1. В чём преимущество полового размножения перед бесполым?
Ответ. При половом размножении, которое осуществляется путем слияния двух половых клеток гамет, происходит обмен генетической информацией родителей. В результате появляется разнообразное по своим признакам потомство, которое может превосходить родителей по жизнеспособности, в том числе при изменении условий среды.
2. Приведите примеры организмов, которые размножаются в основном бесполым путём.
Ответ. При бесполом размножении новый организм может возникнуть из одной или нескольких неполовых (соматических) клеток материнской особи.
Прокариотические клетки размножаются делением надвое. Многие простейшие (амеба, эвглена зеленая и др.), одноклеточные водоросли (хламидомонада) размножаются путем обычного митотического деления клетки. Другим одноклеточным и некоторым низшим грибам, водорослям (хлорелла), животным (малярийный плазмодий) - свойственно спорообразование. Оно заключается в том, что клетка распадается на большое количество особей, равное количеству ядер, заранее образованных в родительской клетке в результате многократного деления ее ядра.
Вопросы после § 32
1. В чём отличие конъюгации от копуляции?
Ответ. Если речь идет о способах полового размножения, то:
при копуляции две одноклеточные особи сливаются (происходит объединение генетической информации обоих родителей, а затем делятся путем мейоза (происходит увеличение числа особей, которые получили генетическую информацию от обоих родителей) .
при конъюгации – происходит обмен генетической информацией без увеличения количества особей. Различают следующие основные формы конъюгации: изогамия, анизогамия и оогамия.
При изогамии образуются подвижные, морфологически одинаковые гаметы. Изогамия встречается у многих водорослей.
При гетерогамии формируются подвижные, различающиеся морфологически и физиологически гаметы. Такой тип полового процесса характерен для многих водорослей.
В случае оогамии гаметы сильно отличаются друг от друга. Женская гамета - крупная неподвижная яйцеклетка, содержащая большой запас питательных веществ. Мужские гаметы - сперматозоиды - - мелкие, чаще всего подвижные клетки, которые перемещаются с помощью одного или нескольких жгутиков. Оогамия характерна для животных, высших растений и многих грибов.
2. Где формируются яйцеклетки?
Ответ. Яйцеклетка - женская гамета животных, высших растений, а также многих водорослей и одноклеточных, которым свойственна оогамия. У животных яйцеклетки формируются в женских половых железах – яичниках, у голосеменных и покрытосеменных растений в семязачатках, мхов и папоротников в архегониях
3. Для чего нужна акросома сперматозоида?
Ответ. При оплодотворении в момент соприкосновения сперматозоида с яйцом содержащиеся в акросоме ферменты высвобождаются и растворяют яйцевые оболочки, обеспечивая проникновение сперматозоида в яйцеклетку.
При бесполом размножении наследственные особенности в ряду поколений передаются без изменений. Генотип потомков в этом случае может изменяться лишь за счет случайных мутаций. Изменчивость таких организмов обычно незначительна.
Преимущество полового размножения по сравнению с бесполым заключается в том, что в диплоидной зиготе объединяются гаплоидные наборы хромосом разных клонов организмов, а, кроме того, при последующем образовании гамет происходит обмен гомологичными участками хромосом между гомологичными хромосомами исходных гаплоидных наборов ( кроссинговер). Таким образом, особи, возникшие при половом размножении, имеют новые, различающиеся между собой генотипы. При этом достигается перекомбинация наследственных свойств родителей, что увеличивает изменчивость и дает более богатый материал для естественного отбора. Приспособительные возможности и скорость эволюции организмов, размножающихся половым путем, оказывается, таким образом, существенно выше.
Вопрос 1. В чем преимущество полового размножения перед бесполым?
Половое размножение имеет очень большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. В результате повышаются возможности организмов в приспособлении к условиям окружающей среды. Половой процесс заключается в слиянии двух клеток – гамет. Формированию гамет предшествует особая форма деления – мейоз, который приводит к уменьшению количества хромосом вдвое.
Вопрос 3. Как устроен сперматозоид?
Сперматозоиды очень малы и подвижны. У млекопитающих сперматозоид состоит из головки (ее длина около 5-10 мкм), шейки и хвостика (их общая длина примерно 60 мкм). В головке расположено ядро, содержащее гаплоидный набор хромосом. Цитоплазмы в головке очень мало. В шейке находится небольшое число митохондрий, вырабатывающих энергию для движения сперматозоида, и центриоль, обеспечивающая колебания жгутика, лежащего вдоль оси хвостика.
