Бесполое размножение

Размещено на http://allbest.ru

Способность размножаться, т. е. производить новое поколение особей того же вида - одна из основных особенностей живых организмов. В процессе размножения происходит передача генетического материала от родительского поколения следующему поколению, что обеспечивает воспроизведение признаков не только данного вида, но конкретных родительских особей. бесполый вегетативный почкование споруляция

Для вида смысл размножения состоит в замещении тех его представителей, которые гибнут, что обеспечивает непрерывность существования вида; кроме того, при подходящих условиях размножение позволяет увеличить общую численность вида. Прежде чем каждая новая особь достигает стадии, на которой она будет способна к размножению, она должна пройти целый ряд стадий роста и развития. Некоторые особи погибают, так и не достигнув репродуктивной стадии (или половой зрелости), в результате уничтожения хищниками, болезней и различных случайных событий. Поэтому вид может сохраняться только при условии, что каждое поколение будет производить больше потомков, чем было родительских особей, которые принимали участие в процессе размножения. Численность популяции будет колебаться, в зависимости от баланса между размножением и вымиранием особей. Один из основных типов размножения - бесполое. Бесполое размножение происходит без образования гамет, в нем участвует лишь один организм.

При бесполом размножении обычно образуются идентичные потомки, а единственным источником генетической изменчивости служат случайные мутации. Генетическая изменчивость выгодна виду, потому что она является поставщиком «сырья» для естественного отбора, а значит, и для эволюции. Для бесполого размножения характерно то, что в процессе не участвует мейоз (исключение составляют растительные организмы с чередованием поколений), и потомки идентичны родительской особи. Такое идентичное потомство, которое происходит от одной родительской особи, называют клоном. Члены одного клона могут быть генетически различными, только когда возникают случайные мутации. Высшие животные не способны к бесполому размножению, однако в последнее время было сделано несколько успешных попыток клонировать некоторые виды искусственным образом. Существует несколько типов бесполого развития.

Первый тип - это деление. Делением размножаются одноклеточные организмы: каждая особь при этом делится на две или большее число клеток, которые называются дочерними, они идентичны родительской клетке. Перед делением клетки происходит репликация ДНК, а у эукариот - деление и ядра. В большинстве случаев происходит бинарное деление, при котором образуются две идентичные клетки. Таким образом делятся бактерии, многие простейшие, например амеба, и некоторые одноклеточные водоросли, например эвглена. При подходящих условиях это приводит к быстрому росту популяции. Множественное деление, при котором следом за рядом повторных делений клеточного ядра происходит деление самой клетки на огромное множество дочерних клеток, можно наблюдать у споровиков - это группа простейших, и к ним относится, например, возбудитель малярии Plasmodium. Стадия, на которой происходит множественное деление, называется шизонтом, а сам этот процесс - шизогонией. У Plasmodium шизогония следует за заражением хозяина, когда паразит проникает в печень. В результате этого получается сразу около тысячи дочерних клеток, каждая из которых способна инвазировать эритроцит и произвести путем шизогонии еще 24 дочерние клетки. Такая высокая плодовитость компенсирует большие потери из-за трудностей успешной передачи паразита отдельного хозяина другому, а именно от человека организму-переносчику, т. е. малярийному комару, и в обратном направлении.

Второй тип бесполого размножения - это образование спор, или споруляция. Спора - это одноклеточная репродуктивная единица обычно микроскопических размеров, состоящая из небольшого количества цитоплазмы и ядра. Образование спор можно наблюдать у бактерий, простейших, у представителей всех групп зеленых растений и всех групп грибов. Споры могут быть различными по своему типу и функции и часто образуются в специальных структурах. Например, у Rhiropus и Dryoptenis споры образуются в спорангиях; микроспоры (или пальцевые зерна) или мегаспоры (или зародышевые мешки) семенных растений образуются в особых спораниях, которые носят названия «пыльцевой мешок» и «семязачаток». Очень часто споры образуются в больших количествах, но они имеют ничтожный вес, и это облегчает их распространение ветром, а также животными, но главным образом - насекомыми. Из-за своих маленьких размеров спора обычно содержит лишь минимальные запасы питательных веществ; из-за того, что многие споры не попадают в подходящее место для прорастания, их потери очень велики. Главное достоинство таких спор заключается в возможности быстрого размножения и расселения видов, в особенности это касается грибов. Споры бактерий служат не для размножения, а для того, чтобы выжить при неблагоприятных условиях, потому что каждая бактерия образует только одну спору. Бактериальные споры относятся к числу наиболее устойчивых спор. Так, например, они очень часто выдерживают обработку сильными дезинфицирующими средствами и кипячением в воде. Важно отметить, что один организм может производить споры более чем одного типа; например, Rhiropus образует половые и бесполовые споры, а высшие растения производят бесполым путем микроспоры и мегаспоры

