Размножение - это одно из наиболее общих свойств живых существ, выражающееся в увеличении числа особей. В процессе размножения организмы воспроизводят себе подобных и тем самым обеспечивают непрерывность жизни.
Размножение простейших
Для характерно бесполое размножение, которое протекает в виде или монотомии (деление клетки надвое с последующим ростом каждой дочерней, например, Amoeba proteus), или в виде палинтомии (многократное деление материнской клетки на несколько дочерних, без их последующего роста, например, Plasmodium vivax). И в том, и в другом случае делению клетки предшествует митотическое деление ядер. У некоторых (безротые и сосущие) бесполое размножение протекает по типу почкования.
Многим простейшим свойствен половой процесс (не путать с половым размножением). Он протекает в двух формах: копуляция и конъюгация. Копуляция - это слияние гамет - гаплоидных половых клеток. Гаметы простейших могут иметь различное строение и отличаться по степени подвижности. Если копулируют одинаковые по размерам, строению и подвижности гаметы, то говорят об изогамной (равногаметной) копуляции. При слиянии подвижных гамет, различных по величине, происходит анизогамная (неравногаметная) копуляция. При этом более крупную клетку называют макрогаметой (или женской гаметой), а мелкую - микрогаметой (или мужской гаметой). Крайним выражением анизогамии является оогамия - когда макрогамета значительно больше микрогаметы и неподвижна. Конъюгация, или обмен генетическим материалом между двумя особями, характерна для инфузорий. При конъюгации гаметы не образуются, а особи обмениваются блуждающими пронуклеусами, которые, попав в клетку партнера, сливаются с имеющимися там собственными стационарными пронуклеусами (не путать с конъюгацией у водорослей).
При половом процессе у простейших не происходит увеличение числа особей, однако достигается повышение генетического разнообразия.
При описании жизненных циклов простейших важно определить положение редукционного деления.
1. Гаметическая редукция. Происходит перед образованием гамет у организмов, имеющих диплоидные соматические клетки (характерно для всех многоклеточных животных и для некоторых простейших).
2. Зиготическая редукция. Происходит у организмов с гаплоидным набором хромосом после слияния гамет, то есть после образования зиготы (споровики, жгутиковые, грибы).
3. Промежуточная редукция. Отмечена у организмов, в жизненном цикле которых происходит смена диплоидной и гаплоидных фаз. У простейших этот тип редукционного деления характерен для фораминифер. Среди многоклеточных - для всех высших растений, и вторично - для некоторых многоклеточных животных - коловраток.
Размножение многоклеточных животных
Бесполое размножение
Многоклеточные животные размножаются преимущественно половым путем, но есть группы (особенно среди низших беспозвоночных), которые весьма успешно размножаются бесполым способом.
Бесполое размножение многоклеточных - это увеличение числа особей, образующихся из соматических (неполовых) клеток. Среди животных оно полностью отсутствует у первичнополостных червей и . У членистоногих, позвоночных к бесполому размножению можно отнести полиэмбрионию, то есть бесполое размножение на стадиях эмбрионального развития. Это явление было открыто И. И. Мечниковым. У насекомых полиэмбриония описана для наездников - деление на стадии морулы. У млекопитающих (броненосцы) деление происходит на стадии бластоцисты. К полиэмбрионии можно отнести появление однояйцевых близнецов у человека.
Особенно важную роль бесполое размножение играет в жизненных циклах губок, кишечнополостных, некоторых червей, мшанок, оболочников. В результате бесполого размножения у этих животных возникают колонии. Протекает размножение по типу почкования. У губок и мшанок существуют своеобразные внутренние почки (геммулы и статобласты, соответственно), на стадии которых происходит переживание неблагоприятных условий среды. У кишечнополостных и оболочников наблюдается чередование бесполого и полового поколения. Это явление называется метагенезом. Так, полипы кишечнополостных размножаются почкованием и представляют собой бесполую стадию в жизненном цикле, а медузы, которые образуются на полипе в результате бесполого размножения, - половую стадию, так как они могут размножаться только половым путем.
