Размножение, или самовоспроизведение, – одна из важнейших характеристик органической природы. Размножение – свойство, присущее всем без исключения живым организмам – от бактерий до млекопитающих. Существование любого вида животных и растений, бактерий и грибов, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению. Тесно связано с самовоспроизведением и другое свойство живых организмов – развитие. Оно также присуще всему живому на земле: и мельчайшим одноклеточным организмам, и многоклеточным растениям и животным.
Существует два типа размножения бесполое и половое.
Бесполое размножение осуществляется при участии лишь одной родительской особи. Особи дочернего поколения возникают из одной или группы клеток материнского организма. Наиболее широко бесполое размножение распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречается и у различных видов животных. Основными формами бесполого размножения являются деление, спорообразование, почкование, фрагментация и вегетативное размножение.
У одноклеточных животных и растений в благоприятных условиях существования размножение осуществляется путем простого или множественного деления. При этом ядро один или несколько раз делится митозом с образованием двух или большего числа дочерних ядер, каждое из которых окружается цитоплазмой и формирует самостоятельный организм.
У многих растений (водоросли, мхи, папоротники), грибов и некоторых одноклеточных животных на определенной стадии жизненного цикла образуются споры – мелкие гаплоидные клетки, покрытые плотной оболочкой и устойчивые к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Большинство спор неподвижны и расселяются во внешней среде пассивно. Некоторые водоросли и грибы образуют подвижные зооспоры. Споры служат не только для размножения, но и для расселения и переживания неблагоприятных условий. При возникновении благоприятных условий споры прорастают, давая начало новому организму. Бесполое размножение, осуществляемое с помощью спор, называют спорообразованием.
Перечисленные способы бесполого размножения характеризуются тем, что новый организм образуется за счет деления одной клетки родительской особи. В тех случаях, когда формирование нового организма осуществляется из группы клеток материнского организма, говорят о вегетативном размножении. Особенно широко вегетативное размножение распространено среди растений, у которых оно происходит за счет частей вегетативных органов или специально предназначенных для этой цели структур — луковиц, корневищ, клубней и др.
Различают также почкование и фрагментацию. У некоторых грибов и животных от родительской особи отделяется небольшой участок тела — почка, из которой впоследствии развивается новый организм. У морских гидроидных и коралловых полипов многократно почкующиеся особи не отделяются от материнского организма, формируя колонии.
Фрагментацией называют разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых растет и достраивает новый организм. Основу фрагментации составляет способность организмов к регенерации, т.е. восстановлению утраченных частей. Некоторые виды животных способны восстанавливать целый организм из незначительных фрагментов тела. Так, морские звезды восстанавливают целый организм из одного луча, а пресноводная гидра — из1/200 своего тела.
Итак, бесполое размножение обеспечивает воспроизведение большого количества генетически идентичных особей. Поскольку основным клеточным механизмом бесполого размножения является митоз, особи дочернего поколения оказываются точными копиями родительского организма. Бесполое размножение более выгодно для организмов, обитающих в относительно постоянных условиях. Оно является более древней формой размножения, возникшей в процессе развития жизни раньше полового.
Митоз
Митоз - это деление соматических клеток, при котором из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом получаются две дочерние с диплоидным набором хромосом.
Перед митозом происходит интерфаза – это стадия подготовки клетки к делению. В ней идет синтез белков, АТФ, ДНК. За счет синтеза ДНК хромосома удваивается. Она состоит из двух сестринских хроматид. Хромосомы в виде тонких длинных нитей (рис. 26).
Профаза.
1. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Между ними образуется веретено деления;
2. Ядерная оболочка и ядрышки растворяются;
3. Хромосомы укорачиваются и утолщаются за счет спирализации в них ДНК;
4. Хромосомы свободно располагаются в цитоплазме клетки.
Метафаза
Хромосомы четко выстраиваются по экватору. От каждой центромеры хромосомы прорастают по 2 нити веретена деления к центриолям.
Анафаза
Нити веретена деления натягиваются. Центромера делится пополам. Половинки хромосом отходят к полюсам клетки. В последствии эти половинки станут самостоятельными хромосомами.
Телофаза
1. Клетка делится пополам;
2. Образуются ядрышки и ядерная оболочка;
3. ДНК-деспирализуются, хромосомы приобретают форму длинных нитей. Возникают из одной материнской клетки две дочерние.
