Половое размножение — это тип размножения , который включает в себя сложный жизненный цикл , в котором гамета ( гаплоидные репродуктивные клетки, такие как сперматозоид или яйцеклетка ) с одним набором хромосом объединяется с другой гаметой, чтобы произвести зиготу , которая развивается в организм, состоящий из клеток с двумя наборами хромосом ( диплоидный ). [1] Это типично для животных, хотя количество наборов хромосом и то, как это количество изменяется при половом размножении, различаются, особенно среди растений, грибов и других эукариот . [2] [3]
У плацентарных млекопитающих сперматозоиды выходят из пениса через мужскую уретру и попадают во влагалище во время копуляции , [4] [5] в то время как яйцеклетки попадают в матку через яйцевод . Другие позвоночные обоих полов обладают клоакой для высвобождения спермы или яйцеклеток.
Половое размножение является наиболее распространенным жизненным циклом у многоклеточных эукариот, таких как животные , грибы и растения . [6] [7] Половое размножение также происходит у некоторых одноклеточных эукариот. [2] [8] Половое размножение не происходит у прокариот , одноклеточных организмов без клеточного ядра , таких как бактерии и археи . Однако некоторые процессы у бактерий, включая бактериальную конъюгацию , трансформацию и трансдукцию , можно считать аналогичными половому размножению, поскольку они включают новую генетическую информацию. [9] Некоторые белки и другие особенности, которые являются ключевыми для полового размножения, могли возникнуть у бактерий, но половое размножение, как полагают, развилось у древнего эукариотического предка. [10]
У эукариот диплоидные клетки-предшественники делятся, чтобы произвести гаплоидные клетки в процессе, называемом мейозом . В мейозе ДНК реплицируется, чтобы произвести в общей сложности четыре копии каждой хромосомы. Затем следуют два деления клеток, чтобы создать гаплоидные гаметы. После того, как ДНК реплицируется в мейозе, гомологичные хромосомы объединяются в пары так, чтобы их последовательности ДНК были выровнены друг с другом. В течение этого периода перед делением клеток происходит обмен генетической информацией между гомологичными хромосомами в генетической рекомбинации . Гомологичные хромосомы содержат очень похожую, но не идентичную информацию, и путем обмена похожими, но не идентичными областями генетическая рекомбинация увеличивает генетическое разнообразие среди будущих поколений. [11]
Во время полового размножения две гаплоидные гаметы объединяются в одну диплоидную клетку, известную как зигота , в процессе, называемом оплодотворением . Ядра гамет сливаются, и каждая гамета вносит половину генетического материала зиготы. Многочисленные деления клеток митозом ( без изменения числа хромосом) затем развиваются в многоклеточную диплоидную фазу или поколение. У растений диплоидная фаза, известная как спорофит , производит споры мейозом. Затем эти споры прорастают и делятся митозом, образуя гаплоидную многоклеточную фазу, гаметофит , который производит гаметы непосредственно митозом. Этот тип жизненного цикла, включающий чередование двух многоклеточных фаз, полового гаплоидного гаметофита и бесполого диплоидного спорофита, известен как чередование поколений .