Половое размножение
Половое размножение у животных существует в нескольких формах. Во-первых, можно выделить обоеполое размножение, которое существует в виде раздельнополости и гермафродитизма, во-вторых, девственное размножение, или партеногенез.
Обоеполое размножение
При обоеполом размножении обязательно происходит оплодотворение, то есть слияние женских и мужских половых клеток. У раздельнополых многоклеточных животных половые клетки образуются в разных организмах - женские в организме самки, мужские - в организме самца. Образованию гамет предшествует мейоз.
При оплодотворении образуется зигота, первая клетка организма. У животных-гермафродитов женские и мужские половые клетки формируются в организме одной особи. Гермафродитизм можно разделить на естественный и аномальный. Естественный гермафродитизм - явление очень широко распространенное в животном царстве. Он встречается у губок, кишечнополостных, плоских червей, кольчатых червей, моллюсков, ракообразных и некоторых рыб. Естественный гермафродитизм существует в разных формах. Так, у одних животных мужские и женские половые клетки продуцируются одновременно, у других - сначала вырабатывается один тип гамет, а затем другой. В случае, когда первыми развиваются мужские железы, говорят о протандрическом гермафродитизме, а если первыми начинают функционировать женские половые железы - о протерогиническом гермафродитизме. У гермафродитов вырабатываются различные приспособления, препятствующие самооплодотворению. Это могут быть различные сроки созревания женских и мужских половых продуктов, особенности строения половых аппаратов, физиологические барьеры и т. д.
У нормально раздельнополых животных и человека встречается аномальный гермафродитизм. Обычно он возникает как результат геномных нарушений - то есть меняется число половых хромосом по отношению к аутосомам. Однако причиной возникновения аномального гермафродитизма могут быть гормональные нарушения. В одних случаях у животных развиваются женские и мужские половые железы, в других случаях половые железы принадлежат одному полу, а вторичные половые признаки демонстрируют принадлежность к другому полу. В результате у самок развивается мужеподобие (маскулинизация), а у самцов - женоподобие (феминизация).
Партеногенез
Своеобразной формой полового размножения является партеногенез. Яйцеклетка начинает развиваться без участия сперматозоида, то есть без оплодотворения. Это однополое размножение. Естественный партеногенез распространен среди всех типов беспозвоночных, а также у позвоночных животных, за исключением млекопитающих. У беспозвоночных партеногенетически могут размножаться плоские черви, коловратки, ракообразные, насекомые, моллюски и т. д. У одних животных яйца способны развиваться только партеногенетически, а у других (коловратки, пчелы) яйца могут развиваться как партеногенетически, так и в результате оплодотворения. Матка пчел откладывает оплодотворенные яйца, из которых развиваются рабочие пчелы и будущие матки, а из неоплодотворенных яиц развиваются трутни - самцы. У сосальщиков партеногенетическое размножение происходит на личиночных стадиях (мирацидий, спороциста, редия). Такой тип называется педогенезом.
Особыми формами партеногенеза является андрогенез и гиногенез. При андрогенезе зародыш развивается из мужского ядра, которое приносится в клетку сперматозоидом, а женское ядро в развитии не участвует. Такой тип развития отмечен у некоторых видов наездников. При гиногенезе сперматозоид проникает в яйцеклетку и активизирует ее развитие, но его ядро не сливается с ядром яйцеклетки и в дальнейшем развитии зародыша участия не принимает. Гиногенез существует у земноводных, рыб и других животных. Например, у некоторых рыб активизация яйцеклетки к развитию может осуществляться сперматозоидами других рыб. Популяции таких рыб состоят только из самок (караси).
Опыты по искусственному партеногенезу были начаты в конце XIX в. на неоплодотворенных яйцах тутового шелкопряда. В середине XX в. Б. Л. Астауров разработал промышленный способ активизации и развития неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда под воздействием высокой температуры и других физических и химических факторов. В результате им были получены партеногенетические самки бабочек.
