Слайд Размножение организмов

Размножение – это воспроизведение себе подобных, обеспечивающее продолжение существования вида. Размножение – основное свойство всех организмов. В результате размножения увеличивается число особей определенного вида, осуществляется непрерывность и преемственность в передаче наследственной информации от родителей к потомству. Достигнув определенных размеров и развития, организм воспроизводит свое потомство – новые организмы того же вида и расселяет их в окружающем пространстве.

К размножению способны все без исключения живые организмы - от бактерий до млекопитающих. Молекулярная сущность этого процесса выражается в уникальной способности ДНК к самоудвоению молекул. На уровне клетки к размножению способны такие органоиды клетки, как митохондрии и хлоропласты.

Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов размножаются делением. Формы размножения организмов очень разнообразны и сложны. В природе существует два основных способа размножения: бесполое и половое, пути осуществления этих процессов разнообразны.

При бесполом размножении новая особь возникает либо моноцитогенным путем, т.е. из одной клетки развивается следующее поколение, либо же полицитогенным путем, т.е. из некоторого числа недифференцированных, способных к делению клеток старой особи развиваются дочерние особи.

Бесполое размножение широко распространено во всех группах растений - от одноклеточных до сосудистых, а среди животных - у простейших, кишечнополостных, мшанок, некоторых червей, оболочников.

Деление. При делении одноклеточных организмов надвое (бинарном делении) вся особь становится генеративной клеткой, из которой после предварительного деления ядра (или его эквивалента) образуются две дочерние клетки. При этом клетка делится путем митоза. Деление клетки может происходить продольно (например, у жгутиконосцев или одноклеточных водорослей), поперечно (например, у бактерий и инфузорий) или делением в неопределенной плоскости.

Множественное деление (шизогония) свойственно некоторым водорослям, грибам и простейшим (фораминиферам, радиоляриям, споровикам). При множественном делении клетка распадается на большое число особей, равное числу ядер, заранее образованных в исходной клетке в результате ядерных делений (например, малярийный плазмодий).

Многоклеточные организмы, особенно большинство растений, размножаются бесполым путем, отделяя одиночные клетки - споры. Споры обычно имеют защитную оболочку и способны выдерживать неблагоприятные условия среды (холод, нагревание, высыхание и т.п.).

Они чаще образуются у более высокоорганизованных растений в специальных клетках или органах - спорангиях: эндоспоры - внутри спорангиев, экзоспоры (конидиоспоры - у грибов) - путем отпочковывания от поверхности. Зооспоры (планоспоры) могут плавать с помощью жгутиков. Споры бактерий служат не для размножения, а для переживания неблагоприятных условий, поскольку каждая бактерия образует только одну спору.

ПОЧКОВАНИЕ. Способ размножения, при котором на материнской особи происходит образование выроста — почки, из которого развивается новая особь. Причем, дочерняя особь может либо отделиться от материнской и перейти к самостоятельному образу жизни (гидра), либо остается прикрепленной к ней, тогда происходит образование колонии (дрожжи).

Хвостатые амфибии, ящерицы, морские звезды, крабы обладают способностью отращивать новый хвост, новую конечность или какой-либо другой орган вместо утраченного. Когда эта способность достигает крайней степени развития, она становится способом размножения: тело родительской особи распадается на несколько частей, а затем каждая из частей восстанавливает недостающие части и превращается в целый организм.

Такой способ размножения, называемый фрагментацией, происходит, например, у нитчатых водорослей (спирогира распадается на две или несколько частей, которые образуют новые нити); у дождевого червя, который распадается на две части (автотомия), а морской червь (палоло) - на множество частей (паратомия), которые затем образуют (вырастают) новые особи. Регенерация достаточно широко распространена в природе, она свойственна менее организованным группам организмов.

Полицитогенное бесполое (вегетативное) размножение многократно возникало в процессе эволюции и поэтому у различных групп организмов выражено по-разному. У растений части вегетативного тела после их отделения (например, в результате сгнивания отмерших участков) могут продолжать расти самостоятельно (элодея, ландыш). На различных органах растений - стеблях, корнях, реже на листьях - образуются органы, приспособленные для вегетативного размножения: почки на ползучих побегах (земляника), стеблевые клубни (картофель), корневые клубни (далия), луковицы, выводковые почки, надземные клубеньки и луковки.