Эволюция полового размножения считается парадоксальной, [12] потому что бесполое размножение должно быть способно превзойти его, поскольку каждый созданный молодой организм может вынашивать свое собственное потомство. Это подразумевает, что бесполая популяция имеет внутреннюю способность расти быстрее с каждым поколением. [13] Эта 50% стоимость является недостатком приспособленности полового размножения. [14] Двойная стоимость секса включает эту стоимость и тот факт, что любой организм может передать только 50% своих собственных генов своему потомству. Однако одно определенное преимущество полового размножения заключается в том, что оно увеличивает генетическое разнообразие и препятствует накоплению вредных генетических мутаций . [15] [11]
Половой отбор — это режим естественного отбора , при котором некоторые особи превосходят по численности других особей популяции, поскольку они лучше способны находить партнеров для полового размножения. [16] [ проверка не удалась ] [17] Его описывают как «мощную эволюционную силу, которая не существует в бесполых популяциях». [18]
Первые ископаемые свидетельства полового размножения у эукариот относятся к стенийскому периоду, возраст которого составляет около 1,05 миллиарда лет. [19] [20]
Биологи, изучающие эволюцию, предлагают несколько объяснений развития полового размножения и его поддержания. Эти причины включают снижение вероятности накопления вредных мутаций, повышение скорости адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды , [21] борьбу с конкуренцией , восстановление ДНК , маскировку вредных мутаций и снижение генетической изменчивости на геномном уровне. [22] [23] [24] [25] Все эти идеи о том, почему половое размножение сохранилось, в целом поддерживаются, но в конечном итоге размер популяции определяет, является ли половое размножение полностью полезным. Более крупные популяции , по-видимому, быстрее реагируют на некоторые преимущества, полученные посредством полового размножения, чем популяции меньшего размера. [26]
Однако новые модели, представленные в последние годы, предполагают наличие базового преимущества полового размножения у медленно размножающихся сложных организмов .
Половое размножение позволяет этим видам проявлять характеристики, которые зависят от конкретной среды , в которой они обитают, и конкретных стратегий выживания, которые они используют. [27]
Для того, чтобы размножаться половым путем, и самцам, и самкам нужно найти себе пару . Обычно у животных выбор партнера делают самки, в то время как самцы конкурируют за то, чтобы быть выбранными. Это может привести к тому, что организмы будут прилагать экстремальные усилия для размножения, такие как борьба и демонстрация, или производить экстремальные черты, вызванные положительной обратной связью, известной как фишеровский побег . Таким образом, половое размножение, как форма естественного отбора , оказывает влияние на эволюцию . Половой диморфизм - это когда основные фенотипические черты различаются между самцами и самками одного и того же вида . Диморфизм обнаруживается как в половых органах , так и во вторичных половых признаках , размере тела, физической силе и морфологии, биологической орнаментации , поведении и других телесных чертах. Однако половой отбор подразумевается только в течение длительного периода времени, что приводит к половому диморфизму. [28]
Некоторые членистоногие, такие как усоногие раки , являются гермафродитами , то есть каждый может иметь органы обоих полов . Однако особи большинства видов остаются одного пола на протяжении всей своей жизни. [29] Некоторые виды насекомых и ракообразных могут размножаться партеногенезом , особенно если условия благоприятствуют «взрыву популяции». Однако большинство членистоногих полагаются на половое размножение, и партеногенетические виды часто возвращаются к половому размножению, когда условия становятся менее благоприятными. [30] Способность подвергаться мейозу широко распространена среди членистоногих, включая как тех, которые размножаются половым путем, так и тех, которые размножаются партеногенетически . [31] Хотя мейоз является основной характеристикой членистоногих, понимание его фундаментального адаптивного преимущества долгое время считалось нерешенной проблемой, [32] которая, по-видимому, оставалась нерешенной.