Половые и соматические клетки
Соматические клетки составляют основную кассу клеток многоклеточного организма. Половые клетки (гаметы) образуются только на определенном этапе онтогенеза. При слиянии гаметы образуют зиготу - первую клетку нового организма. Половые и соматические клетки отличаются друг от друга по ряду признаков. Так, сперматозоиды и яйцеклетки гаплоидны, а клетки тела диплоидны, то есть каждый ген представлен двумя аллелями. Например, соматические клетки человека имеют 46 хромосом, а гаметы - 23 хромосомы. Гаметы и соматические клетки имеют различные ядерно-плазменные отношения.
Особенно ярко это явление демонстрируют организмы, имеющие крупные яйца, например, птицы. Яйцеклеткой птиц служит «желток». Его объем превышает объем исходной клетки (из которой он образовался) в миллионы раз. Объем ядра остается практически неизменным. При развитии зародыша (дроблении) ядерно-плазменные отношения делящихся клеток приобретают показатели, свойственные соматическим.
В противоположность яйцеклеткам, сперматозоиды имеют очень мелкие размеры. У человека - 50-70 мкм. Данные уменьшения происходят за счет резкого редуцирования объема цитоплазмы, а ядро имеет размер, соответствующий ядру соматической клетки. Фактически головка сперматозоида представлена только ядром, окруженным клеточной мембраной. Метаболизм половых и соматических клеток различен. У самцов в половых протоках спермии находятся в неподвижном, неактивном состоянии. Вне организма они обычно живут короткое время - у форели в спермии погибают через 30 секунд, а у человека в семенной жидкости - через 2-3 часа. В половых путях самок спермии могут находиться живыми более длительное время. Например, в половых путях женщины сперматозоиды живут 5-8 дней, а у матки пчелы они сохраняют жизнеспособность свыше двух лет.
Зрелые мужские половые клетки называются сперматозоидами, или спермиями. Впервые они были обнаружены и описаны из спермы млекопитающих в 1667 г. А. Левенгуком. Сперматозоиды всех позвоночных и большинства беспозвоночных состоят из головки и жгутика, с помощью которого они передвигаются в жидкой среде: при наружном оплодотворении - в воде, при внутреннем оплодотворении - в жидкости половых путей. Жгутики жгутиковых спермиев имеют типичное для эукариот строение. Сперматозоиды, не имеющие жгутика, называются безжгутиковыми и характерны для круглых червей и некоторых членистоногих. Такие спермии способны к амебоидному движению.
Женские половые клетки животных называются яйцами или яйцеклетками. Яйцеклетки были открыты в 1827 г. К. М. Бэром. Обычно яйцеклетки имеют круглую или овальную форму, в зрелом состоянии они неподвижны. У низших беспозвоночных (губки, ) яйцеклетки способны к амебоидным движениям. Цитоплазма яйцеклеток содержит желток - запасное питательное вещество, необходимое для развития зародышей. В этом состоит специализация яйцеклетки. В зависимости от количества желтка различаются размеры яйцеклеток. Яйца, лишенные желтка (у наездников), имеют размер 6х10 мкм. Яйца, бедные желтком, имеют большие размеры - от 50 до 90 мкм. У моллюсков, ракообразных и многих других животных яйца крупные, содержат много желтка и достигают 1,5 мм; яйцо акулы - 70 мм. Самые крупные яйца - у птиц; яйцо страуса (без белковой оболочки) имеет длину 80 мм, а с оболочками - 150 мм.
Показателем специализации и дифференциации половых клеток служат оболочки яиц. Первичные оболочки образуются за счет выделения веществ самим ооцитом. Первичная оболочка представлена пленкой, контактирующей с мембраной ооцита. Ее называют также желточной оболочкой. Вторичная оболочка возникает за счет секреции определенных веществ клетками яичника и называется хорионом. Хорион имеется у некоторых беспозвоночных, рыб и птиц. Третичная оболочка образуется при прохождении яиц по яйцеводам. Например: студенистая оболочка яиц амфибии, белковая, подскорлуповая оболочка и скорлуповая оболочка яиц птиц, коконы червей и моллюсков и т.д. Яйцо может иметь как все три оболочки, так и две из них (хорион может отсутствовать). Основная функция яйцевых оболочек - защитная.
