СЕКСУАЛНА РЕПРОДУКЦИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ, РАСТЕНИЯ, ЖИВОТНИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В полово размножаване е размножаването на лица от двама родители с различен пол: мъжки и женски - освен когато става дума за полово размножаване в или протозои, където има е без разлика на пол. Това е широко разпространен процес при еукариотни организми.

Всеки индивид, който участва в сексуалната репродукция, произвежда вид специализирани клетки от зародишни линии: сперма и яйца. Те са причинени от вид специализирано клетъчно деление, наречено мейоза. Това събитие е решаващата разлика между асексуалното и сексуалното възпроизвеждане.

Източник: От Manojiritty, от Wikimedia Commons

Процесът започва с обединението на две гамети, които пораждат зигота. По-късно зиготата ражда нов индивид с характеристики на своите родители и с определени уникални характеристики.

Поради повсеместността на процеса, заключаваме, че сексуалната репродукция включва редица предимства пред асексуалното възпроизвеждане. Възможните недостатъци на сексуалното възпроизводство обаче са по-забележими: времето и енергията, инвестирани в търсенето на приятели, конкуренцията за женските, разходите за производство на гамети, които не са оплодени, наред с други.

Изглежда, че разходите са много високи, така че те трябва да имат значителни предимства, за да помогнат за компенсирането им. Ползите от сексуалното възпроизвеждане са обект на спорове и дискусии сред еволюционните биолози.

Една от хипотезите предполага, че сексуалното възпроизводство е от полза, тъй като произвежда разновидности, които по време на промени в околната среда биха могли да бъдат полезни за вида. Всъщност производството на генетична променливост е едно от предимствата, приписвани на секса.

От друга страна, някои изследователи предполагат, че сексуалното възпроизвеждане, по-специално рекомбинацията, е избрано като механизъм за възстановяване на ДНК. Въпреки това разпространението на секса, въпреки разходите му, все още е неизвестно.

Основни характеристики

Сексът е сложен феномен, който варира значително сред еукариотните таксони. Като цяло можем да го разберем като процес, който включва три етапа: сливане на две хаплоидни ядра, явление на рекомбинация, което произвежда нови генотипове, и разделяне на диплоидни клетки за образуване на хаплоидни ядра.

От тази гледна точка сексът в еукариотите зависи от жизнения цикъл, в който диплоидните клетки трябва да се разделят чрез мейоза. Този процес на мейотично деление е отговорен за разпространението на генетичния материал на бъдещите гамети.

Мейозата има за цел да отдели хомоложни хромозоми по такъв начин, че всяка гамета да има половината от соматичните хромозоми. В допълнение към намаляването на генетичното натоварване, в мейозата се случва и обменът на материал между несестринските хроматиди, което води до напълно нови комбинации.

гамети

Гаметите са половите клетки на организмите, които се генерират от мейоза и съдържат половината от генетичния товар, тоест те са хаплоидни.

Гаметите варират както при растенията, така и при животните и се класифицират в три основни категории в зависимост от техния размер и относителна подвижност: изогамия, анигомия и оогамия.

Изогамията е форма на сексуална репродукция, при която гаметите, които се сливат, за да доведат до нов индивид, са идентични по размер, мобилност и структура. Изогамията е представена главно в растенията.

За разлика от тях, анизогамията се състои от обединението на две гамети, които се различават по размер и структура. Един особен вид анизогамия е оогамия, при която мъжките гамети са сравнително малки по размер и изобилни по брой. Женските са много по-забележими и се произвеждат в по-малък брой.

Сексуална репродукция при животни

В животинското царство сексуалното възпроизвеждане е широко разпространено явление сред членовете на групата.

Почти всички безгръбначни и гръбначни животни притежават полове в отделни организми - тоест можем да различим мъжки и женски индивид във вид. Това състояние се нарича двудомно, термин, произхождащ от гръцките корени „две къщи“

За разлика от тях има някои по-малко многобройни видове, чийто пол присъства в един и същ индивид, наречен еднояйцев: „къща“. Тези животни са известни още като хермафродити.

Разграничаването между половете не се дава от морфологични характеристики по размер или оцветяване, а от вида на гамети, които всеки пол произвежда.

Женските произвеждат овулите, характеризиращи се с големи размери и неподвижност. Спермата, от друга страна, се произвежда от мъжки в по-голямо количество, те са много по-малки и имат специални структури за движение и оплождане на яйцеклетката.

По-нататък ще опишем типичните полови органи на животните и след това ще детайлизираме процеса на размножаване във всяка група животни.

Структури, свързани с възпроизвеждането

Специализираните клетки за сексуална репродукция - яйца и сперма - се произвеждат в специфични тъкани, наречени полови жлези.

При мъжете тестисите са отговорни за производството на сперма, докато женските гамети се образуват в яйчниците.

Гонадите се считат за първични полови органи. Спомагателните полови органи присъстват във важна група метазои, които са отговорни за приемането и пренасянето на яйца и сперматозоиди. При женските откриваме вагината, маточните тръби или фалопиевите тръби и матката, докато при мъжете има пениса.

шуплест

Порфиферите обикновено са известни като гъби и могат да се възпроизвеждат както сексуално, така и асексуално. При повечето видове производството на мъжки и женски гамети става в един индивид.

Хоаноцитите са особен вид клетки от тази линия, които могат да се трансформират в сперматозоиди. В други групи гаметите могат да бъдат получени от археоцити.

Много видове са живородни, което показва, че след феномена на оплождане зиготата се задържа от родителския организъм до настъпването на освобождаване на ларва. При тези видове спермата се отделя във водата и се поема от друга гъба.

Cnidarians

Cnidarians са морски организми, които включват медузи и други подобни. Тези животни имат две морфологии: първата е полипа и се характеризира със седалищен начин на живот, докато втората е медузата, която е способна да се движи и плава.

Полипите обикновено се възпроизвеждат асексуално чрез процеси на пъпкуване или делене. Медузата е двудомна и се възпроизвежда сексуално. Жизненият цикъл в тази група е силно променлив.

Ацеломорфи и плоски червеи

Плоските червеи, като планари, са известни предимно със способността си да регенерират и произвеждат множество клонинги асексуално от един индивид.

Повечето от тези вермиформени животни са еднородни. Те обаче търсят партньор, който да извърши кръстосаното оплождане.

Мъжката репродуктивна система включва няколко тестиса и структура, подобна на папила, подобна на пенисите на сложни гръбначни животни.

Мекотели и аналиди

Повечето мекотели са двудомни и тяхното размножаване поражда свободно плуваща ларва, наречена trocófera (много подобна на ларвите, присъстващи в коляновете) и варира според вида на мекотелите.

По същия начин, анелидите имат отделен пол, а при някои имат полови жлези, които се появяват временно.

Членестоноги

Членестоногите са изключително разнообразна група животни, характеризираща се с екзоскелет, съставен от хитин и съединени придатъци. Тази поредица включва мириаподите, хеликератите, ракообразните и шестопадите.

Полите обикновено са разделени, органите, специализирани в репродукцията, се появяват по двойки. Повечето от видовете имат вътрешно торене. Те могат да бъдат яйцевидни, ovoviviparous или viviparous.

бодлокожи

Ехинодермите включват морски звезди, морски краставици, морски таралежи и други подобни. Въпреки че има някои хермафродитни видове, повечето се характеризират с отделен пол. Половите са големи структури, каналите са прости и няма сложни копулаторни органи.

Оплождането се извършва отвън и се развива двустранна ларва, която може да се движи свободно в тялото на водата. Някои видове имат пряко развитие.

Chordates

Повечето от полове са отделни. В тази група намираме по-сложни органи за възпроизвеждане. Всеки пол има полови жлези с канали, които насочват продуктите от тях към клоака или към някакъв специален отвор, разположен близо до ануса. В зависимост от групата, торенето може да бъде външно или вътрешно.

Партеногенеза при животни

Партеногенезата е явление широко представено в животинското царство, главно при безгръбначни и някои гръбначни животни, което позволява генерирането на нов индивид само с един родител. Въпреки че това е форма на асексуално възпроизвеждане, някои видове партеногенеза се считат за видове сексуална репродукция.

При мейотичната партеногенеза яйцеклетката се образува чрез мейоза и може или не може да бъде оплодена от сперма от мъжки пол.

В някои случаи яйцата трябва да се активират от мъжката полова гама. В този случай няма сливане и на двете ядра, тъй като генетичният материал от спермата се изхвърля.

Въпреки това, при някои видове яйцеклетката може да се развие спонтанно, без да е необходим процес на активиране.

Полово размножаване в растенията

Аналогично на случая с животни, растенията могат да бъдат подложени на сексуално възпроизвеждане. Състои се от обединението на две хаплоидни гамети, които ще доведат до нов индивид с уникални генетични характеристики.

Растението може да има мъжки и женски органи в един индивид или те могат да бъдат разделени. При краставицата и млечния пол се разделят, докато при рози и петунии половете са заедно.

Цветето

Органът, който отговаря за процесите на сексуално размножаване, са цветята. Тези специализирани структури имат региони, които не участват пряко в репродукцията: чашката и венчето и сексуално активни структури: андроециум и гиноециум.

Андроецият е мъжкият репродуктивен орган, съставен от тичинка, която от своя страна е разделена на нишка и прашник. Този последен регион е отговорен за производството на цветен прашец.

Гиноециумът е женският орган на цветята и се състои от единици, наречени килими. Структурата е подобна на удължена "капка" и е разделена на стигмата, стила и накрая яйчника.

опрашване

Процесът на полово размножаване в растенията протича главно чрез опрашване, което се състои в транспортирането на цветен прашец от прашника до стигмата.

Опрашването може да се случи в едно и също цвете (прашените зърна отиват в женския орган на едно и също растение) или може да бъде кръстосано, където поленовите зърна оплождат различен индивид.

В повечето растения намесата на животно е необходима за извършване на опрашване. Това могат да бъдат безгръбначни животни като пчели или други насекоми или гръбначни животни като птици и прилепи. Растението предлага опрашителя нектар като награда и те отговарят за разпръскването на прашеца.

Флоралните структури, които не участват пряко в репродукцията, са короната и чашката. Това са модифицирани листа, в много случаи с ярки и живи цветове, които са отговорни за визуалното или химическото привличане на потенциалния опрашител.

По подобен начин някои растения не изискват опрашители на животни и използват вятър или вода за разпръскване на цветен прашец.

Торене, семена и плодове

Процесът започва с пристигането на поленовите зърна към стигмата на цветето. Те пътуват по стил, докато намерят яйчника.

Двойното торене е типично за цъфтящите растения и е уникално сред всички организми. Явлението се случва по следния начин: ядро ​​на сперма се обединява с яйцеклетка, а друго ядро ​​от сперматозоиди се слива с диплоиден ембрион на спорофита.

Резултатът от това необичайно оплождане е триоплоиден ендосперм, който ще действа като хранителна тъкан за развитието на организма. След като настъпи успешното съзряване на овулите, те се трансформират в семената. Плодът, от друга страна, се образува от зрелите яйчници.

Плодът може да бъде класифициран като прост, ако идва от зрял яйчник и да се добави, ако се развие от няколко яйчника, като например ягодата.

Сексуално възпроизвеждане в бактерии

Бактериите са известни предимно със способността си да се възпроизвеждат асексуално.

В тази прокариотна линия индивидът е способен да се раздели на две чрез процес, наречен бинарно делене. Съществуват обаче редица механизми в бактериите, които напомнят за сексуална репродукция, тъй като има обмен на генетичен материал.

До средата на 40-те години се смяташе, че бактериите се възпроизвеждат изключително асексуално. Въпреки това, изследователите Джошуа Ледерберг и Едуард Тейтъм опровергаха това убеждение чрез гениален експеримент, използващ бактериите Е. coli с различни хранителни изисквания като модел.

Експериментът се състои от щам А, растящ в минимална среда с метионин и биотин, и щам В, който расте само в среда с треонин, левцин и тиамин. С други думи, всеки щам носи мутация, която му пречи да синтезира тези съединения, следователно те трябваше да бъдат синтезирани в хранителната среда.

Когато колониите бяха в контакт няколко часа, индивидите придобиха способността да синтезират хранителни вещества, които преди това не можеха. По този начин Ледерберг и Тейтъм демонстрираха, че има процес на обмен на ДНК, подобен на сексуалното възпроизвеждане и го нарекоха конюгиране.

спрежение

Процесът на конюгиране се осъществява чрез мостоподобна структура, наречена сексуални пили, която физически свързва две бактерии заедно и им позволява да обменят ДНК.

Тъй като бактериите нямат сексуален диморфизъм, не можем да говорим за мъже и жени. Въпреки това, само един вид може да произведе пили и те имат специални фрагменти от ДНК, наречени фактор F, за „плодородие“. Фактор F притежава гените за производство на pili.

ДНК, участваща в обмена, не е част от единичната бактериална хромозома. Вместо това е изолирана кръгова част, наречена плазмид, която има собствена система за репликация.

Трансформация

В допълнение към конюгирането има и други процеси, при които бактериите могат да получат допълнителна ДНК и се характеризират с това, че са по-прости от конюгирането. Едно от тях е трансформацията, която се състои в отнемане на гола ДНК от външната среда. Този екзогенен фрагмент на ДНК може да бъде интегриран в бактериалната хромозома.

Механизмът на трансформация влиза в концепцията за сексуална репродукция. Въпреки че бактериите взеха свободна ДНК, този генетичен материал трябваше да идва от друг организъм - например бактерия, която умря и пусна своята ДНК в околната среда.

Трансдукция

Третият и последен известен механизъм на бактериите за получаване на чужда ДНК е трансдукция. Това предполага участието на вирус, който заразява бактериите: бактериофаги.

При трансдукция вирусът взема част от бактериална ДНК и когато зарази бактерия, разликата може да предаде този фрагмент към него. Някои автори използват термина „парасексуални събития“ за обозначаване на тези три механизма.

Еволюционна перспектива

Широко разпространената сексуална репродукция в организмите е забележителен факт. По този начин един от най-големите въпроси в еволюционната биология е защо сексът е разпространен в толкова много родове, ако това е енерго скъпа дейност - а в някои случаи дори опасна.

Предполага се, че селективните сили, породили сексуалната репродукция при еукариотите, са същите, които поддържат парасексуалните процеси, описани за бактериите.

Секс разходи

В светлината на еволюцията терминът "успех" се отнася до способността на индивид да предаде гените си на следващото поколение. Парадоксално е, че сексът е процес, който не отговаря напълно на това определение, тъй като серия от разходи, свързани с репродукцията.

Сексуалната репродукция включва намиране на половинка и в повечето случаи тази задача не е тривиална. В това начинание трябва да се вложи огромно количество време и енергия, което ще определи успеха на потомството - по отношение на намирането на „идеалната половинка“.

Животните показват поредица от ритуали, за да ухаят потенциалните си съдружници и в някои случаи трябва да се борят да излагат своя собствен живот, за да постигнат съвкупление.

Дори на клетъчно ниво сексът е скъп, тъй като разделянето чрез мейоза отнема много повече време от митозата. Така че защо повечето еукариоти се възпроизвеждат сексуално?

Има две основни теории. Едната е свързана с сливането на клетки като механизъм за хоризонтално предаване на "егоистичен" генетичен елемент, докато втората теория предлага рекомбинация като механизъм за възстановяване на ДНК. По-долу ще опишем плюсовете и минусите на всяка теория:

Ползи за секс

За да отговорим на този въпрос, трябва да се съсредоточим върху възможните ползи от сексуалната репродукция при първите еукариоти.

Сливането на гамети за образуване на зигота води до комбинация от два различни генома, които са в състояние да компенсират възможните дефектни гени в един геном с нормално копие на другия.

При хора, например, наследяваме по едно копие от всеки родител. Ако наследим дефектен ген от майка си, нормалният ген от баща ни може да го компенсира (в такъв случай, че патологията или заболяването се представя само като хомозиготна рецесивна).

Втората теория - не толкова интуитивна като първата - предлага мейозата да действа като възстановителен механизъм в ДНК. Увреждането на генетичния материал е проблем, с който всички организми трябва да се сблъскат. Има обаче организми, които се възпроизвеждат само асексуално и тяхната ДНК не е особено увредена.

Друга хипотеза разкрива, че сексът може да се е развил като паразитна адаптация между егоистични генетични елементи, за да бъде разпространен в други генетични родове. Подобен механизъм е доказан при E. coli.

Въпреки че има възможни обяснения, еволюцията на секса е обект на разгорещен дебат сред еволюционните биолози.

Сексуален подбор

Сексуалният подбор е концепция, въведена от Чарлз Дарвин, която е приложима само за сексуално възпроизвеждащи се популации. Използва се за обяснение на наличието на поведения, структури и други качества, чието съществуване не може да бъде представено чрез естествен подбор.

Например, много цветното и донякъде „преувеличено“ оперение на пауни не дава преки ползи за индивида, тъй като го прави по-видим за потенциалните хищници. Освен това той присъства само при мъже.

Препратки

1. Colegrave, N. (2012). Еволюционният успех на секса: Серия Science & Society за секс и наука. EMBO Reports, 13 (9), 774-778.
2. Crow, JF (1994). Предимства на сексуалната репродукция. Генетика за развитие, 15 (3), 205-213.
3. Freeman, S., & Herron, JC (2002). Еволюционен анализ. Prentice Hall.
4. Goodenough, U., & Heitman, J. (2014). Произход на еукариотичното сексуално възпроизвеждане. Перспективи на студеното пристанище в биологията, 6 (3), a016154.
5. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Интегрирани принципи на зоологията. Ню Йорк: McGraw-Hill.
6. Leonard, J., и Córdoba-Aguilar, A. (ред.). (2010 г.). Еволюцията на първичните сексуални характери при животните. Oxford University Press.
7. Sawada, H., Inoue, N., & Iwano, M. (2014). Сексуална репродукция при животни и растения. Springer-Verlag GmbH.