Размножение (или размножение или размножение ) — это биологический процесс , посредством которого новые отдельные организмы — « потомство » — производятся от их «родителя» или родителей. Существуют две формы размножения: бесполое и половое .
При бесполом размножении организм может размножаться без участия другого организма. Бесполое размножение характерно не только для одноклеточных организмов . Клонирование организма является формой бесполого размножения. Путем бесполого размножения организм создает генетически подобную или идентичную копию самого себя. Эволюция полового размножения является главной загадкой для биологов. Двойная цена полового размножения заключается в том, что только 50% организмов размножаются [1] и организмы передают только 50% своих генов . [2]
Половое размножение обычно требует полового взаимодействия двух специализированных репродуктивных клеток, называемых гаметами , которые содержат половину числа хромосом нормальных клеток и создаются путем мейоза , при этом обычно самец оплодотворяет самку того же вида для создания оплодотворенной зиготы . В результате образуются организмы-потомки, чьи генетические характеристики унаследованы от характеристик двух родительских организмов.
Бесполое размножение — это процесс, посредством которого организмы создают генетически схожие или идентичные копии самих себя без участия генетического материала другого организма. Бактерии делятся бесполым путем путем бинарного деления ; вирусы берут под контроль клетки-хозяева, производя больше вирусов; Гидры ( беспозвоночные отряда Hydroidea ) и дрожжи способны размножаться почкованием . Эти организмы часто не обладают разным полом и способны «расщепляться» на две или более копии самих себя. Большинство растений обладают способностью размножаться бесполым путем, а вид муравьев Mycocepurus smithii , как полагают, размножается полностью бесполым путем.
Некоторые виды, способные к бесполому размножению, например гидра , дрожжи (см. «Спаривание дрожжей ») и медузы , также могут размножаться половым путем. Например, большинство растений способны к вегетативному размножению – размножению без семян и спор – но также могут размножаться и половым путем. Точно так же бактерии могут обмениваться генетической информацией путем конъюгации .
Другие пути бесполого размножения включают партеногенез , фрагментацию и образование спор , включающее только митоз . Партеногенез — рост и развитие зародыша или семени без оплодотворения . Партеногенез происходит естественным образом у некоторых видов, включая низшие растения (где он называется апомиксис ), беспозвоночные (например , водяные блохи , тли , некоторые пчелы и паразитические осы ) и позвоночные животные (например, некоторые рептилии , [3] некоторые рыбы , [4] и очень редко — домашние птицы [5] ).
Половое размножение — это биологический процесс , который создает новый организм путем объединения генетического материала двух организмов в процессе, который начинается с мейоза — специализированного типа клеточного деления . Каждый из двух родительских организмов вносит половину генетического состава потомства, создавая гаплоидные гаметы . [6] Большинство организмов образуют два разных типа гамет. У этих анизогамных видов два пола называются мужским (производящим сперму или микроспоры) и женским (производящим яйцеклетки или мегаспоры). [7] У изогамных видов гаметы схожи или идентичны по форме ( изогаметы ), но могут иметь отдельные свойства и тогда им могут быть даны другие названия (см. Изогамия ). [8] Поскольку обе гаметы выглядят одинаково, их обычно нельзя классифицировать как мужские или женские . Например, у зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii имеются так называемые «плюсовые» и «минусовые» гаметы. Некоторые типы организмов, такие как многие грибы и инфузория Paramecium aurelia , [9] имеют более двух «полов», называемых типами спаривания . Большинство животных (включая человека) и растений размножаются половым путем. Организмы, размножающиеся половым путем, имеют разные наборы генов для каждого признака (называемые аллелями ). Потомство наследует по одному аллелю каждого признака от каждого родителя. Таким образом, потомство имеет комбинацию генов родителей. Считается, что «маскировка вредных аллелей способствует развитию доминантной диплоидной фазы у организмов, в которых чередуются гаплоидные и диплоидные фазы», где рекомбинация происходит свободно. [10] [11]
Мохообразные размножаются половым путем, но более крупные и часто встречающиеся организмы гаплоидны и производят гаметы . Гаметы сливаются, образуя зиготу , которая развивается в спорангий , который, в свою очередь, производит гаплоидные споры. Диплоидная стадия относительно невелика и недолговечна по сравнению с гаплоидной стадией, т.е. с гаплоидным доминированием . Преимущество диплоидии — гетерозис — существует только в диплоидном жизненном поколении. Мохообразные сохраняют половое размножение, несмотря на то, что гаплоидная стадия не выигрывает от гетерозиса. Это может указывать на то, что половое размножение имеет и другие преимущества, помимо гетерозиса, такие как генетическая рекомбинация между представителями вида, позволяющая проявлять более широкий спектр признаков и, таким образом, делая популяцию более способной выживать в условиях окружающей среды. [12]
Аллогамия – это оплодотворение цветов путем перекрестного опыления, когда яйцеклетка цветка оплодотворяется сперматозоидами из пыльцы цветка другого растения. [13] [14] Пыльца может передаваться через переносчиков пыльцы или абиотических переносчиков, таких как ветер. Оплодотворение начинается, когда пыльца попадает в женскую гамету через пыльцевую трубку. Аллогамия также известна как перекрестное оплодотворение, в отличие от автогамии или гейтоногамии, которые являются методами самооплодотворения.
Самооплодотворение , также известное как автогамия, происходит у гермафродитных организмов, где две гаметы, слившиеся при оплодотворении, происходят от одного и того же человека, например, у многих сосудистых растений , некоторых фораминифер , некоторых инфузорий . [14] Термин «автогамия» иногда заменяют автогамное опыление (не обязательно приводящее к успешному оплодотворению) и описывает самоопыление в пределах одного и того же цветка, в отличие от гейтоногамного опыления , перенос пыльцы на другой цветок на том же цветковом растении , [15] или в пределах одного однодомного голосеменного растения.
Митоз и мейоз являются типами деления клеток . Митоз происходит в соматических клетках , а мейоз — в гаметах .
Митоз Результирующее количество клеток в митозе в два раза превышает количество исходных клеток. Число хромосом в клетках-потомках такое же, как и в родительской клетке.
Мейоз Результирующее количество клеток в четыре раза превышает количество исходных клеток. В результате образуются клетки с половиной числа хромосом , присутствующих в родительской клетке. Диплоидная клетка удваивает себя, затем подвергается двум делениям ( от тетраплоида к диплоиду и к гаплоиду), в результате чего образуются четыре гаплоидные клетки . Этот процесс происходит в две фазы: мейоз I и мейоз II.
В настоящее время научные исследования изучают возможность однополого деторождения, в результате которого будет производиться потомство с равным генетическим вкладом либо от двух женщин, либо от двух мужчин. [16] [17] [18] Очевидными подходами, с учетом растущей активности, являются женские сперматозоиды и мужские яйцеклетки . В 2004 году, изменив функцию нескольких генов, участвующих в импринтинге, другие японские учёные объединили две мышиные яйцеклетки для получения дочерей мышей [19] , а в 2018 году китайские учёные создали 29 самок мышей от двух матерей-самок мышей, но не смогли произвести жизнеспособное потомство. от двух мышей-отцов. Исследователи отметили, что маловероятно, что эти методы будут применены к людям в ближайшем будущем. [20] [21]
Существует широкий спектр репродуктивных стратегий, используемых разными видами. Некоторые животные, например человек и северная олуша , не достигают половой зрелости в течение многих лет после рождения и даже тогда производят мало потомства. Другие размножаются быстро; но при нормальных обстоятельствах большинство потомков не доживают до взрослого возраста . Например, кролик (созревающий через 8 месяцев) может давать 10–30 потомков в год, а плодовая мушка (созревающая через 10–14 дней) — до 900 потомков в год. Эти две основные стратегии известны как K-отбор (мало потомков) и r-отбор (много потомков). Какая стратегия будет предпочтительна для эволюции , зависит от множества обстоятельств. Животные с небольшим потомством могут выделять больше ресурсов на воспитание и защиту каждого отдельного потомства, тем самым уменьшая потребность в большом количестве потомства. С другой стороны, животные, имеющие много потомков, могут уделять меньше ресурсов каждому отдельному потомству; для этих типов животных многие потомки обычно умирают вскоре после рождения, но обычно выживает достаточно особей, чтобы поддерживать популяцию. Некоторые организмы, такие как медоносные пчелы и плодовые мушки, сохраняют сперму в процессе, называемом хранением спермы , тем самым увеличивая продолжительность их фертильности.
Численность организмов, размножающихся бесполым путем, обычно увеличивается в геометрической прогрессии. Однако, поскольку изменения в их ДНК зависят от мутаций, все представители этого вида имеют одинаковые уязвимости. Организмы, размножающиеся половым путем, дают меньше потомства, но большое количество вариаций в их генах делает их менее восприимчивыми к болезням.
Многие организмы могут размножаться как половым, так и бесполым путем. Примерами являются тля , слизевики , морские анемоны , некоторые виды морских звезд (путем фрагментации ) и многие растения. Когда факторы окружающей среды благоприятны, бесполое размножение используется для использования подходящих условий для выживания, таких как обильные запасы пищи, адекватное жилье, благоприятный климат, болезни, оптимальный уровень pH или правильное сочетание других требований образа жизни. Популяции этих организмов увеличиваются в геометрической прогрессии за счет стратегий бесполого размножения, позволяющих в полной мере воспользоваться богатыми ресурсами. [24]
Когда источники пищи истощаются, климат становится враждебным или выживание особи оказывается под угрозой из-за какого-либо другого неблагоприятного изменения условий жизни, эти организмы переходят к половым формам размножения. Половое размножение обеспечивает смешение генофонда вида. Обнаруженные у потомства вариации полового размножения позволяют некоторым особям лучше адаптироваться к выживанию и обеспечивают механизм избирательной адаптации. Стадия мейоза полового цикла также позволяет особенно эффективно восстанавливать повреждения ДНК (см. Мейоз ). [24] Кроме того, половое размножение обычно приводит к формированию жизненной стадии, способной переносить условия, угрожающие потомству бесполого родителя. Таким образом, семена, споры, яйца, куколки, цисты или другие «перезимовавшие» стадии полового размножения обеспечивают выживание в неблагоприятное время, и организм может «переждать» неблагоприятные ситуации, пока не произойдет возврат к пригодности.
Существование жизни без размножения является предметом некоторых предположений. Биологическое исследование того, как зарождение жизни привело к образованию воспроизводящихся организмов из неразмножающихся элементов, называется абиогенезом . Независимо от того, было ли несколько независимых абиогенетических событий, биологи полагают, что последний универсальный предок всей нынешней жизни на Земле жил около 3,5 миллиардов лет назад .
Ученые высказали предположения о возможности создания жизни нерепродуктивным путем в лаборатории. Некоторым ученым удалось создать простые вирусы из совершенно неживого материала. [25] Однако вирусы часто считают неживыми. Будучи не чем иным, как кусочком РНК или ДНК в белковой капсуле, они не имеют метаболизма и могут размножаться только с помощью метаболического механизма захваченной клетки .
Создание по-настоящему живого организма (например, простой бактерии) без предков было бы гораздо более сложной задачей, но вполне возможно в некоторой степени в соответствии с современными биологическими знаниями. Синтетический геном был перенесен в существующую бактерию, где он заменил нативную ДНК, что привело к искусственному созданию нового организма M. mycoides . [26]
В научном сообществе ведутся споры о том, можно ли считать эту клетку полностью синтетической [27] на том основании, что химически синтезированный геном представлял собой почти 1:1 копию природного генома, а клетка-реципиент представляла собой встречающуюся в природе бактерию. . Институт Крейга Вентера поддерживает термин «синтетическая бактериальная клетка», но они также уточняют: «... мы не считаем, что это «создание жизни с нуля», а скорее мы создаем новую жизнь из уже существующей жизни, используя синтетическую ДНК». [28] Вентер планирует запатентовать свои экспериментальные клетки, заявляя, что «они явно являются человеческими изобретениями». [27] Его создатели предполагают, что построение «синтетической жизни» позволит исследователям узнавать о жизни, создавая ее, а не разрывая ее на части. Они также предлагают расширить границы между жизнью и машинами до тех пор, пока они не перекроются, чтобы создать «по-настоящему программируемые организмы». [29] Принимавшие участие исследователи заявили, что создание «настоящей синтетической биохимической жизни» относительно близко достижимо при нынешних технологиях и дешево по сравнению с усилиями, необходимыми для высадки человека на Луну. [30]
Половое размножение имеет много недостатков, поскольку оно требует гораздо больше энергии, чем бесполое размножение, и отвлекает организмы от других занятий, и есть некоторые споры о том, почему так много видов его используют. Джордж К. Уильямс использовал лотерейные билеты как аналогию в одном из объяснений широко распространенного использования полового размножения. [31] Он утверждал, что бесполое размножение, при котором генетическое разнообразие у потомства незначительно или вообще отсутствует, похоже на покупку множества билетов с одинаковым номером, что ограничивает шанс «победы», то есть производства выжившего потомства. Половое размножение, утверждал он, похоже на покупку меньшего количества билетов, но с большим разнообразием номеров и, следовательно, с большей вероятностью успеха. Суть этой аналогии в том, что, поскольку бесполое размножение не приводит к генетическим вариациям, у них мало возможностей быстро адаптироваться к изменяющейся среде. В наши дни принцип лотереи менее принят из-за доказательств того, что бесполое размножение более распространено в нестабильной среде, что противоречит тому, что он предсказывает. [32]