Гаметогенез
Гаметогенез - это процесс формирования гамет, или половых клеток. У примитивных животных (губки, некоторые кишечнополостные и плоские черви) гаметы могут образовываться в любом месте тела (например, у губок в мезохиле), а затем выводятся наружу тем или иным способом. У подавляющего большинства животных гаметы образуются в половых железах, или гонадах. Мужская гонада называется семенником, а женская - яичником. Брюхоногие моллюски имеют гермафродитную железу, это гонада, в которой одновременно вырабатываются яйцеклетки и сперматозоиды.
Процесс образования сперматозоидов называется сперматогенезом. Сперматогенез подразделяется на четыре этапа: размножение, рост, редукционное деление (деление - созревание - мейоз) и спермиогенез. Исходные клетки, сперматогонии, имеют небольшие размеры. Они обладают способностью последовательно митотически делиться, в результате чего число их значительно возрастает. Это период размножения.
Затем сперматогонии вступают в период роста и превращаются в сперматоциты первого порядка. После чего вступают в редукционное деление - мейоз, которое включает два деления - созревания. Вследствие первого деления образуется два сперматоцита второго порядка, а в результате второго деления - четыре сперматиды. Сперматиды - это уже гаплоидные клетки, они не способны делиться и отличаются от исходных меньшими размерами. Сперматиды вступают в последний, четвертый этап сперматогенеза, а именно, спермиогенез. Он заключается в последовательных сложных преобразованиях сперматид. Эти преобразования включают: формирование акросомы, жгутика, отторжение части цитоплазмы с эндоплазматической сетью (ЭПС) и комплексом Гольджи и т. д., что заканчивается формированием зрелых сперматозоидов.
Процесс образования яйцеклеток называется оогенезом. Оогенез состоит из тех же четырех этапов, что и сперматогенез. Исходные клетки, оогонии, - относительно мелкие, с крупными ядрами. Эти клетки начинают митотически делиться, то есть входят в этап размножения. У многих животных он протекает на самых ранних этапах онтогенеза. Например, у млекопитающих еще до рождения - у эмбриона. В результате образуются клетки - ооциты первого порядка. Многие из них погибают или превращаются в трофоциты (питающие клетки).
Затем ооциты вступают в период роста. Сначала идет цитоплазматический рост - увеличивается количество органоидов. Затем начинается формирование желтка - виттеллогенез. Когда заканчивается рост, у некоторых животных может произойти оплодотворение (аскарида), и ооцит сразу вступает в период созревания. У ланцетника оплодотворение происходит после первого деления-созревания. Однако у большинства животных оплодотворение происходит после второго деления-созревания. Ооцит первого порядка в результате первого деления мейоза превращается в ооцит второго порядка (практически той же величины, что и ооцит первого порядка) и выделяет первое полярное тельце. При втором делении мейоза образуется одна гаплоидная зрелая яйцеклетка и второе полярное тельце. Первое полярное тельце в результате второго мейотического деления образует два вторичных полярных тельца.
При протекании процессов оогенеза и сперматогенеза наблюдаются некоторые отличия. Сперматогонии размножатся дольше и интенсивнее, чем оогонии. Рост сперматоцитов происходит быстрее, чем рост ооцитов. Сперматоцит в результате созревания дает четыре сперматозоида, а ооцит - одну зрелую яйцеклетку.
Дробление яиц
В результате слияния женских и мужских гамет возникает зигота - диплоидная клетка, которую можно рассматривать как организм на самой ранней стадии развития. После слияния женских и мужских пронуклеусов клетка начинает митотически делиться. Возникают более мелкие клетки - бластомеры, а сам процесс называется дроблением. После каждого деления дробления клетки зародыша становятся все более мелкими, то есть меняются ядерно-плазменные отношения: ядро остается таким же, а объем цитоплазмы уменьшается. Процесс протекает до тех пор, пока эти показатели не достигнут значений, характерных для соматических клеток.