Водные членистоногие могут размножаться путем внешнего оплодотворения, как, например, мечехвосты , [33] или путем внутреннего оплодотворения , когда яйцеклетки остаются в теле самки, а сперма должна быть каким-то образом введена. Все известные наземные членистоногие используют внутреннее оплодотворение. Opiliones (сенокосцы), многоножки и некоторые ракообразные используют модифицированные придатки, такие как гоноподы или пенисы, для передачи спермы непосредственно самке. Однако большинство самцов наземных членистоногих производят сперматофоры , водонепроницаемые пакеты со спермой , которые самки принимают в свои тела. Несколько таких видов полагаются на самок, чтобы найти сперматофоры, которые уже были отложены на земле, но в большинстве случаев самцы откладывают сперматофоры только тогда, когда сложные ритуалы ухаживания кажутся успешными. [29]
Большинство членистоногих откладывают яйца, [29] но скорпионы яйцеживородящие : они производят живых детенышей после того, как яйца вылупляются внутри матери, и известны своей длительной материнской заботой. [34] Новорожденные членистоногие имеют разнообразные формы, и одни только насекомые охватывают диапазон крайностей. Некоторые вылупляются как явно миниатюрные взрослые особи (прямое развитие), а в некоторых случаях, например, чешуйницы , вылупившиеся детеныши не питаются и могут быть беспомощными до своей первой линьки. Многие насекомые вылупляются как личинки или гусеницы , у которых нет сегментированных конечностей или затвердевших кутикул, и метаморфозируют во взрослые формы, вступая в неактивную фазу, в которой личиночные ткани разрушаются и повторно используются для построения взрослого тела. [35] Личинки стрекоз имеют типичные кутикулы и сочлененные конечности членистоногих, но являются нелетающими вододышащими животными с выдвижными челюстями. [36] Ракообразные обычно вылупляются в виде крошечных личинок- науплиусов , у которых есть только три сегмента и пары конечностей. [29]Виды насекомых составляют более двух третей всех существующих видов животных. Большинство видов насекомых размножаются половым путем, хотя некоторые виды являются факультативно партеногенетическими . Многие виды насекомых имеют половой диморфизм , в то время как у других полы выглядят почти одинаково. Обычно у них есть два пола: самцы производят сперматозоиды, а самки — яйцеклетки. Яйцеклетки развиваются в яйца, которые имеют оболочку, называемую хорионом , которая образуется до внутреннего оплодотворения. У насекомых очень разнообразные стратегии спаривания и размножения, чаще всего приводящие к тому, что самец откладывает сперматофор внутрь самки, который она хранит до тех пор, пока не будет готова к оплодотворению яйцеклетки. После оплодотворения и образования зиготы и различной степени развития у многих видов яйца откладываются вне самки; в то время как у других они продолжают развиваться внутри самки, и детеныши рождаются живыми. [37]
Существует три существующих вида млекопитающих: однопроходные , плацентарные и сумчатые , все с внутренним оплодотворением. У плацентарных млекопитающих потомство рождается как детеныши: полноценные животные с половыми органами , хотя и не репродуктивно функциональными. Через несколько месяцев или лет, в зависимости от вида, половые органы развиваются дальше до зрелости, и животное становится половозрелым . Большинство самок млекопитающих фертильны только в определенные периоды во время их эстрального цикла, в этот момент они готовы к спариванию. [38] У большинства млекопитающих самцы и самки обмениваются половыми партнерами на протяжении всей своей взрослой жизни . [39] [40] [41]
Подавляющее большинство видов рыб откладывают икру, которую затем оплодотворяет самец. [42] Некоторые виды откладывают икру на субстрат, например, на камни или растения, в то время как другие разбрасывают икру, и икра оплодотворяется, когда она дрейфует или тонет в толще воды.
Некоторые виды рыб используют внутреннее оплодотворение, а затем рассеивают развивающиеся яйца или рождают живое потомство. Рыбы, которые имеют живородящее потомство, включают гуппи и моллинезии или Poecilia . Рыбы, которые рождают живых детенышей, могут быть яйцеживородящими , когда яйца оплодотворяются внутри самки, и яйца просто вылупляются внутри тела самки, или у морских коньков , самец вынашивает развивающихся детенышей в сумке и рождает живых детенышей. [43] Рыбы также могут быть живородящими , когда самка обеспечивает питанием растущее внутри потомство. Некоторые рыбы являются гермафродитами , когда одна рыба является и самцом, и самкой и может производить яйца и сперму. У гермафродитных рыб некоторые являются самцами и самками одновременно, в то время как у других рыб они серийно гермафродитны; начиная с одного пола и меняя его на другой. По крайней мере у одного гермафродитного вида самооплодотворение происходит, когда яйца и сперма выпускаются вместе. Внутреннее самооплодотворение может происходить у некоторых других видов. [44] Один вид рыб не размножается половым путем, а использует секс для производства потомства; Poecilia formosa — это однополый вид, который использует форму партеногенеза , называемую гиногенезом , когда неоплодотворенные яйца развиваются в эмбрионы, которые производят потомство женского пола. Poecilia formosa спаривается с самцами других видов рыб, которые используют внутреннее оплодотворение, сперма не оплодотворяет яйца, а стимулирует рост яиц, которые развиваются в эмбрионы. [45]
У животных есть жизненные циклы с одной диплоидной многоклеточной фазой, которая производит гаплоидные гаметы непосредственно путем мейоза. Мужские гаметы называются сперматозоидами, а женские гаметы называются яйцами или яйцеклетками. У животных оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом приводит к образованию диплоидной зиготы, которая развивается путем повторных митотических делений в диплоидную взрослую особь. У растений есть две многоклеточные фазы жизненного цикла, что приводит к чередованию поколений . Зиготы растений прорастают и делятся многократно митозом, образуя диплоидный многоклеточный организм, известный как спорофит. Зрелый спорофит производит гаплоидные споры путем мейоза, которые прорастают и делятся митозом, образуя многоклеточную фазу гаметофита, которая производит гаметы в зрелом возрасте. Гаметофиты разных групп растений различаются по размеру. У мхов и других папоротниковидных растений гаметофиты могут состоять из нескольких миллионов клеток, тогда как у покрытосеменных растений в каждом пыльцевом зерне содержится всего три клетки.