Митоз сохраняет постоянство набора хромосом в соматической клетке.
Рис. 26. Митоз в типичной животной клетке
Половое размножение
Половое размножение появилось более 3 млрд. лет назад и встречается во всех крупных группах ныне существующих организмов. Сущность полового размножения заключается в объединении генетической информации от двух особей одного вида – родителей – в наследственном материале потомка. Наследственный материал каждой дочерней особи представляет собой уникальную комбинацию генетической информации родителей. Образующиеся в процессе полового размножения организмы отличаются друг от друга по генотипу, признакам, свойствам, характеру приспособленности к условиям обитания.
Таким образом, биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении особей, но и в обеспечении биологического разнообразия видов, их адаптивных возможностей и эволюционных перспектив. Это позволяет считать половое размножение биологически более прогрессивным, чем бесполое.
Половое размножение осуществляется с помощью специализированных половых клеток – гамет. Женские гаметы называют яйцеклетками, мужские – сперматозоидами. Гаметы отличаются от соматических клеток прежде всего вдвое меньшим числом хромосом, а также низким уровнем обменных процессов.
Рис.27. Строение сперматозоида, яйцеклетки
Яйцеклетки - относительно крупные неподвижные клетки, обычно округлой формы; в цитоплазме помимо типичных органоидов содержатся включения запасных питательных веществ в виде желтка.
Сперматозоиды - обычно очень мелкие клетки. У разных организмов они неодинаковой формы, но большинство из них имеет головку, шейку и хвост. Головка содержит ядро и очень небольшое количество цитоплазмы. На переднем конце головки располагается акросома – видоизмененный комплекс Гольджи, который содержит фермент для растворения оболочки яйцеклетки при оплодотворении. В шейке находятся многочисленные митохондрии и две центриоли. От шейки отрастает хвост, образованный микротрубочками и обеспечивающий подвижность сперматозоидов (рис. 27).
Мейоз
Мейоз - это деление половых клеток на стадии созревания, при котором из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом получается 4 с гаплоидным набором хромосом (рис. 28). В мейоз входят 2 деления: уменьшительное и уравнительное. Перед мейозом есть интерфаза. В ней идет синтез ДНК, удвоение хромосом, синтез АТФ. Хромосомы в виде тонких длинных нитей.
Уменьшительное деление
Профаза I. В ней идут процессы похожие на процессы в профазе митоза. Центриоли расходятся к полюсам клетки; ядрышки и ядерная оболочка растворяются; идет спирализация ДНК, хромосомы по мере прохождения профазы укорачиваются и утолщаются. Но есть и существенные отличия. В начале профазы хромосомы в виде тонких длинных нитей, каждая из них состоит из двух хроматид, т.к. они удвоились ещё в интерфазе, но спирализация ДНК в хромосомах только началась. Затем гомологичные хромосомы начинают сближаться и соединяться друг с другом по всей длине хромосомы. Этот процесс носит название конъюгация. После сближения гомологичные хромосомы начинают перекручиваться относительно друг друга, между ними начинается обмен участками – генами, т.е. они обмениваются наследственной информацией. Затем гомологичные хромосомы начинают отталкиваться друг от друга центромерами, но остаются соединенными в местах их обмена. Процесс отталкивания центромерами продолжается и места, соединяющие 2 хромосомами сползают к их конкам, образуется комплекс из 2-х хромосом.
Метафаза I. Эти комплексы хромосом выстраиваются по экватору клети. От каждой центромеры прорастает по одной нити к центриолям (рис. 29).
Анафаза I. Нити веретена деления натягиваются и сокращаются, места, соединяющие гомологичные хромосомы рвутся, и целые хромосомы отходят к полюсам клетки.
Телофаза I. Клетка делится пополам. Образуются ядрышки и ядерная оболочка. В результате уменьшительного деления мейоза из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом получилось 2 дочерние с гаплоидным набором хромосом, т.к. к полюсам клетки отошли не половинки хромосом, а целые хромосомы.
Уравнительное деление II проходит точно по типу митоза. Полученные в результате уменьшительного деления клетки вступают в это деление практически без интерфазы. Синтез ДНК и удвоение хромосом не происходит.
Профаза II. Центриоли расходятся по полюсам, формируются веретена деления клетки, растворяются ядрышки и ядерная оболочка. Хромосомы свободно лежат в цитоплазме.
Метафаза II. Хромосомы располагаются по экватору. От каждой центромеры хромосомы прорастает по две нити веретена деления.
Анафаза II. Нити веретена деления сокращаются, центромера делится пополам и половинки хромосом отходят к полюсам клетки.
Телофаза II. Цитоплазма клетки делится пополам. Возникают ядрышко и ядерная оболочка. Идет деспирализация ДНК, хромосомы удлиняются и становятся в виде тонких длинных нитей. Из двух клеток с гаплоидным набором хромосом образуется 4 с гаплоидным набором хромосом.
Биологическая сущность мейоза состоит в том, что происходит уменьшение числа хромосом, возникают гаметы (половые клетки) с гаплоидным набором хромосом.
Рис 29. Схема процесса мейоза
Оплодотворение
Процесс слияния сперматозоида и яйцеклетки, сопровождающейся объединением геномов отцовского и материнского организмов и завершающийся образованием зиготы.
У человека процесс оплодотворения происходит в маточной трубе, куда после овуляции попадают яйцеклетка и многочисленные сперматозоиды. При контакте с яйцеклеткой сперматозоиды выделяют ферменты, разрушающие ее оболочки и обеспечивающие проникновение спермия внутрь. После проникновения сперматозоида яйцеклетка формирует на поверхности толстую непроницаемую оболочку оплодотворения, препятствующую полиспермии.
Сущность оплодотворения заключается в объединении гаплоидных геномов отцовского и материнского организмов и формировании уникальной комбинации генов в генотипе зиготы потомка (рис. 30).
Рис. 30. Схема оплодотворения:
А – слияние сперматозоида с яйцеклеткой;
Б – ядро сперматозоида в цитоплазме зиготы;
1 – женское ядро, 2 – сперматозоид, 3 – воспринимающий бугорок,
4 – центриоль, 5 – мужское ядро;
В – первое деление зиготы
Индивидуальное развитие организмов
Онтогенез - индивидуальное развитие организма от образования, зиготы до смерти. Онтогенез делится на 2 этапа: эмбриональное развитие и постэмбриональное развитие.
Эмбриональное развитие начинается с образования зиготы и заканчивается моментом рождения (на примере ланцетника). Он делится на стадии: 1. дробления или бластулы; 2. образование зародышевых листков или гаструлы и 3. образование осевых органов и мезодермы.
1. Дробление – зигота делятся в продольном направлении на две одинаковые по величине клетки, называемые бластомерами. Каждый из этих бластомеров делится в продольном направлении и образуется 4 клетки. Эти клетки делятся в поперечном направлении, в результате этого возникает 8 клеток. Дробление продолжается, что приводит к образованию 16, 32, 64, до 1000. Увеличение клетки при этом не происходит. Клетки передвигаются на периферию и образуется однослойный зародыш – бластула.
2. Гаструла – бластомеры выпячиваются внутрь и образуется двухслойный зародыш или гаструла (рис. 31).
Рис. 31. Гаструляция у ланцетника:
А – бластула, Б, В, Г – гаструляция;
1 – эктодерма, 2 – энтодерма
3. Образование осевых органов и мезодермы. Клетки эктодермы делятся и возникает нервная пластинка. Она опускается под эктодерму, растёт, образуя желобок. Размножение клеток идет далее, образуется нервная трубка. Она тянется вдоль тела от переднего конца к заднему. Из энтодермы обособляется хорда. Из эктодермы формируется третий зародышевый листок – мезодерма. Энтодерма сворачивается и образуется кишечная трубка.
Нервная трубка, хорда, кишечная трубка – это осевые органы. Нервная трубка дает начало Ц.H.C., хорда – позвоночнику, из выростов кишечной трубки развивается желудок, печень и другие органы пищеварения. Из мезодермы формируются хрящевые и костные элементы скелета, мускулатура, кровеносная, выделительная и половая системы (рис. 32).
Постэмбриональное развитие - это период с момента рождения до смерти. Различают 2 вида постэмбрионального развития: прямое, когда рождающийся организм сходен со взрослым (пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие), непрямое, когда эмбриональное развитие приводит к образованию личинки, которая, отличается от взрослого организма (насекомые, земноводные). Может свободно жить и питаться. Эволюционно выше стоит онтогенез человека, т.к. в организме матери образуется плацента.