Третий тип бесполого размножения - это почкование. Почкованием называют одну из форм бесполого размножения, при которой новая особь образуется в виде выроста (или почки) на теле родительской особи, а затем отделяется от нее, при этом превращаясь в самостоятельный организм, который совершенно идентичен родительскому организму. Почкование встречается у различных групп организмов, особенно у кишечнополостных, например у гидры, и у одноклеточных грибов, таких, как дрожжи. В последнем случае почкование отличается от делений (которые тоже наблюдаются у дрожжей) тем, что две образующиеся части имеют разные размеры. Необычная форма почкования описана у суккулентного растения Bryophyllum - ксерофита, часто выращиваемого в качестве декоративного комнатного растения: по краям его листьев развиваются маленькие, миниатюрные растеньица, снабженные крошечными корешками; эти так называемые «почки» в конце концов отпадают и начинают существовать как самостоятельные растения.

Четвертый тип бесполого размножения - размножение фрагментами, или фрагментация. Фрагментацией называют разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых растет и образует новую особь. Фрагментация происходит, например, у нитчатых водорослей, таких, как спирогира. Нить спирогиры может разорваться на две части в любом месте. Фрагментация наблюдается также у некоторых низших животных, которые, в отличие от более организованных форм, сохраняют значительную способность к регенерации из относительно слабо регенерированных клеток. Например, тело намертин (это группа примитивных червей, главным образом - морских) особенно легко разрывается на много частей, каждая из которых может дать в результате регенерации новую особь. В этом случае регенерация - это процесс нормальный и регулируемый; но, несмотря на это, у некоторых животных (например, у морских звезд) восстановление из отдельных частей происходит только после случайной фрагментации. Животные, способные к регенерации, служат объектами для экспериментального изучения этого процесса; часто при этом используют свободно живущего червя планарию.

Пятый тип бесполого размножения - вегетативное. Вегетативное размножение представляет собой одну из форм бесполого размножения, при котором от растения отделяется относительно большая, обычно дифференцированная, часть и развивается в самостоятельное растение. По существу, вегетативное размножение сходно с почкованием. Нередко растения образуют структуры, специально предназначенные для этой цели: луковицы, клубне-луковицы, корневища, столоны и клубни. Некоторые из этих структур служат также для запасания питательных веществ, что позволяет растению переживать зиму и давать в следующем году цветки и плоды (это двулетние растения) или выживать в течение ряда лет (это многолетние растения). К таким органам, они называются зимующие, относятся луковицы, клубне-луковицы, корневища и клубни. Зимующими органами могут быть также стебли, корни или целые побеги (почки): во всех случаях содержащиеся в них питательные вещества создаются главным образом в процессе фотосинтеза, происходящего в листьях текущего года. Образовавшиеся питательные вещества переносят в запасающий орган, а затем обычно превращаются в резервный материал, например в крахмал. При наступлении неблагоприятных условий подземные части растений отмирают, а подземный зимующий орган переходит в состояние покоя. В начале следующего вегетативного периода запасы питательных веществ мобилизуются с помощью ферментов: почки пробуждаются и в них начинаются процессы активного роста и развития за счет запасенных питательных веществ.

