Размножение и развитие организмов

Размножение и развитие организмов

План

  1. Понятие и значение размножения.
  2. Формы и виды размножения.
  3. Клеточный цикл. Митоз. Мейоз.
  4. Строение гамет. Гаметогенез.

1. Понятие и значение размножения

Одним из свойств живого является дискретность, т.е. на любом уровне организации живая материя представлена элементарными структурными единицами. Каждая особь данного вида смертна, и существование вида поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство, т.е. процесс размножения.

Размножение — это способность живых существ воспроизводить себе подобных. При этом обеспечивается непрерывность и преемственность жизни. Преемственность определяется тем, что в процессе размножения генетический материал передается от родителей к потомству, в результате родительские признаки в той или иной степени проявляются и у дочерних организмов.

Значение размножения:

  1. Увеличение или поддержание численности вида. За счет размножения происходит не только репродукция (т.е. воспроизведение себе подобных), но и увеличение численности живых организмов.
  2. Непрерывность жизни. Благодаря размножению более или менее крупные группы особей (например, популяции и виды) могут существовать на протяжении довольно длительного времени, так как снижение их численности вследствие естественной гибели особей компенсируется за счет постоянного воспроизведения организмов и замещения умерших вновь родившимися.
  3. Преемственность между поколениями. В процессе размножения передается генетическая информация от особей родительского поколения, обеспечивая воспроизведение признаков конкретных родителей и всего вида к которому принадлежит организм.
  4. Реализуются такие свойства живого как наследственность и изменчивость.

2. Формы и виды размножения

Известны две основные формы размножения: половое и бесполое.

Бесполое размножение

При бесполом размножении новая особь появляется из неспециализированных неполовых клеток тела — соматических. Поэтому при бесполом размножении участвует одна особь. Бесполое размножение гарантирует воспроизведение большого количества идентичных особей, что выгодно для видов, обитающих в постоянных условиях. Быстрое и многочисленное воспроизведение потомства, идентичного материнскому является биологическим смыслом бесполого размножения.

В природе существуют разные варианты бесполого размножения: деление, споруляция, фрагментация, почкование, вегетативное размножение, клонирование.

Их можно разделить в зависимости от того, сколько клеток участвуют в процессе бесполого размножения:

  1. бесполое размножение, при котором дочернее поколение возникает из одной клетки:
    • деление клетки
    • множественное деление клетки (шизогония)
    • спорообразование (споруляция)
    • почкование у одноклеточных (дрожжи)

2) бесполое размножение, в основе которого лежит деление группы клеток:

  • вегетативное
    • фрагментация
    • почкование у многоклеточных (гидра)

Существует ещё одна классификация, согласно которой вариантами бесполого размножения являются:

  1. вегетативное размножение (т.е. деление частями материнского организма):

- деление

- множественное деление (шизогония)

- почкование

- фрагментация

- размножение растений черенками, луковицами, листьями, корневищами

  1. размножение спорами, т.е. спорообразование

Рассмотрим типы бесполого размножения подробнее.

Деление. Наиболее простая форма бесполого размножения. Различают различные варианты деления:

  • Деление путем простой перетяжки с образованием при этом из одного родительского организма двух дочерних. Характерно для бактерий и цианобактерий.
  • Деление путем митотического деления ядра с последующим разделением цитоплазмы. Свойствено одноклеточным организмам (многим простейшим – амеба, эвглена зеленая и др.; одноклеточным водорослям – хламидомонада и др.).

И в том и в другом случае происходит бинарное деление, т.е. на две клетки. Однако возможен и другой вариант:

  • Множественное деление (шизогония). Сначала многократно делится ядро и затем происходит деление цитоплазмы на части. Например, размножение малярийного плазмодия (возбудителя малярии) в эритроцитах человека. В этом случае у плазмодиев происходит много раз повторяющееся деление ядра, после чего делится цитоплазма. В результате 1 плазмодий дает начало 12-24 дочерним организмам.

Образование спор (споруляция). Очень широко распространенный способ бесполого размножения среди живых организмов и встречается практически у всех растений, грибов и некоторых простейших (например, тип споровики), а также прокариотических организмов (у многих бактерий, синезеленых водорослей).

Спора — это клетка, покрытая развитым защитным покровом — споровой оболочкой, позволяющей переносить действие различных неблагоприятных факторов внешней среды. Вследствие малых размеров спора обычно содержит лишь минимальные запасы питательных веществ. У многих организмов она является основной единицей расселения, так как большие количества образующихся легких спор свободно переносятся на значительные расстояния движением воздушных масс и потоками воды. Нередко споры образуются в больших количествах и имеют ничтожный вес, что облегчает их распространение ветром, а также животными, главным образом насекомыми.

Кроме того, у некоторых форм (простейшие, грибы) споры могут выступать в качестве особой стадии жизненного цикла, позволяющей «переживать» действие неблагоприятных факторов среды. Споры бактерий служат, строго говоря, не для размножения, а для того, чтобы выжить при неблагоприятных условиях, поскольку каждая бактерия образует только одну спору. Бактериальные споры относятся к числу наиболее устойчивых: так, например, они нередко выдерживают обработку сильными дезинфицирующими веществами и кипячение в воде.

У многих растений процесс образования спор (спорогенез) осуществляется в особых мешковидных структурах — спорангиях. Споры могут быть как подвижными, благодаря наличию жгутикового аппарата (в этом случае они называются зооспорами), так и неподвижными, лишенными способности активно передвигаться.

Зооспоры наблюдаются у некоторых зеленых водорослей. Среди животных спорообразование наблюдается у малярийного плазмодия и целой группы споровиков (одноклеточные).

Почкование. Встречается как у одноклеточных, например, у дрожжей и некоторых видов инфузорий, так и у многоклеточных, например, у представителей типа кишечнополостные (гидра), а также для оболочников (класс асцидии).

Для одноклеточных этот способ заключается в том, что на материнской клетке образуется бугорок (вырост) с ядром, который затем отделяется и становится самостоятельным организмом.

Для многоклеточных этот способ заключается в том, что вначале на теле материнской особи возникает небольшой бугорок, увеличивающийся в размерах, затем появляются зачатки всех структур и органов, характерных для материнского организма. Потом происходит отделение (отпочковывание) дочерней особи. После этого молодой, вновь отделившийся организм растет и достигает размеров исходного экземпляра.

Рис. Почкование у кишечнополостных (гидра), 1 – взрослый организм, 2 – дочерний почкующийся организм.

Необычная форма почкования описана у суккулентного растения Bryophyllum - ксерофита, часто выращиваемого в качестве декоративного комнатного растения: по краям его листьев развиваются миниатюрные растеньица, снабженные маленькими корешками, эти «почки» в конце концов отпадают и начинают существовать как самостоятельные растения.

Фрагментация – разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых развивается в новый организм. Фрагментация происходит, например, у нитчатых водорослей, таких как спирогира. Нить спирогиры может разорваться на две части в любом месте, из которых в дальнейшем образуются два организма.

Фрагментация наблюдается также у некоторых низших животных, которые в отличие от более высокоорганизованных форм сохраняют значительную способность к регенерации из относительно слабо дифференцированных клеток. Например, тело немертин (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 – процесс нормальный и регулируемый; однако у некоторых животных (например, у морских звезд) восстановление из отдельных частей происходит только после случайной фрагментации. Фрагментация наблюдается у губок, кишечнополостных (гидр), медуз, иглокожих, кольчатых и плоских червей. Иногда такая способность развита настолько хорошо, что целая особь восстанавливается из отдельного фрагмента.

Рис. . Регенерация морской звезды из одного луча. А, Б, В — последовательные стадии регенерации

Вегетативное размножение – это размножение, при котором из части, отделившейся от материнского организма, развивается новый дочерний организм. При этом от материнского экземпляра отделяется достаточно хорошо дифференцированная часть, которая далее развивается в самостоятельное растение. Либо растение образует особые структуры, специально предназначенные для вегетативного размножения. Например, луковицы, клубни, клубнелуковицы, корневища, усы, почки. Некоторые из этих структур служат также для запасания питательных веществ, что позволяет растению пережить периоды неблагоприятных условий, таких как холода или засуха. Вегетативное размножение характерно для многих групп растений — от водорослей до цветковых.