Цветковые растения являются доминирующей формой растений на суше [46] : 168, 173 и они размножаются либо половым, либо бесполым путем. Часто их наиболее отличительной чертой являются их репродуктивные органы, обычно называемые цветами. Пыльник производит пыльцевые зерна , которые содержат мужские гаметофиты , которые производят ядра сперматозоидов. Чтобы произошло опыление, пыльцевые зерна должны прикрепиться к рыльцу женской репродуктивной структуры ( плодолистика ), где женские гаметофиты расположены внутри семяпочек, заключенных в яичник . После того, как пыльцевая трубка прорастает через столбик плодолистика, ядра половых клеток из пыльцевого зерна мигрируют в семяпочку, чтобы оплодотворить яйцеклетку и ядра эндосперма внутри женского гаметофита в процессе, называемом двойным оплодотворением . Полученная зигота развивается в эмбрион, в то время как триплоидный эндосперм (одна сперматозоид плюс две женские клетки) и женские ткани семяпочки дают начало окружающим тканям в развивающемся семени. Завязь, которая произвела женский гаметофит(ы), затем вырастает в плод , который окружает семя(я). Растения могут либо самоопыляться , либо перекрестно опыляться .
В 2013 году были найдены цветы, датируемые меловым периодом (100 миллионов лет назад), заключенные в янтарь, древнейшее свидетельство полового размножения у цветковых растений. Микроскопические изображения показали трубки, растущие из пыльцы и проникающие в рыльце цветка. Пыльца была липкой, что позволяет предположить, что ее переносили насекомые. [47]
Папоротники производят большие диплоидные спорофиты с корневищами , корнями и листьями. Плодородные листья производят спорангии , содержащие гаплоидные споры . Споры высвобождаются и прорастают, образуя маленькие тонкие гаметофиты, которые обычно имеют форму сердца и зеленый цвет. Гаметофитные проталли производят подвижную сперму в антеридиях и яйцеклетки в архегониях на тех же или разных растениях. [48] После дождей или когда роса откладывает пленку воды, подвижная сперма выплескивается из антеридиев, которые обычно производятся на верхней стороне таллома, и плывет в пленке воды к архегониям, где они оплодотворяют яйцеклетку. Чтобы способствовать ауткроссингу или перекрестному оплодотворению, сперма высвобождается до того, как яйцеклетки станут восприимчивыми к сперме, что повышает вероятность того, что сперма оплодотворит яйцеклетки другого таллома. После оплодотворения образуется зигота , которая вырастает в новое спорофитное растение. Состояние, при котором спорофитное и гаметофитное растения раздельны, называется чередованием поколений .