Если прорастает больше одной почки, то можно считать, что размножение осуществилось. Последовательность этих событий очень тесно связана со сменой времен года, потому что она регулируется такими внешними факторами, как длина светового дня (это фотопериод) и температура. Глубокое влияние этих факторов на рост и развитие было давно доказано. Луковица - это видоизмененный побег, имеющийся, например, у лука, нарцисса и тюльпана. Она служит как зимующим органом, так и органом вегетативного размножения. Луковица состоит из очень короткого стебля и мясистых листьев, содержащих запасные питательные вещества. Снаружи она покрыта бурыми пленчатыми листьями - остатками прошлогодних листьев, запасные вещества которых были израсходованы. Луковица содержит одну или несколько дочерних луковиц (это детки, или зубки); каждая из них может образовать побег, который к концу вегетативного периода дает новую луковицу, и если их будет несколько, то это уже вегетативное размножение. Корни у луковиц придаточные, т. е. отходят непосредственно от стебля, а главного корня нет. Клубнелуковица - это короткий, вздутый вертикальный подземный стебель, как, например, у шафрана (Crocus) или гладиолуса (Gladiolus). Клубнелуковицы служат как запасающими органами, так и органами вегетативного размножения. Клубнелуковица состоит из вздутого основания стебля, окруженного защитными пленчатыми листьями; в отличие от луковицы, здесь нет мясистых листьев. Пленчатые листья - это остатки прошлогодних подземных листьев, корни придаточные.

К концу вегетативного периода они укорачиваются и втягивают новую клубнелуковицу в почву. Клубнелуковица (как и луковица) содержит одну или несколько деток, которые могут обеспечить вегетативное размножение. Корневище - представляет собой подземный стебель, растущий горизонтально. У одних растений, например у ириса и соломоновой печати (Polygonatum), корневище короткое и вздутое, содержащее запасные питательные вещества, а у других, таких, как пырей ползучий (Apropyron repens), мята (Mentha) и астры (Aster spp.), оно длинное и тонкое. Корневища обычно служат зимующим органом, а также органом вегетативного размножения. Корневище несет листья, почки и придаточные корни. Листья могут быть либо пленчатые, либо чешуйчатые (мелкие, тонкие, беловатого или коричневатого цвета), как у пырея, либо только зеленые, надземные, как у ириса, либо того и другого типа, как, например, у соломоновой печати, у которой листья обоих типов растут и на подземных побегах. Столон - это ползучий горизонтальный стебель, стелющийся на поверхности почвы, как, например, у ежевики (Rubus), крыжовника (Grossulania), черной и красной смородины (Ribes Spp.). Столон не служит зимующим органом. Корни у него придаточные, отходящие от узлов. Усы (или плети) - это разновидность столонов, которые быстро растут в длину, например у земляники (Aragaria) или у лютика ползучего (Ranunculus repens). Ус несет пленчатые листья с пазушными почками, которые дают начало придаточным корням и новым растениям. После укоренения новых растений прежние усы в конце концов разрушаются. Ус может также расти от одной из нижних пазушных почек на главном стебле. У земляники пленчатые листья и пазушные почки есть у каждого узла, но корни и надземные листья образует лишь каждый второй узел. Все пазушные почки могут дать начало новым усам. Клубень - это подземный запасающий орган, раздутый в результате накопления питательных веществ и способный перезимовать. Клубни живут только один год, а затем, после того как их содержимое будет использовано за время вегетативного периода, они ссыхаются. К концу вегетативного периода образуются новые клубни, но они возникают не из старых клубней (в отличие от клубнелуковиц, возникающих из прежних клубнелуковиц). Стеблевые клубни представляют собой структуры, образующиеся на концах тонких корневищ, как у картофеля (Solanum tuberosum).

На их стеблевое происхождение указывает наличие пленчатых листьев и почек в их пазухах. В следующем вегетативном периоде каждая такая почка может дать начало новому растению. Корневые клубни - это вздувшиеся придаточные корни, как, например, у иормины (Dahlia) и у Ranunculus ficaria. Новые растения развиваются из пазушных почек у основания старого стебля. Мясистые стержневые корни. Стержневой корень - это главный корень, развивающийся из первичного корешка. Корневая система стержневого типа характерна для двудольных растений. У некоторых растений, таких, как морковь (Daucus), пастернак (Pastinaca), брюква (Brassica napus), репа (Brassica rapa) и редька (Raphanus sativus), главный корень может утолщаться за счет развития паренхимной ткани, содержащей запасные питательные вещества. Вместе с почками, расположенными у основания старого стебля непосредственно над стержневым корневым, такие корни образуют зимующие органы и органы вегетативного размножения.

Мясистые стержневые корни двух типов в основном рассматриваются на таких растениях, как морковь и репа. Мясистые стержневые корни характерны для двулетних растений, у которых в первый год происходит вегетативный рост. Затем они переживают зиму за счет подземного запасающего органа, а на второй год образуются цветки и семена - и к концу года отмирают. Помимо описанных выше специализированных органов вегетативного размножения, новые растения могут регенерировать и некоторые другие, неспециализированные органы, если отделить их от родительского растения, например листья суккулента Sedum. Одной из форм вегетативного размножения можно также считать размножение черенками или отводками, применяемое в плодоводстве и цветоводстве. Черенки и отводки - это части растения, в подходящих условиях пускающие корни и образующие листья, превращаясь в самостоятельные растения. Таким образом можно искусственно размножить нужные сорта, которые при этом не изменяются. Нередко укоренение стимулируют добавлением ростового гормона. Для вегетативного размножения с успехом используют побеги пеларгонии и колеуса, веточки ивы (Salix Spp.) и Forsythia, а также листья бегонии и узамбарской фиалки (Saintpaulia ionantha). Другим важным и широко используемым способом искусственного вегетативного размножения служат прививки. Прививка состоит в пересадке одного растения (побега или почки) на нижнюю часть побега другого растения.

Пересаженную часть растения-донора называют привоем, а реципиента - подвоем. Подвой обрезают над местом прививки. Получающееся в результате растение обычно обладает корневой системой подвоя и побегом (в том числе цветками и плодами) привоя. Этот метод применяется в широких масштабах для размножения розовых кустов и плодовых деревьев, в особенности - яблонь. Он имеет два преимущества - позволяет сочетать в одном растении желательные признаки двух разных сортов или видов и дает возможность быстро получать в больших количествах новые комбинации: привой/подвой для продажи. Иногда удается получить прививки нескольких привоев на данном подвое; примером служат яблони, у которых на одном дереве вырастают десертные плоды и плоды, предназначенные для варки варенья и консервирования. Получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения называют клонированием. В начале 1960-х гг. были разработаны методы, позволяющие успешно клонировать некоторые высшие растения и животных. Эти методы возникли в результате попыток доказать, что ядра зрелых клеток, закончивших свое развитие, содержат всю информацию, необходимую для клонирования всех признаков организма, и что специализация клеток обусловлена включением и выключением определенных членов, а не утратой некоторых из них.

Первый успех был достигнут профессором Стюардом из Каренелльского университета, который показал, что, выращивая отдельные клетки корня моркови (т. е. ее съедобной части) в среде, содержащей нужные питательные вещества и гормоны, можно индуцировать процессы клеточного деления, приводящие к образованию новых растений моркови. Вскоре после этого Гердон, работавший в Оксфордском университете, впервые сумел добиться клонирования позвоночного животного. Позвоночные в естественных условиях клонов не образуют; однако, пересаживая ядро, взятое из клетки кишечника лягушки, в яйцеклетку, собственное ядро которой было предварительно разрушено путем облучения ультрафиолетом, Гердону удалось вырастить головастика, а затем и лягушку, идентичную той особи, от которой было взято ядро. Такого рода эксперименты не только доказывают, что дифференцированные (другими словами - специализированные) клетки содержат всю информацию, необходимую для развития целого организма, но и позволяют рассчитывать, что подобные методы можно будет использовать для клонирования позвоночных, стоящих на более высокой ступени развития, в том числе и человека. Клонирование нужных животных, например племенных быков, скаковых лошадей и т. п., может оказаться столь же выгодным, как и клонирование растений, которое, как было сказано, уже производится. Однако применение методов клонирования к человеку сопряжено с серьезными проблемами нравственного порядка. Теоретически можно создать любое число генетически тождественных копий данного мужчины или женщины. На первый взгляд, может показаться, что таким образом можно было бы воспроизводить талантливых ученых или деятелей искусства. Однако надо помнить, что степень влияния среды, оказываемого на развитие личности, еще не вполне ясна, а между тем любая клонируемая клетка должна снова пройти через все стадии развития, т. е. в случае человека - стадии зародыша, плода, младенца и т. д. Митоз - это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом, идентичными наборам родительской клетки. Вслед за ядерным делением обычно сразу же происходит деление цитоплазмы на две равные части, восстановление клеточной (плазматической) мембраны и клеточной стенки (у животных) и разделение возникших таким образом двух дочерних клеток. Весь этот процесс и называется клеточным делением. Митотическое деление клеток приводит к увеличению их числа, обеспечивая процессы роста, регенерации и замещения клеток у всех высших животных и растений. У одноклеточных организмов митоз служит механизмом бесполого размножения, ведущего к увеличению их численности. События, происходящие в ядре во время митоза, обычно наблюдают на фиксированных и окрашенных клетках. Такие препараты позволяют увидеть фазы, через которые проходят хромосомы при клеточном делении. Методы фазово-контрастной микроскопии и центраферной съемки давали возможность наблюдать, как происходит деление ядра в живых клетках. При быстром прокручивании пленки митоз предстает как непрерывный процесс, включающий черты стадии. Изменения, происходящие на этих стадиях в животной клетке, также хорошо изучены. Самое важное событие, происходящее во время митоза, - это равное распределение удвоившихся хромосом между двумя дочерними клетками. Митоз протекает в животных и растительных клетках почти одинаково, но имеется и ряд различий.

