Размножение (или порождение или разведение ) — это биологический процесс , посредством которого новые индивидуальные организмы — « потомки » — производятся от их «родителя» или родителей. Существует две формы размножения: бесполое и половое .
При бесполом размножении организм может размножаться без участия другого организма. Бесполое размножение не ограничивается одноклеточными организмами . Клонирование организма является формой бесполого размножения. При бесполом размножении организм создает генетически похожую или идентичную копию самого себя. Эволюция полового размножения является главной загадкой для биологов. Двойная стоимость 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, чтобы создать оплодотворенную зиготу . Это производит организмы-потомки, чьи генетические характеристики получены из характеристик двух родительских организмов.
Бесполое размножение — это процесс, при котором организмы создают генетически похожие или идентичные копии самих себя без участия генетического материала другого организма. Бактерии делятся бесполым путем посредством бинарного деления ; вирусы берут под контроль клетки-хозяева, чтобы производить больше вирусов; Гидры ( беспозвоночные отряда Hydroidea ) и дрожжи способны размножаться почкованием . Эти организмы часто не обладают разными полами и способны «разделяться» на две или более копий самих себя. Большинство растений обладают способностью к бесполому размножению, а вид муравьев Mycocepurus smithii , как полагают, размножается исключительно бесполым путем.
Некоторые виды, способные к бесполому размножению, такие как гидра , дрожжи (см. Спаривание дрожжей ) и медузы, также могут размножаться половым путем. Например, большинство растений способны к вегетативному размножению — размножению без семян или спор, — но также могут размножаться половым путем. Аналогично, бактерии могут обмениваться генетической информацией путем конъюгации .
Другие способы бесполого размножения включают партеногенез , фрагментацию и спорообразование , включающее только митоз . Партеногенез — это рост и развитие эмбриона или семени без оплодотворения . Партеногенез встречается в природе у некоторых видов, включая низшие растения (где он называется апомиксис ), беспозвоночных (например, водяные блохи , тли , некоторые пчелы и паразитические осы ) и позвоночных (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 деления клеток . Каждый из двух родительских организмов вносит половину генетического состава потомства, создавая гаплоидные гаметы . [8] Большинство организмов образуют два разных типа гамет. У этих анизогамных видов два пола называются мужскими (производящими сперму или микроспоры) и женскими (производящими яйцеклетки или мегаспоры). [9] У изогамных видов гаметы похожи или идентичны по форме ( изогаметы ), но могут иметь разделимые свойства и тогда им могут быть даны другие разные названия (см. изогамия ). [10] Поскольку обе гаметы выглядят одинаково, их, как правило, нельзя классифицировать как мужские или женские. Например, у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii есть так называемые «плюс» и «минус» гаметы. Несколько типов организмов, таких как многие грибы и инфузория Paramecium aurelia , [11] имеют более двух «полов», называемых типами спаривания . Большинство животных (включая людей) и растений размножаются половым путем. Организмы, размножающиеся половым путем, имеют разные наборы генов для каждого признака (называемые аллелями ). Потомство наследует один аллель для каждого признака от каждого родителя. Таким образом, потомство имеет комбинацию генов родителей. Считается, что «маскировка вредных аллелей способствует развитию доминирующей диплоидной фазы в организмах, которые чередуются между гаплоидной и диплоидной фазами», где рекомбинация происходит свободно. [12] [13]
Мохообразные размножаются половым путем, но более крупные и часто встречающиеся организмы являются гаплоидными и производят гаметы . Гаметы сливаются, образуя зиготу , которая развивается в спорангий , который, в свою очередь, производит гаплоидные споры. Диплоидная стадия относительно мала и недолговечна по сравнению с гаплоидной стадией, т. е. гаплоидным доминированием . Преимущество диплоидии, гетерозис, существует только в поколении диплоидной жизни. Мохообразные сохраняют половое размножение, несмотря на то, что гаплоидная стадия не получает выгоды от гетерозиса. Это может быть признаком того, что половое размножение имеет преимущества, отличные от гетерозиса, такие как генетическая рекомбинация между членами вида, что позволяет выражать более широкий спектр признаков и, таким образом, делает популяцию более способной выживать в условиях изменения окружающей среды. [14]
Аллогамия — это оплодотворение цветов путем перекрестного опыления, это происходит, когда яйцеклетка цветка оплодотворяется сперматозоидами из пыльцы цветка другого растения. [15] [16] Пыльца может переноситься 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, слитые при оплодотворении, происходят от одной и той же особи, например, у многих сосудистых растений , некоторых фораминифер , некоторых инфузорий . [16] Термин «автогамия» иногда заменяет автогамное опыление (не обязательно приводящее к успешному оплодотворению) и описывает самоопыление в пределах одного цветка, в отличие от гейтоногамного опыления , переноса пыльцы на другой цветок на том же цветковом растении , [17] или в пределах одного однодомного голосеменного растения.