Многие деревья и кустарники размножаются отводками (виноград, орех, смородина, слива и др.), корневыми отпрысками (лиственные и хвойные деревья, многие травы), а также порослью (на корнях и пнях деревьев). Вегетативное размножение осуществляется черенками, особенно часто таким образом разводят деревья и кустарники. Такой способ размножения растений широко применяется в плодоводстве при разведении всех видов плодовых деревьев и кустарников, в овощеводстве, цветоводстве, полеводстве, лесоводстве.

Полицитогенное бесполое размножение во время эмбрионального развития (полиэмбриония) встречается, например, у южноафриканских броненосцев, у которых таким способом регулярно образуются близнецы - от 4 до 8 в помете.

Половое размножение имеет большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что в результате полового процесса новая особь получает комбинацию генов, принадлежащих обоим родителям, что повышает возможности организма в приспособлении к изменяющимся условиям окружающей среды. При половом размножении в результате оплодотворения две клетки разного пола - гаметы - объединяются в одну - зиготу, из которой развивается новая особь. Гаметы - гаплоидные клетки, а после оплодотворения набор хромосом в зиготе становится диплоидным. Поэтому на каком-то последующем этапе, но не позже образования новых гамет, хромосомный набор должен снова уменьшиться наполовину путем мейоза. Цикл полового размножения включает, следовательно, чередование диплофазы с двойным и гаплофазы с одинарным набором хромосом, т.е. происходит смена ядерных фаз.

В половом размножении растений и животных участвуют две особи: мужская и женская. В их половых органах образуются половые клетки: яйцеклетки и сперматозоиды. Половые клетки развиваются у животных в семенниках и яичниках. Процесс образования сперматозоидов называется сперматогенезом, а образование яйцеклеток - оогенезом. По тому, что происходит с ДНК, эти процессы практически не отличаются (всем известный мейоз): одна исходная диплоидная клетка дает четыре гаплоидные.

Однако, по тому, что происходит с цитоплазмой, эти процессы кардинально различаются.

В яйцеклетке накапливаются питательные вещества, необходимые в дальнейшем для развития зародыша, поэтому яйцеклетка – это очень крупная клетка, и когда она делится, цель – сохранить питательные вещества для будущего зародыша, поэтому деление цитоплазмы несимметрично. Для того чтобы сохранить все запасы цитоплазмы и при этом избавиться от ненужного генетического материала, от цитоплазмы отделяются полярные тельца, которые содержат очень мало цитоплазмы, но позволяют поделить хромосомный набор. Полярные тельца отделяются при первом и втором делении мейоза.

При сперматогенезе цитоплазма исходного сперматоцита первого порядка делится (первое деление мейоза) поровну между клетками, давая сперматоциты второго порядка. Второе деление мейоза приводит к образованию гаплоидных сперматоцитов второго порядка. Затем происходит созревание без деления клетки, большая часть цитоплазмы отбрасывается, и получаются сперматозоиды, содержащие гаплоидный набор хромосом очень мало цитоплазмы.

Сперматозоид млекопитающих имеет форму длинной нити, в которой различают головку, шейку, хвостик. В головке располагается ядро, содержащее ДНК, в шейке находится центриоль, а с помощью хвоста сперматозоид передвигается. В зоне созревания яичников после мейоза также образуются четыре гаплоидные клетки, но они неодинаковы по размерам: одна большая и три маленькие. Большая клетка превращается в зрелую яйцеклетку, а три маленькие, называемые направительными тельцами, погибают. Женские половые клетки в процессе созревания одеваются оболочками и готовы к оплодотворению после окончания мейоза. У пресмыкающихся, птиц и млекопитающих за счет деятельности клеток, окружающих яйцеклетку, вокруг нее образуется ряд дополнительных оболочек. Оболочки служат для защиты яйцеклетки и развивающегося зародыша от внешних неблагоприятных воздействий.

Процесс проникновения сперматозоидов в яйцеклетку называется оплодотворением. Яйцеклетка окружена несколькими оболочками, структура которых такова, что только сперматозоид собственного вида может попасть в яйцеклетку. После оплодотворения оболочки яйцеклетки меняются и другие сперматозоиды уже не могут в нее проникнуть.

У некоторых видов внутрь яйцеклетки могут проникнуть несколько сперматозоидов, но все равно в слиянии ядер участвует только один из них. При оплодотворении в яйцеклетку проникает только ядро сперматозоида, хвостик же вместе митохондриями отбрасывается, и в клетку не попадает. Поэтому митохондриальную ДНК все животные наследуют только от матери. Оплодотворенное яйцо называют зиготой.