Мохообразные , в том числе печеночники , роголистники и мхи , размножаются как половым, так и вегетативным путем . Это небольшие растения, растущие во влажных местах, и, как папоротники, имеют подвижные сперматозоиды со жгутиками и нуждаются в воде для облегчения полового размножения. Эти растения начинаются как гаплоидная спора, которая вырастает в доминирующую форму гаметофита, которая представляет собой многоклеточное гаплоидное тело с листовидными структурами, которые фотосинтезируют . Гаплоидные гаметы производятся в антеридиях (мужских) и архегониях (женских) путем митоза. Сперма, выделяемая из антеридиев, реагирует на химические вещества, выделяемые созревшими архегониями, и плывет к ним в пленке воды и оплодотворяет яйцеклетки, таким образом образуя зиготу. Зигота делится митотическим делением и вырастает в многоклеточный диплоидный спорофит. Спорофит производит споровые капсулы ( спорангии ), которые соединены стеблями ( щетинками ) с архегониями. Споровые капсулы производят споры путем мейоза, и при созревании капсулы лопаются, чтобы выпустить споры. Мохообразные демонстрируют значительные различия в своих репродуктивных структурах, и вышеизложенное является базовой схемой. Кроме того, у некоторых видов каждое растение однополое ( двудомное ), в то время как другие виды производят оба пола на одном и том же растении ( однодомное ). [49]
Грибы классифицируются по методам полового размножения, которые они используют. Результатом полового размножения чаще всего является производство покоящихся спор , которые используются для выживания в неблагоприятные времена и для распространения. Обычно в половом размножении грибов есть три фазы: плазмогамия , кариогамия и мейоз . Цитоплазма двух родительских клеток сливается во время плазмогамии, а ядра сливаются во время кариогамии. Новые гаплоидные гаметы образуются во время мейоза и развиваются в споры. Адаптивная основа для поддержания полового размножения у грибов Ascomycota и Basidiomycota ( дикарион ) была рассмотрена Валленом и Перлином. [50] Они пришли к выводу, что наиболее вероятной причиной сохранения этой способности является польза от восстановления повреждений ДНК , вызванных различными стрессами, посредством рекомбинации , которая происходит во время мейоза . [50]
Три различных процесса у прокариот считаются схожими с эукариотическим сексом : бактериальная трансформация , которая включает включение чужеродной ДНК в бактериальную хромосому; бактериальная конъюгация , которая представляет собой передачу плазмидной ДНК между бактериями, но плазмиды редко включаются в бактериальную хромосому; и перенос генов и генетический обмен у архей .
Бактериальная трансформация включает в себя рекомбинацию генетического материала , и ее функция в основном связана с репарацией ДНК . Бактериальная трансформация — это сложный процесс, кодируемый многочисленными бактериальными генами, и является бактериальной адаптацией к переносу ДНК. [22] [23] Этот процесс происходит в природе по крайней мере у 40 видов бактерий. [51] Чтобы бактерия могла связать, принять и рекомбинировать экзогенную ДНК в свою хромосому, она должна войти в особое физиологическое состояние, называемое компетентностью (см. Естественная компетентность ). Половое размножение у ранних одноклеточных эукариот могло развиться из бактериальной трансформации, [24] или из аналогичного процесса у архей (см. ниже).
С другой стороны, бактериальная конъюгация — это тип прямого переноса ДНК между двумя бактериями, опосредованный внешним придатком, называемым конъюгационным пилем. [52] Бактериальная конъюгация контролируется плазмидными генами , которые адаптированы для распространения копий плазмиды между бактериями. Редкая интеграция плазмиды в бактериальную хромосому хозяина и последующий перенос части хромосомы хозяина в другую клетку, по-видимому, не являются бактериальными адаптациями. [22] [53]
Воздействие на гипертермофильные археи вида Sulfolobus условий, повреждающих ДНК, вызывает клеточную агрегацию, сопровождающуюся высокочастотным обменом генетическими маркерами [54] [55] Ажон и др. [55] выдвинули гипотезу, что эта клеточная агрегация усиливает видоспецифическую репарацию ДНК путем гомологичной рекомбинации. Передача ДНК у Sulfolobus может быть ранней формой полового взаимодействия, аналогичной более хорошо изученным системам бактериальной трансформации, которые также включают видоспецифическую передачу ДНК, приводящую к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК.