Размножение организмов

Все организмы состоят из клеток или являются одноклеточными, поэтому все виды размножения сводятся к делению клеток. Промежуток времени от начала одного деления до начала следующего называется клеточным циклом. Перед делением клетка должна удвоить количество всех веществ (вырасти) и осуществить редупликацию ДНК. Эти процессы происходят между двумя делениями, занимают бόльшую часть жизненного цикла и представляют собой период, называемый интерфазой.Иногда накопление веществ между делениями не происходит, тогда деление называется дроблением, но редупликация ДНК между делениями происходит всегда. Исключением является интерфаза между двумя делениями мейоза (см. ниже).

По количеству хромосом все эукариотные клетки можно разделить на диплоидные и гаплоидные. Диплоидными называются клетки, хромосомы которых являются парными. Хромосомы в каждой паре называются гомологичными. Одна из хромосом каждой пары достаётся данному организму от отцовского, а вторая – от материнского организма в половом процессе. Обе хромосомы в каждой паре имеют одинаковые наборы генов, т.е. каждый ген в диплоидной клетке задублирован.

Гаплоидными являются клетки, которые содержат ровно половину диплоидного набора хромосом, и все хромосомы являются не парными. Количество хромосом в гаплоидном наборе у каждого биологического вида составляет строго определённую величину от 1 (например, у аскариды) до нескольких десятков и даже сотен (у некоторых папоротников). Гаплоидное число хромосом принято обозначать латинской буквой «n». До редупликации каждая хромосома представляет собой одну упакованную молекулу ДНК. В этом состоянии число молекул ДНК (обозначается «с») равно количеству хромосом: n=с, а состояние клетки обозначается как nc. После редупликации каждая хромосома содержит две одинаковых молекулы ДНК. Каждая молекула формирует одну продольную половинку хромосомы, которая называется хроматида. Состояние такой клетки является гаплоидным по числу хромосом и диплоидным по числу молекул ДНК, обозначается как n2c. Соответственно, диплоидная клетка до редупликации ДНК имеет состояние 2n2c, а после редупликации – 2n4c

Гаплоидность является исходной и более древней формой организации генетического материала эукариот. Диплоидность возникла позднее в результате появления полового процесса. Преимущество диплоидности состоит в том, что уменьшаются вредные последствия мутаций, так как одновременная мутация двух одинаковых генов маловероятна. Диплоидность также повышает генетическое разнообразие организмов и повышает эффективность естественного отбора.

В ходе биологической эволюции на Земле сформировались разнообразные группы организмов с различными соотношениями гаплоидных и диплоидных форм: 1) виды, существующие в основном в гаплоидной форме (преимущественно примитивные древние формы); 2) диплоидные виды, у которых гаплоидны только половые клетки (преимущественно высшие многоклеточные животные); 3) виды с чередованием гаплоидных и диплоидных поколений (многие виды растений и низших животных).

Существует несколько способов деления клеток, из которых основными для эукариотных клеток можно считать митоз и мейоз.

Митоз (кариокинез) – самый распространённый способ деления. Им могут делиться как диплоидные, так и гаплоидные клетки, сохраняя при этом свою диплоидность или гаплоидность.

Во время митоза распадается ядро клетки, каждая молекула ДНК плотно упаковывается, образуя видимую в микроскоп хромосому. Затем две хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга, расходятся и формируют на полюсах клетки два новых хромосомных набора (рис.3.11). После этого образуются два ядра и материнская клетка делится на две дочерних клетки, обладающих абсолютно идентичными генотипами. Генотип – полный набор генов одного организма.

Митозом делятся клетки во время роста многоклеточных организмов или клетки повреждённых тканей (регенерация), а также клетки одноклеточных организмов при бесполом размножении. Продолжительность деления составляет 15-20 % клеточного цикла, который в зависимости от размеров клетки может длиться от 0,5 ч до нескольких суток.

Мейоз – способ деления, связанный с половым размножением организмов. Мейозом делятся только диплоидные клетки 2n4c.