Митоз и мейоз — это типы деления клеток . Митоз происходит в соматических клетках , а мейоз — в гаметах .
Митоз Результирующее число клеток в митозе в два раза превышает число исходных клеток. Число хромосом в клетках-потомках такое же, как и в родительской клетке.
Мейоз Результирующее число клеток в четыре раза превышает число исходных клеток. Это приводит к клеткам с половиной числа хромосом, присутствующих в родительской клетке. Диплоидная клетка дублирует себя, затем претерпевает два деления ( тетраплоидная в диплоидную и гаплоидную), в процессе чего образуются четыре гаплоидные клетки. Этот процесс происходит в две фазы: мейоз I и мейоз II.
Животные, включая млекопитающих, производят гаметы (сперму и яйцеклетку) посредством мейоза в гонадах (яички у самцов и яичники у самок). Сперма производится путем сперматогенеза , а яйцеклетки производятся путем оогенеза . Во время гаметогенеза у млекопитающих многочисленные гены, кодирующие белки, которые участвуют в механизмах репарации ДНК, демонстрируют усиленную или специализированную экспрессию. [18] Мужские половые клетки, производимые в яичках животных, способны к особым процессам репарации ДНК , которые функционируют во время мейоза для восстановления повреждений ДНК и поддержания целостности геномов , которые должны быть переданы потомству. [19] Такие процессы репарации ДНК включают гомологичную рекомбинационную репарацию, а также негомологичное соединение концов . [19] Ооциты , расположенные в примордиальном фолликуле яичника, находятся в состоянии остановки профазы без роста , но способны подвергаться высокоэффективной гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК, включая двухцепочечные разрывы. [20] Эти процессы восстановления позволяют поддерживать целостность генома и защищать здоровье потомства. [20]
В настоящее время научные исследования изучают возможность однополого размножения, которое даст потомство с равным генетическим вкладом либо от двух самок, либо от двух самцов. [21] [22] [23] Очевидные подходы, в зависимости от растущей активности, — это женская сперма и мужские яйцеклетки . В 2004 году, изменив функцию нескольких генов, участвующих в импринтинге, другие японские ученые объединили две мышиные яйцеклетки для получения дочерних мышей [24] , а в 2018 году китайские ученые создали 29 самок мышей от двух самок мышей-матерей, но не смогли произвести жизнеспособное потомство от двух отцов мышей. Исследователи отметили, что маловероятно, что эти методы будут применены к людям в ближайшем будущем. [25] [26]
Существует широкий спектр репродуктивных стратегий, используемых различными видами. Некоторые животные, такие как человек и северная олуша , не достигают половой зрелости в течение многих лет после рождения и даже тогда производят мало потомства. Другие размножаются быстро; но, в нормальных обстоятельствах, большинство потомков не доживают до взрослого возраста . Например, кролик (достигает зрелости через 8 месяцев) может производить 10–30 потомков в год, а плодовая мушка (достигает зрелости через 10–14 дней) может производить до 900 потомков в год. Эти две основные стратегии известны как K-отбор (мало потомков) и r-отбор (много потомков). Какая стратегия будет предпочтительнее для эволюции, зависит от множества обстоятельств. Животные с небольшим потомством могут выделять больше ресурсов на воспитание и защиту каждого отдельного потомка, тем самым уменьшая потребность во множестве потомков. С другой стороны, животные с большим количеством потомков могут выделять меньше ресурсов на каждого отдельного потомка; Для этих типов животных характерно, что многие детеныши погибают вскоре после рождения, но обычно выживает достаточное количество особей, чтобы поддерживать популяцию. Некоторые организмы, такие как медоносные пчелы и плодовые мушки, сохраняют сперму в процессе, называемом хранением спермы, тем самым увеличивая продолжительность своей фертильности.