Сперматозоиды доставляют в яйцеклетку генетическую информацию и стимулируют ее дальнейшее развитие.

Слайд Гологамия (конъюгация) встречается у некоторых простейших (например, у инфузории) и одноклеточных водорослей. Их клетки первоначально размножаются вегетативно (митоз), затем две особи, морфологически не отличающиеся друг от друга и от других особей, сливаются целиком, либо обмениваются частями ядерного аппарата и протоплазмы.

Если сливаются две различные по полу, образованные разными особями гаметы, то такой процесс называют гаметогамией. При гаметогамии гаметный диморфизм у различных видов варьирует в широких пределах — от отсутствия диморфизма в виде изогамии до своего крайнего проявления в форме оогамии.

Если сливающиеся гаметы морфологически не отличаются друг от друга величиной, строением и хромосомным набором, то их называют изогаметами, или бесполыми гаметами. Такие гаметы подвижны, могут нести жгутики или быть амёбовидными. Изогамия типична для многих водорослей, например, для хламидомонады.

Содержимое клетки хламидомонады делится и образуется большое число гамет (32 или даже 64). Потом оболочка материнской клетки прорывается, и гаметы, имеющие по два жгутика, выходят в воду, плавают, соединяются попарно своими носиками, где расположены жгутики, и, наконец, полностью сливаются друг с другом. У большинства хламидомонад трудно отличить, какие гаметы мужские, какие женские. Они одинаковы по форме и одинаково подвижны. После слияния гамет жгутики исчезают, образуется зигота, которая сразу же покрывается оболочкой. Через некоторое время зигота прорастает. Первое деление ее ядра редукционное — особое деление ядра, при котором число хромосом в клетке уменьшается вдвое. В результате второго деления каждого из ядер образуются 4 клетки с одним набором хромосом в их ядрах. Оболочка зиготы лопается, и новые клетки выходят в воду, плавают при помощи двух жгутиков.

Если же гаметы подразделяются на мелкие мужские микрогаметы и более крупные макрогаметы (женские), то этот процесс называется анизогамией. Крайняя форма анизогамии - оогамия (овогамия). В этом случае женская гамета неподвижна (яйцо), а мужская, снабженная жгутиком, подвижна (спермий). Многоклеточным животным свойственна оогамия. Как происходит в этом случае процесс оплодотворения мы уже рассмотрели.

При гермафродитизме (двуполости) гаметы обоих полов производятся одной и той же особью, а при раздельнополости (гонохоризме) - разными особями (мужской и женской), которые часто отличаются друг от друга размерами и строением (половой диморфизм).

Одной из форм полового размножения организмов является партеногенез, девственное размножение, при котором женские половые клетки (яйцеклетки) развиваются без оплодотворения. Партеногенез — половое, но однополое размножение — возник в процессе эволюции организмов у раздельнополых форм. В тех случаях, когда партеногенетические виды представлены (всегда или периодически) только самками, одно из главных биологических преимуществ Партеногенез заключается в ускорении темпа размножения вида, так как все особи подобных видов способны оставить потомство. В тех случаях, когда из оплодотворённых яйцеклеток развиваются самки, а из неоплодотворённых — самцы, Партеногенез способствует регулированию численных соотношений полов (например, у пчёл). Часто партеногенетические виды и расы являются полиплоидными и возникают в результате отдалённой гибридизации, обнаруживая в связи с этим гетерозис и высокую жизнеспособность. Партеногенез следует отличать от бесполого размножения, которое осуществляется всегда при помощи соматических органов и клеток (размножение делением, почкованием и т.п.). Различают Партеногенез естественный — нормальный способ размножения некоторых организмов в природе и искусственный, вызываемый экспериментально действием разных раздражителей на неоплодотворённую яйцеклетку, в норме нуждающуюся в оплодотворении.

Существуют разные механизмы возникновения партеногененза. При гаплоидном партеногенезе развитие начинается с гаплоидной яйцеклетки: возникающие при этом организмы либо гаплоидны (самцы пчел - трутни), либо вследствие процесса, компенсирующего редукцию числа хромосом, диплоидны. Так, у рачка артемии яйцо сливается с одним из полярных телец; может быть и другой вариант, когда хромосомы удваиваются без последующего разделения ядра и клетки или же после первого деления оба ядра снова сливаются. Искусственный партеногенез вызывают воздействием на нормальные яйца различными веществами, механическим раздражением, повышением температуры, уколом.

