных животных (тип Споровики). В основе спорообразования может лежать митоз или мейоз.

Спорообразование у растений может представлять собой самостоятельный процесс, при котором споры выселяются в окружающую среду. Такие растения называются споровыми (водоросли, лишайники, папоротникообразные). У семенных растений процесс спорообразования также имеет место, однако у них он включен в процесс семенного размножения. К этой группе относятся ископаемый подкласс семенных папоротников, голосеменные и покрытосеменные (цветковые).

Вегетативное размножение (от лат. вегетативус – растительный) состоит в образовании нового многоклеточного организма не за счет специализированных клеток (спор, половых клеток), а любых других клеток или групп клеток. В основе этой разновидности размножения лежит митоз. Вегетативное размножение свойственно большому количеству многоклеточных организмов.

Оно встречается практически во всех группах растений (размножение с помощью побегов, клубней, корневищ и т. д.) и у грибов. Среди многоклеточных животных вегетативное размножение в форме почкования наблюдается у примитивных организмов — губок и кишечнополостных. В различных группах червей оно встречается лишь эпизодически, а у более высокоорганизованных животных отсутствует вовсе.

В качестве самостоятельного способа бесполого размножения выделяют фрагментацию (от лат. фрагментум — осколок, обрывок) - процесс, сопровождающийся регенерацией (от лат. регенерацио – восстановление, возобновление), т. е. восстановлением утраченных частей организма. Например, если у морской звезды удалить один луч вместе с участком центрального диска, то из него в дальнейшем вырастет полноценный организм; аналогичным образом оба фрагмента разрезанного пополам дождевого червя дают начало самостоятельным особям. Однако самопроизводная фрагментация встречается редко, например у плесневых грибов и некоторых морских кольчатых червей.

Половое размножение характеризуется тем, что в нем размножение особей совмещено с половым процессом. В основе полового процесса лежит процесс образования двух половых клеток, имеющих одинарные гаплоидные наборы хромосом, и их слияния - оплодотворения с образованием зиготы (от греч. зиготе – соединенная в пару), клетки с двойным диплоидным набором хромосом, которая и становится родоначальницей нового организма.

Поскольку гаметы в большинстве случаев происходят от разных родительских организмов, оплодотворение – обязательное условие последующей перекомбинации генетического материала. Этим и обеспечивается комбинативная изменчивость организмов.

Своеобразной модификацией полового размножения является партеногенез (от греч. партенос - девственница) — развитие из неоплодотворенного яйца. Данная форма размножения характерна главным образом для видов, обладающих коротким жизненным циклом с выраженными сезонными изменениями.

Так, у мелких ракообразных (циклопы, дафнии и др.) в течение одного летнего сезона может смениться несколько партеногенетических поколений, а полноценное половое размножение происходит только один раз в году, после чего покрытые плотной оболочкой оплодотворенные яйца оседают на дно водоема, где сохраняются во время зимы. Партеногенез встречается также у паразитических червей (сосальщиков), общественных насекомых (самцы-трутни у пчел), пресмыкающихся (некоторые ящерицы).

Развитие из неоплодотворенного яйца может происходить при активации яйцеклетки сперматозоидами других видов животных. В таких случаях размножение называют гиногенезом (от греч. гине – женщина).

В некоторых группах животного мира известны случаи вторичного возникновения бесполого размножения на основе полового процесса. Примером этого является полиэмбриония (от греч. эмбрион – зародыш), при которой первые, митотические деления зиготы сопровождаются разобщением образующихся клеток, из которых параллельно развиваются два (или более) организма – однояйцевые близнецы. Для ряда животных полиэмбриония представляет собой обязательную часть жизненного цикла.

Это характерно, например, для некоторых плоских червей (эхинококк), а также насекомых (наездники) и примитивных млекопитающих из семейства броненосцев (Южная и Центральная Америка).

Клетки однояйцевых близнецов содержат идентичную генетическую информации, поэтому такие близнецы всегда бывают одного и того же пола, имеют одинаковые группы крови и обладают наибольшим внешним сходством.

Для человека образование однояйцевых близнецов является редким событием – нарушением нормального формирования, который правильнее назвать вариантом развития зародыша.

У организмов, обладающих половым процессом, в жизненном цикле на какой-либо стадии, предшествующей оплодотворению, обязательно происходит мейоз (от греч. мейозис - уменьшение, убывание), что также играет важную роль в возникновении комбинативной изменчивости. У животных, за редкими исключениями, мейоз является составной частью процесса образования половых клеток, а у растений и грибов он происходит на другой стадии жизненного цикла — в процессе спорогенеза.

Типичный мейоз: происходит уменьшение (редукция) числа наборов хромосом в два раза и одна диплоидная (от греч. диплоос – двойной) клетка, имеющая два набора хромосом, после двух следующих друг за другом делений дает начало четырем гаплоидным (от греч. гаплоос – одиочный) клеткам, содержащим по одному набору хромосом.

Различают три типа мейоза (в зависимости от его места в жизненном цикле). Зиготный (ЗИГОТИЧЕСКИЙ) или начальный, мейоз (у многих грибов и водорослей, а также некоторых одноклеточных животных) происходит сразу после оплодотворения и приводит к образованию гаплоидного организма-клетки. Гаметный (ГАМЕТИЧЕСКИЙ) мейоз (у всех многоклеточных животных и ряда низших растений и одноклеточных животных) приводит к образованию гамет. Споровый мейоз (у высших растений) происходит перед цветением и приводит к образованию гаплоидного гаметофита (растения полового поколения), в котором позднее образуются гаметы. Длительность мейоза составляет у высших растений около 10 суток, а у человека более 3-х недель.

Перед мейозом клетка находится на стадии интерфазы, которая не имеет принципиальных отличий от интерфазы митоза, центральным событием которой является репликация ДНК (удвоение ее генетического материала). В результате этого после завершения интерфазы каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид. После интерфазы наступает собственно мейоз, состоящий из двух последовательных делений, в каждом из которых выделяют стадии профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

Профаза I (профаза первого деления) характеризуется формированием веретена деления и конъюгацией гомологичных хромосом (от лат. конъюгацио – соединение; от греч. гомология – согласие, однотипность) – попарное объединение одинаковых хромосом из двух имеющихся наборов. На этой стадии гомологичные хромосомы благодаря конъюгации обмениваются своими участками. Такой процесс обмена называют кроссинговером (от англ. crossing over – перекрест); он играет важную роль в возникновении комбинативной изменчивости.

Профаза I является наиболее длительной (до 22 дней у человека) и сложной и подразделяется на пять стадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.

Лептотена (от греч. лептос – узкий, легкий и тенон – сухожилие), или стадия тонких нитей, характеризуется слабой спирализацией хромосом.

Зиготена (от греч. зигон – пара), или стадия спаренных нитей,- стадия конъюгации гомологичных хромосом, в которой они продольно соединяются друг с другом специальным белковым комплексом.

Пахитена (от греч. пахис – толстый), или стадия толстых нитей, характеризуется усилением компактизации хромосом, образующих биваленты (пары), число которых равно гаплоидному числу хромосом. При этом четко видно, что каждая хромосома в биваленте состоит из двух сестринских хроматид. Именно во время пахитены гомологичные хромосомы обмениваются участками - происходит кроссинговер.

Диплотена (от греч. диплоос – двойной), или стадия раздвоившихся нитей, - это стадия, на которой гомологичные хромосомы начинают отталкиваться друг от друга, но еще остаются объединенными. Обычно в двух-трех районах каждого бивалента видны хиазмы (от греч. хиазма – структура в виде греческой буквы Х – хи) - перекресты хроматид, образующиеся в результате кроссинговера.

На стадии диакинеза (от от греч. диа – пере-, через и кинема – движение) гомологичные хромосомы еще соединены хиазмами, которые переместились на концы хромосом. Хромосомы на этой стадии максимально утолщены и укорочены.

Метафаза I – это стадия, на которой пары гомологичных хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид, расположены на экваторе веретена деления. При этом одна гомологичная хромосома соединена микротрубочками с одним полюсом веретена, а вторая – с другим. Важным моментом этой стадии является независимая взаимная ориентация разных, негомологичных пар хромосом, которая обеспечивает комбинативную изменчивость.

Анафаза I характеризуется расхождением гомологичных хромосом - их движением по “своим” микротрубочкам к разным полюсам веретена деления (ср. с анафазой митоза). В результате к каждому полюсу направляется только одна из двух гомологичных хромосом – у полюсов оказываются по одинарному, гаплоидному набору хромосом.

Телофаза I завершается формированием двух гаплоидных клеток, которые приступают ко второму делению.

Второе мейотическое деление по своим механизмам не отличается от митоза (ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ОБЫЧНЫЙ МИТОЗ ГАПЛОИДНЫХ КЛЕТОК) и состоит из профазы II, метафазы II, анафазы II и телофазы II. Перед этим делением не происходит синтеза ДНК, так как каждая хромосома уже содержит по две сестринских хроматиды. (ИНТЕРКИНЕЗ ВМЕСТО ИНТЕРФАЗЫ). Именно они расходятся к разным полюсам веретена в анафазе II, что обеспечивает сохранение числа хромосом – в результате второго деления образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом каждая.

Таким образом, первое деление мейоза отличается от типичного митоза, а второе – это митоз в клетках с гаплоидным набором хромосом.

Мейоз имеет двоякий биологический смысл. С одной стороны, он обеспечивает переход клеток от диплоидного к гаплоидному состоянию, обеспечивая постоянство числа хромосом у организмов с половым размножением. Это реализуется путем мейотического образования половых клеток или спор.

С другой стороны, благодаря конъюгации хромосом и кроссинговеру в профазе первого деления, а также независимому поведению разных пар гомологичных хромосом в метафазе I, обеспечивается высокий уровень генетической комбинативной изменчивости, который необходим для процесса эволюции каждого вида организмов.