Организмы, размножающиеся бесполым путем, имеют тенденцию к экспоненциальному росту численности. Однако, поскольку они полагаются на мутации для изменений в своей ДНК, все члены вида имеют схожие уязвимости. Организмы, размножающиеся половым путем, дают меньшее количество потомков, 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 тли , 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 обильный запас пищи, адекватное укрытие, благоприятный климат, болезни, оптимальный pH или правильное сочетание других требований образа жизни. Популяции этих организмов увеличиваются экспоненциально с помощью бесполых репродуктивных стратегий, чтобы в полной мере использовать богатые ресурсы снабжения. [29]
Когда источники пищи истощаются, климат становится враждебным или индивидуальное выживание оказывается под угрозой из-за какого-либо другого неблагоприятного изменения условий жизни, эти организмы переходят на половые формы размножения. Половое размножение обеспечивает смешивание генофонда вида. Изменения, обнаруженные у потомства полового размножения, позволяют некоторым особям быть более приспособленными к выживанию и обеспечивают механизм для осуществления селективной адаптации. Стадия мейоза полового цикла также позволяет особенно эффективно восстанавливать повреждения ДНК (см. Мейоз ). [29] Кроме того, половое размножение обычно приводит к формированию жизненной стадии, которая способна выдерживать условия, угрожающие потомству бесполого родителя. Таким образом, семена, споры, яйца, куколки, цисты или другие «зимующие» стадии полового размножения обеспечивают выживание в неблагоприятные времена, и организм может «переждать» неблагоприятные ситуации, пока не произойдет возврат к пригодности.
Существование жизни без воспроизводства является предметом некоторых спекуляций. Биологическое исследование того, как происхождение жизни создало воспроизводящиеся организмы из невоспроизводящих элементов, называется абиогенезом . Независимо от того, было ли несколько независимых абиогенетических событий или нет, биологи полагают, что последний универсальный предок всей нынешней жизни на Земле жил около 3,5 миллиардов лет назад .
Ученые размышляли о возможности создания жизни нерепродуктивным путем в лабораторных условиях. Нескольким ученым удалось создать простые вирусы из совершенно неживых материалов. [30] Однако вирусы часто считаются неживыми. Будучи не более чем кусочком РНК или ДНК в белковой капсуле, они не имеют метаболизма и могут размножаться только с помощью метаболического аппарата захваченной клетки .
Создание действительно живого организма (например, простой бактерии) без предков было бы гораздо более сложной задачей, но вполне возможно в некоторой степени согласно современным биологическим знаниям. Синтетический геном был перенесен в существующую бактерию, где он заменил нативную ДНК, что привело к искусственному производству нового организма M. mycoides . [31]
В научном сообществе ведутся споры о том, можно ли считать эту клетку полностью синтетической [32] на том основании, что химически синтезированный геном был почти 1:1 копией естественного генома, а клетка-реципиент была естественной бактерией. Институт Крейга Вентера сохраняет термин «синтетическая бактериальная клетка», но они также поясняют: «...мы не считаем это «созданием жизни с нуля», а скорее создаем новую жизнь из уже существующей жизни с использованием синтетической ДНК». [33] Вентер планирует запатентовать свои экспериментальные клетки, заявляя, что «они, несомненно, являются человеческими изобретениями». [32] Его создатели предполагают, что создание «синтетической жизни» позволит исследователям узнавать о жизни, строя ее, а не разрывая на части. Они также предлагают расширить границы между жизнью и машинами до тех пор, пока они не перекроются, чтобы получить «действительно программируемые организмы». [34] Исследователи, принимавшие участие в проекте, заявили, что создание «истинной синтетической биохимической жизни» относительно близко к достижению при современных технологиях и дешево по сравнению с усилиями, необходимыми для высадки человека на Луну. [35]
Половое размножение имеет много недостатков, так как оно требует гораздо больше энергии, чем бесполое размножение, и отвлекает организмы от других занятий, и есть некоторые споры о том, почему так много видов используют его. Джордж К. Уильямс использовал лотерейные билеты в качестве аналогии в одном из объяснений широко распространенного использования полового размножения. [36] Он утверждал, что бесполое размножение, которое производит мало или вообще не производит генетического разнообразия у потомства, было похоже на покупку многих билетов, которые все имеют одинаковый номер, что ограничивает шанс «выиграть» — то есть произвести выживающее потомство. Половое размножение, утверждал он, было похоже на покупку меньшего количества билетов, но с большим разнообразием номеров и, следовательно, с большими шансами на успех. Суть этой аналогии в том, что, поскольку бесполое размножение не производит генетических вариаций, существует небольшая возможность быстро адаптироваться к изменяющейся среде. Принцип лотереи в наши дни менее принят из-за доказательств того, что бесполое размножение более распространено в нестабильных средах, что противоположно тому, что он предсказывает. [37]