Вопрос 4. Из каких стадий состоит мейоз?
Мейоз состоит из 2-х последовательных делений:
I деление называется редукционное или уменьшительное.
II деление называется эквационное или уравнительное, т.е. идет по типу митоза (значит число хромосом в материнской и дочерних клетках остается прежним).
Фазы называются также как и в митозе, а перед началом мейоза клетка также проходит интерфазу.
Профаза I – самая продолжительная фаза и ее условно делят на 5 стадий:
1) Лептонема,
2) Зигонема (зиготена, греч. сливающиеся нити) - стадия парных нитей;
3) Пахинема (пахитена, греч. толстая) – стадия толстых нитей; Идет дальнейшая спирализация хромосом;
4) Диплонема (диплотена)– стадия двойных нитей;
5) Диакинез – стадия обособленных двойных нитей. На этой стадии хромосомы полностью уплотнены и интенсивно окрашиваются.
Хромосомный набор профазы I составляет - 2п4с.
Таким образом, В профазу I происходит:
1. конъюгация гомологичных хромосом;
2. образование бивалентов или тетрад;
3. кроссинговер.
Метафаза I – спирализация хромосом достигает максимума. Биваленты выстраиваются вдоль экватора клетки, образуя метафазную пластинку. Хромосомный набор метафазы I составляет - 2п4с.
Анафаза I –к полюсам клетки расходятся целые хромосомы, а не хроматиды. В дочерние клетки попадает только по одной из пары гомологичных хромосом, т.е. идет их случайное перераспреде-ление. На каждом полюсе, оказывается, по набору хромосом - 1п2с, а в целом хромосомный набор анафазы I составляет - 2п4с.
Телофаза I – по полюсам клетки находится целые хромосомы, состоящие из 2-х хроматид, но количество их стало в 2 раза меньше.
У животных и некоторых растений хроматиды деспирализуются. Вокруг них на каждом полюсе формируется ядерная мембрана. Затем идет цитокинез.
Хромосомный набор образовавшихся после первого деления клеток составляет - п2с. Между I и II делениями нет S-периода и не идет репликация ДНК, т.к. хромосомы уже удвоены и состоят из сестринских хроматид, поэтому интерфазу II называют интеркинезом – т.е. происходит перемещение между двумя делениями.
Профаза II – очень короткая и идет без особых изменений, если в телофазу I не образуется ядерная оболочка, то сразу образуются нити веретена деления.
Метафаза II – хромосомы выстраиваются вдоль экватора. Нити веретена деления крепятся к центромерам хромосом.
Хромосомный набор метафазы II составляет - п2с.
Анафаза II – центромеры делятся и нити веретена деления разводят хроматиды к разным полюсам. Сестринские хроматиды называются дочерними хромосомами(или материнские хроматиды это и будут дочерние хромосомы).
Хромосомный набор анафазы II составляет - 2п2с.
Телофаза II – хромосомы деспирализуются, растягиваются и после этого плохо различимы. Образуются ядерные оболочки, ядрышки. Телофаза II завершается цитокинезом.
Хромосомный набор после телофазы II составляет – nс.
Вопрос 5. Сколько клеток из одной образуется при мейозе? Сколько в них хромосом?
При мейозе из одной материнской клетки образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом. У мужских особей все четыре клетки созревают в сперматозоиды. В женской особи из образовавшихся четырех клеток лишь одна становится полноценной яйцеклеткой, а остальные четыре - придаточные клетки. При слиянии гаплоидных яйцеклетки и сперматозоида в оплодотворенной клетке восстанавливается диплоидный набор хромосом.
Сущность полового размножения заключается в создании новых генетических комбинаций. В наиболее типичных случаях самец и самка спариваются и производят особей, генотипы которых не идентичны ни генотипу отца, ни генотипу матери У некоторых животных новые генотипы могут создаваться в результате процессов иного рода У таких простейших, как парамеции, происходит аутогамия, при которой одна особь создает новый гомозиготный генотип. Другие формы, в том числе некоторые плоские черви и моллюски, гермафродитны, т.е. имеют одновременно как мужские (производящие сперму), так и женские (производящие яйца) половые железы. Существуют гермафродитные формы, способные к самооплодотворению.
Не всякое размножение является половым (т. е создает новые генотипы). Например, парамеции способны делиться надвое с образованием двух новых дочерних организмов, генетически идентичных исходной особи Гидроидные полипы (одна из групп кишечнополостных) могут производить идентичных себе новых особей в результате процесса почкования При этом в одной зоне почкования может образоваться несколько новых организмов. Другие животные, в том числе многие насекомые и некоторые рыбы, способны к партеногенетическому размножению, при котором потомство развивается из неоплодотворенных яиц
Огромное большинство животных, особенно форм, возникших сравнительно недавно, размножается половым путем, т. е. путем слияния мужских и женских гамет. Теоретики расходятся во мнениях относительно причин такого преобладания полового процесса. Поскольку половое размножение требует известных затрат, оно, очевидно, должно давать какие-то существенные преимущества. Для объяснения выдвигались следующие главные причины:
1) эволюционное преимущество для популяций, способных изменяться быстрее других благодаря половому размножению;
2) эволюционное преимущество, связанное с тем, что такой способ размножения облегчает видообразование (возникновение новых видов);
3) то, что отдельные родительские особи могут создавать разнообразие в своем ближайшем потомстве, облегчая ему адаптацию к непредсказуемым изменениям среды.
При половом размножении в результате слияния гамет образуется оплодотворенная яйцеклетка - зигота, несущая наследственные задатки обоих родителей, благодаря чему резко увеличивается наследственная изменчивость потомков. В этом заключается преимущество полового размножения перед бесполым. Т.е. при наличии генетической рекомбинации родительские особи производят потомков, которые будут отличаться от них самым непредсказуемым образом, причем среди новых случайных сочетаний генов по крайней мере половина может оказаться хуже родительского генотипа, однако перетасовка генов в процессе полового размножения способствует выживанию вида при изменении условий среды. Если родительская особь производит много потомков с самыми разнообразными комбинациями генов, имеется больше шансов на то, что хотя бы один потомок окажется хорошо приспособленным для будущих жизненных обстоятельств, какими бы они ни были.
При наличии генетической рекомбинации родительские особи производят потомков, которые будут отличаться от них самым непредсказуемым образом, причем среди новых случайных сочетаний генов по крайней мере половина может оказаться хуже родительского генотипа, однако перетасовка генов в процессе полового размножения способствует выживанию вида при изменении условий среды. Если родительская особь производит много потомков с самыми разнообразными комбинациями генов, имеется больше шансов на то, что хотя бы один потомок окажется хорошо приспособленным для будущих жизненных обстоятельств, какими бы они ни были.
Для объяснения преимуществ полового размножения в борьбе за существование было предложено много гипотез. Одна из них дает представление о том, какими могли быть первые этапы эволюции полового размножения. Ход эволюции в значительной мере зависит от мутаций, которые изменяют существующие гены, образуя вместо них новые аллели (варианты) этих генов. Предположим, что у двух особей в некоторой популяции возникли благоприятные мутации, затрагивающие некоторые генетические локусы, а значит, и разные функции. У бесполого вида каждая из этих особей даст начало клону мутантных потомков, и два новых клона будут конкурировать до тех пор, пока один из них не одержит верх. Один из благоприятных аллелей, появившихся благодаря мутациям, будет, таким образом, распространяться, тогда как другой в конце концов исчезнет. Теперь представим себе, что один из исходных мутантов обладает генетически обусловленной особенностью, позволяющей ему время от времени включать в свой геном гены из других клонов. В условиях борьбы за существование приобретение генов у клеток конкурирующего клона равносильно созданию клетки, несущей все благоприятные мутации. Такая клетка будет обладать наибольшей приспособленностью, и полученные ею преимущества обеспечат распространение в популяции особенности, позволяющей включать в свой геном гены других клеток. Естественный отбор будет благоприятствовать такому примитивному половому размножению.
Сперматозоиды - одни из главных действующих лиц полового размножения
Дрожжи помогли учёным показать, что межпопуляционное скрещивание ведёт к
большей экологической приспособляемости вида.
Выживание вида связано с накоплением генетических изменений, которые помогают
организму существовать в определённой среде обитания. Считается, что половое
размножение, в результате которого повышается генетическая изменчивость,
способствует быстрейшей эволюции вида. Но в случае полового размножения
потомство берёт себе гены двух разных особей. Представим, что мать и отец пришли
из разных популяций; гены матери позволяют ей выжить при одних условиях, а гены
отца «заточены» под другие. Потомство в этом случае окажется не приспособленным
ни к тем, ни к другим: гены ослабят друг друга и не смогут адекватно работать
вообще ни в каких условиях. Получается, что половое размножение не способствует
выживанию вида?
Исследователи из Университета Окленда (Новая Зеландия) поставили эксперимент, который должен был прямо ответить на вопрос, помогает ли межпопуляционное скрещивание эволюции или тормозит её. Учёные использовали дрожжи, которые могут размножаться как бесполым, так и половым путём. Первую культуру выращивали при одних условиях, вторую - при иных. В какой-то момент у дрожжей включали механизм полового размножения и давали возможность грибам из разных популяций найти друг друга.
В статье, опубликованной в журнале Ecology Letters, авторы пишут, что потомство, полученное в результате полового размножения, быстрее приспосабливалось к среде. Если родители были из разных популяций, то их дети чувствовали себя одинаково хорошо как в «материнских», так и в «отцовских» экологических условиях. То есть половое размножение не только не мешает, но ещё и стимулирует эволюцию вида, особенно когда встречаются особи из разных популяций.
На самом деле результаты эксперимента подтверждают одну альтернативную, но относительно малоизвестную гипотезу, согласно которой гены, «заточенные» под одни условия, не обязательно мешают жить в других. Гены для разных сред обитания не вступают в конфронтацию, а мирно сосуществуют в одном геноме, включаясь и выключаясь по мере надобности.
Раньше биологам-эволюционистам приходилось выдумывать хитроумные уловки, которые должны были мешать особям из разных популяций скрещиваться друг с другом и тем самым ослаблять эволюционные позиции вида. И хотя, как уже было сказано, существовала альтернативная гипотеза, необходимо было экспериментальное подтверждение, чтобы поднять её над всеми остальными. При подготовке статьи использовалась информация компьюленты .
Вопрос 1. Каковы преимущества полового размножения перед бесполым?
При бесполом размножении участвует только одна родительская особь, которая делится, почкуется или образует споры. При бесполом размножении организм возникает из соматических клеток и источником изменчивости могут быть случайные мутации.
В случае полового размножения особи нового поколения появляются при участии двух организмов: материнского и отцовского. Новый организм возникает из специализированных половых клеток или особей выполняющих эти функции.
Преимущество полового размножения (эволюционно оно появилось позднее бесполого) состоит в перекомбинации наследственных признаков обоих родителей, что является источником изменчивости. Потомство более жизнеспособное и приспособленное к условиям существования. Быстрее происходит эволюция.
Вопрос 2. Объясните, какое биологическое значение имеет наличие у сперматозоида и яйцеклетки половинного набора хромосом.
При половом размножении материнским и отцовским организмами вырабатываются специализированные поле вые клетки - гаметы. Женские неподвижные гаметы называют яйцеклетками, мужские неподвижные - спермиями а подвижные - сперматозоидами. Эти половые клетки сливаются с образованием зиготы, то есть происходит оплодотворение. Половые клетки, как правило, имеют половинный набор хромосом (гаплоидный), так что при их слиянии восстанавливается двойной (диплоидный) набор, из зиготы развивается новая особь.
Таким образом, половое размножение имеет очень большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. В результате повышаются возможности организмов в приспособлении к условиям окружающей среды. Половой процесс заключается в слиянии двух клеток – гамет. Формированию гамет предшествует особая форма деления – мейоз, который приводит к уменьшению количества хромосом вдвое.
Вопрос 3. Где происходит оплодотворение? Что образуется в результате этого процесса?
Процесс оплодотворения у животных, слияние яйцеклетки и сперматозоида, может осуществляться двумя способами: наружно или внутренне. Наружное оплодотворение примитивный и довольно ненадежный способ, происходит у большинства водных животных (рыбы, земноводные и прочие). У животных с внутренним оплодотворением (как правило, наземных) есть дополнительные половые органы для переноса спермальной жидкости из тела самца в тело самки, где и происходит оплодотворение.
Обычно образуется огромное количество сперматозоидов, но оплодотворяет яйцеклетку один. Как только первый сперматозоид проникает сквозь мембрану яйцеклетки, тут же образуется оболочка оплодотворения, которая не допускает проникновения в яйцеклетку других. Затем оба ядра движутся друг к другу и сливаются. Так образуется зигота, которая имеет двойной набор хромосом. У человека слияние яйцеклетки и сперматозоида происходит в маточной трубе.
Вопрос 4. Почему зародыш может удержаться в матке, а неоплодотворенная яйцеклетка - не может?
Неоплодотворенная яйцеклетка, в отличие от зародыша, не имеет ворсинок, которые и позволяют удержаться в матке.