Особенность мейоза состоит в том, что он представляет два следующих друг за другом деления, между которыми отсутствует редупликация ДНК (рис.3.12). В первом делении мейоза в новые клетки расходятся гомологичные хромосомы, имеющие в своём составе по 2 хроматиды каждая. В результате из одной клетки 2n4c образуется две клетки с генотипом n2c. Эти клетки проходят второе деление мейоза, в котором во вновь образующиеся клетки расходятся хроматиды каждой хромосомы. В конечном итоге образуются 4 клетки с генотипом nc каждая.

Мейоз имеет ещё одну важную особенность в виде обмена генами между гомологичными хромосомами, который происходит в первом делении мейоза и называется кроссинговером. Это приводит к увеличению генетического разнообразия половых клеток (гамет) и потомства, что в свою очередь расширяет возможности естественного отбора и ускоряет эволюцию. На рис.3.12 кроссинговер не показан. В действительности с учётом кроссинговера образовалось бы не два, а четыре сорта гамет, т.е. все четыре клетки были бы генетически различными.

У разных групп организмов мейоз может протекать на разных этапах жизненного цикла: у гаплоидных организмов мейозом делится зигота, у диплоидных – мейоз предшествует образованию гамет, а при чередовании гаплоидных и диплоидных фаз развития в результате мейоза образуются гаплоидные споры.

Бесполымявляется размножение, осуществляемое одним организмом. Этим способом могут размножаться все организмы за исключением высших многоклеточных животных. Новый организм образуется из неполовых (соматических) клеток, образованных митозом (кроме бактерий) и отделяемых различными способами от материнского организма. К примерам такого размножения можно отнести деление митозом одноклеточных организмов, почкование кишечнополостных, развитие многоклеточных организмов из специально отделяемых скоплений или из одиночных соматических клеток. При этом если одиночные клетки приобретают особое строение и не выполняют других функций, кроме размножения, то они называются спорами. Аналогично выделяющиеся по строению группы соматических клеток становятся специализированными органами бесполого размножения. У высших животных такая способность размножения в ходе эволюции была утрачена.

Высшие растения могут образовывать новые особи из различных вегетативных органов, для которых размножение не является основной и единственной функцией. Это могут быть корни, побеги, листья, клубни, луковицы, почки. В таких случаях размножение может рассматриваться как частный случай бесполого и называется вегетативным.

Половое размножение связано с объединением генетических наборов двух организмов. Первоначально такой процесс появился у одноклеточных в виде слияния (копуляции) двух гаплоидных клеток с образованием диплоидных организмов. Затем появилась способность производить специальные половые клетки – гаметы. Гаплоидные гаметы могут образовываться диплоидными организмами путём мейоза, или гаплоидными организмами путём митоза. При слиянии гамет образуется диплоидная клетка – зигота, из которой развивается диплоидный организм или после деления мейозом производятся гаплоидные клетки, из которых развивается гаплоидное поколение.

Совершенствование полового процесса привело к появлению его разновидностей (рис.3.13). Самым примитивным является процесс в виде слияния двух одинаковых по строению и свойствам гамет. Такой процесс называется изогаметным или изогамным. Более совершенным является анизогамный (гетерогамный) половой процесс, когда одна гамета (женская) является более крупной и менее подвижной, а вторая (мужская) имеет меньшие размеры и движется быстрее. Гетерогаметность исключает самооплодотворение, т.е. обеспечивает генетическое разнообразие. Предельным случаем гетерогамии является оогамный половой процесс, при котором очень крупная и неподвижная гамета называется яйцеклеткой, а очень мелкая и подвижная – сперматозоидом. У некоторых примитивных гаплоидных многоклеточных существует способность слияния специальных выростов тел (соматических клеток) с последующим формированием диплоидной стадии. Такой половой процесс получил название соматогамия.

Ещё одним способом, который можно рассматривать как вариант, при котором сочетаются признаки полового и бесполого размножения, является партеногенез. При партеногенезе новый организм развивается из яйцеклетки без её оплодотворения. Такой способ размножения встречается у растений, многих насекомых, некоторых видов земноводных и пресмыкающихся. В растениеводстве таким способом получают бессемянные партенокарпические плоды.