У большинства видов, размножающихся преимущественно бесполым путем, время от времени наступает половой процесс размножения. Эта периодическая или нерегулярная смена полового и бесполового поколений в цикле развития называется чередованием поколений. Выделяют следующие типы чередования поколений: первичное - смена полового и изначально существовавшего бесполого размножения (т.е. спорообразования) и вторичное - характеризуется сменой полового поколения вторично приобретенным бесполым размножением.

Для большинства растений свойственен тип первичного чередования поколений, при котором половое поколение гаплоидно, а “бесполое” диплоидно. Таким образом, отличительной чертой этого типа чередования поколений является регулярная смена ядерных фаз (гаплоидной и диплоидной), т.е. спорофита и гаметофита.

У семенных растений зеленое растение представляет собой спорофит (диплоидное растение).

Причем половой диморфизм проявляется не только спрятанным в цветке микроскопическим гаметофитом, но также образуемыми спорами в спорангиях.

У покрытосеменных женский гаметофит редуцируется до одной восьмиядерной клетки (ядра гаплоидны). Женский гаметофит (зародышевый мешок) содержит: яйцеклетку с двумя синергидами (вместе они называются яйцевым аппаратом), три антипода и два полярных ядра.

После опыления мужской гаметофит (пыльцевая трубка) прорастает к женскому гаметофиту - зародышевому мешку.

Пыльцевая трубка состоит из одной вегетативной, гибнущей затем клетки и одной генеративной клетки, которая делится на две семенные клетки (два спермия) без жгутиков.

Один из спермиев сливается с яйцеклеткой с образованием зиготы, из которой развивается сначала зародыш, а затем новый диплоидный спорофит. Второй спермий сливается с обоими полярными ядрами во вторичное ядро эндосперма (это так называемое двойное оплодотворение, свойственное цветковым растениям); из этой триплоидной клетки образуется триплоидная питательная ткань - эндосперм.

Оплодотворенная яйцеклетка делится на две клетки. Каждая из возникших при этом клеток снова делится и т.д. В результате многократных делений клеток развивается многоклеточный зародыш нового растения.

Из самой крупной клетки семязачатка, слившейся со вторым спермием, развиваются клетки эндосперма, в которых накапливаются запасы питательных веществ. Эндосперм снабжает ими развивающийся зародыш. Из покрова семязачатка развивается семенная кожура. Так, после оплодотворения из семязачатка развивается семя, состоящее из кожуры и зародыша. После опыления и оплодотворения к завязи притекают питательные вещества, и она постепенно превращается в спелый плод. Из стенок завязи развивается околоплодник, который защищает семена от неблагоприятных воздействий. У некоторых растений в образовании плода принимают участие и другие части цветка.

По характеру околоплодника созревшего плода все плоды можно разделить на сухие и сочные. Если в завязи одна семяпочка - образуется односемянный плод, а если много, то плод будет многосемянный. У цветковых растений могут быть плоды четырех типов: сухие многосемянные, сухие односемянные, сочные многосемянные, сочные односемянные.

Ягода - сочный плод с мякотью, покрытой снаружи тонкой кожицей. Внутри плода находятся мелкие семена.

Костянка - сочный плод с тонкой кожицей, мякотью и твердым внутренним слоем околоплодника - косточкой, внутри которой находится одно семя.

Семянка - сухой плод, околоплодник которого прилегает к единственному семени, но не срастается с ним.

Зерновка - сухой плод, у которого пленчатый околоплодник срастается с семенной кожурой единственного семени.

Боб - сухой плод, который вскрывается двумя створками. Когда боб созревает, створки его подсыхают и, скручиваясь, выбрасывают семена.

Стручок, как и боб, имеет две створки, но семена в стручке располагаются не на створках, как у боба, а на перегородке плода.

Коробочки. Многочисленные семена высыпаются через специальные отверстия или трещины в стенке коробочки.

Вторичный тип чередования поколений встречается в различных группах многоклеточных животных. Он характеризуется сменой полового поколения партеногенетическим или вторично приобретенным бесполым размножением. Партеногенетическое или бесполое размножение эти организмы начинают применять при неблагоприятных условиях. Как только условия становятся благоприятными, появляется половое поколение. Такой процесс удобно наблюдать при развитии рачка дафнии: при низких температурах, нехватке пищи, накоплении в среде продуктов выделения они развиваются партеногенетически.