У разных организмов и в разных тканях митотическое деление клеток протекает с различной скоростью - с наибольшей у бактерий и у зародышей многоклеточных организмов и с наименьшей в высокодифференцированных тканях. Очень быстро могут делиться изолированные животные и растительные клетки при росте на питательных средах в условиях, оптимальных для деления. Клеточную популяцию, полученную от данной родительской клетки, называют клоном. Клетки, входящие в состав данного клона, не обязательно должны быть идентичны по строению и функции. Отдельные клетки, взятые из какого-либо организма, могут дать начало новой особи или новой ткани, идентичной той, из которой они были выделены: например, одна клетка, взятая из легкого, может дать начало легочной ткани с ее альвеолами и бронхиолами. Значение митоза очень велико. Во-первых, это генетическая стабильность. В результате митоза получаются два ядра, содержащие каждое столько же хромосом, сколько их было в родительском ядре.

Эти хромосомы происходят от родительских хромосом путем точной репликации ДНК, потому члены их содержат совершенно одинаковую наследственную информацию. Дочерние клетки генетически идентичны родительской клетке, так что никаких изменений в генетическую информацию митоз внести не может. Поэтому клеточные популяции (клоны), происходящие от родительских клеток, обладают генетической стабильностью. Во-вторых, значение митоза заключается в росте. В результате митозов число клеток в организме увеличивается (процесс, известный под названием гиперплазии), что представляет собой один из главных механизмов роста. И третье значение митоза заключается в бесполом размножении, регенерации и замещении клеток. Многие виды животных и растений размножаются бесполым путем, при помощи одного лишь митотического деления клеток. Способы вегетативного размножения были описаны выше. Кроме того, митоз обеспечивает регенерации утраченных частей (например, ног у ракообразных) и замещение клеток, происходящее в той или иной степени у всех многоклеточных организмов.

При всем изумительном богатстве форм жизни любому организму присущи одни и те же основные жизненные функции - питание, дыхание, рост и размножение. Все они очень тесно связаны между собой, но в то же время функция размножения по своему биологическому значению существенно отличается от всех других функций организма. Питание, дыхание, рост необходимы для поддержания жизни особи, поэтому эти процессы называют функциями индивидуальной жизни. При размножении возникают новые организмы, в основных чертах сходные с материнскими, и обычно в значительно большем числе. Размножение - это увеличение численности особей, подобных материнским. Процесс размножения не поддерживает жизни самой размножающейся особи, а иногда приводит даже к ее отмиранию. В природе вообще нет бессмертных особей, поэтому всем организмам и свойственно размножение, без которого было бы невозможно существование видов. Размножение, таким образом, является функцией, поддерживающей жизнь не особи, а вида. Поскольку размножение приводит к возрастанию численности особей, его следствием является расселение, т. е. увеличение площади обитания вида. Размножение - одно из основных свойств живого. Размножением называются все те процессы, которые приводят к увеличению числа биологических единиц. При этом предполагается, что между старыми и новыми биологическими единицами существует прямая преемственность. В основе размножения всегда лежит рост биологической системы.

Размещено на Allbest.ru