Принципиально вегетативное размножение практически не отличается от фрагментации или почкования, но традиционно этот термин применяется по отношению к растительным организмам и лишь иногда к животным, в противоположность фрагментации и почкованию.

Клонирование. Это искусственный способ размножения, не встречающийся в естественных условиях. Он получил распространение только в последние 30-40 лет и все чаще используется в хозяйственных целях. Существует ряд специальных методик, позволяющих клонировать некоторые растения и животных. Клоном называется совершенно одинаковое в генетическом отношении потомство, полученное от одной особи в результате того или иного способа бесполого размножения. Отсюда происходит и название данного способа.

Особенно широко эксперименты по клонированию проводятся на растениях, что связано с их высокой способностью к регенерации. Отдельные клетки помещают на питательные среды, где они делятся, и, используя особые методики, получают неорганизованную массу клеток, или каллус. Затем вызывают дифференциацию первично гомогенных каллусов и образование различных тканей и органов и, в конечном счете, целого растительного организма, обладающего всеми теми свойствами, что и исходный, от которого были взяты клетки.

Используя метод клонирования, можно получать различные гибридные формы. Так, с помощью ферментов или ультразвука удаляют клеточные стенки растительных клеток, после чего полученные «голые» протопласты могут сливаться, в результате возникают гибридные клетки (например, томатно-картофельный или табачно-петуниевый гибриды). После этого клеточные стенки восстанавливаются, образуется каллус, а затем и целое гибридное растение.

В случае с животными используется такой метод: ядро яйцеклетки удаляется или разрушается, а на его место помещается ядро какой-либо соматической клетки (например, клетки эпителия). В дальнейшем из такой яйцеклетки может быть получен организм, идентичный по признакам животному — донору ядра. Таким способом можно получать клоны некоторых животных — шпорцевых лягушек (Xenopus), тритонов (Triturus). В настоящее время получены даже клоны млекопитающих, как, например, всем известная овечка Долли. Разработкой методик клонирования занимается особая отрасль биологии — биотехнология, задачи которой этим вовсе не ограничиваются.

Половое размножение

Половым размножением называется смена поколений и развитие организмов на основе слияния специализированных половых клеток (гамет) и образования зиготы. Образование гамет (женской и мужской, яйцеклетки и сперматозоида), происходит в половых железах.

Половое размножение характерно для подавляющего большинства живых существ, является более прогрессивным по сравнению с бесполым и имеет колоссальные генетические преимущества. Половое размножение наилучшим образом обеспечивает генетическое разнообразие потомства, т.к. происходит комбинация генов, до этого принадлежавших обоим родителям. Разнообразие генотипов особей, составляющих вид, обеспечивает возможность более успешного и быстрого приспособления вида к меняющимся условиям обитания.

При оплодотворении гаметы сливаются, образуя диплоидную зиготу, из которой в процессе развития получается зрелый организм. Гаметы гаплоидны - они содержат один набор хромосом, зигота – диплоидна, содержит двойной набор хромосом. Это первая клетка будущего организма.

Гаметы обычно бывают двух типов - мужские и женские. Они производятся мужскими и женскими родительскими особями, если вид является раздельнополым; (таковы некоторые цветковые растения, большинство животных и человек) или одной и той же особью (гармафродитизм).

Для мужских и женских особей животных характерен половой диморфизм - т.е. половые различия в строении, внешнем облике (размеры, окраска и другие свойства), а также в поведении. У животных он встречается уже на низших ступенях эволюционного развития, например у круглых гельминтов, членистоногих, и достигает наибольшего выражения у позвоночных животных, у которых внешние различия между самцами и самками очень выразительны. У растений тех видов, для которых характерно наличие мужских и женских особей, также имеет место половой диморфизм, однако выражен он очень незначительно.

Сравнение полового и бесполого размножения приведено в табл. 5

Табл. 5

Сравнение бесполого и полового размножения