Тип дробления зависит от количества и характера распределения желтка в яйце. Если желтка мало и он равномерно распределен в цитоплазме (иглокожие, млекопитающие), то дробление протекает по типу равномерного: бластомеры одинаковы по размерам, дробится все яйцо. Если желток распределен неравномерно (на одном полюсе яйца его больше), то дробление протекает по типу полного неравномерного: бластомеры - разной величины, те, которые содержат желток, - крупнее, яйцо дробится целиком (круглые черви, моллюски и др.). Частичное дробление - часть яйца, содержащая желток, не делится (насекомые, птицы).
Типы дробления также могут различаться на основании взаимного пространственного расположения бластомеров: радиальное дробление (лягушки), спиральное (моллюски), билатеральное (асцидии), двусимметричное (гребневики).
Образование бластулы
Период дробления заканчивается образованием бластулы - обязательной стадии в развитии многоклеточного организма. Типичная бластула представляет собой полый шар, образованный клетками. Полость бластулы увеличивается по мере дробления. Она заполнена жидкостью, которая является продуктом жизнедеятельности клеток. Полость сформированной бластулы называется бластоцель, или полость зародыша. Клетки, образующие стенку бластулы, могут быть одинаковыми (лягушка) или разными (губки, морские ежи и др.). Типы бластул весьма различны у разных животных. У некоторых организмов образуется шар без полости, в котором бластомеры связаны между собой. Такой зародыш называется морулой. Существует мнение, что морула является разновидностью бластулы.
Образование гаструлы
Следующая стадия в эмбриогенезе животных - гаструла. Это двуслойный зародыш, состоящий из наружного листка - эктодермы - и внутреннего листка - энтодермы. Двуслойный зародыш может образовываться из однослойной бластулы путем впячивания ее стенки внутрь бластоцеля (инвагинация). Внутренний зародышевый листок (энтодерма) при этом образует первичный кишечник. Он сообщается с внешней средой с помощью первичного рта или бластопора. У некоторых животных при этом сохраняются остатки бластоцеля. У первичноротых животных (кишечнополостные, плоские, круглые, кольчатые черви и др.) бластопор превращается в рот взрослого организма. У вторичноротых животных (иглокожие, плеченогие, хордовые) бластопор превращается в анальное отверстие, а рот возникает заново на брюшной стороне переднего конца тела.
Гаструла может образовываться при активном выползании клеток из стенки бластулы внутрь зародыша. В этом случае она называется иммиграционной гаструлой, характеризуется отсутствием бластоцеля, вытесненного иммигрирующими клетками, и типична для многих кишечнополостных. У ряда кишечнополостных встречается деламинационная гаструла. Она образуется в результате расщепления одного слоя клеток на два. Эпиболическая гаструла формируется как результат обрастания мелкими эктодермальными клетками более крупных энтодермальных, находящихся на поверхности яиц, богатых желтком.
Зародышевые листки
В животном царстве на стадии гаструлы остановилось развитие двух типов животных - губок и кишечнополостных. Это двуслойные организмы, то есть их и клетки образуются в результате дифференциации двух зародышевых листков - первичной эктодермы и первичной энтодермы. У остальных животных (начиная с плоских червей) на поздних стадиях гаструляции возникает третий зародышевый листок - мезодерма. Существуют различия в типах закладки мезодермы. У первичноротых между эктодермой и энтодермой закладываются две или более клетки - телобласты, из которых путем дальнейших делений и образуется мезодерма. Такой способ называется телобластическим. У вторичноротых третий зародышевый пласт закладывается энтероцельно: то есть от первичного кишечника обособляются выступы в виде карманов. Полость этих мешочков затем превращается в особую полость тела - вторичную, или целом.
Клетка животного организма
Отличия многоклеточных представителей царства Animalia от организмов других царств (Fungi, Plantae) можно проследить уже на клеточном уровне. Клетки животных имеют следующие отличительные особенности:
1. Клетка покрыта только цитоплазматической мембраной (растительная клетка снаружи от мембраны имеет оболочку из целлюлозы, а клетки грибов - из хитина).
2. В животной клетке нет центральной вакуоли (в растительной клетке она есть и заполнена клеточным соком).
3. В животной клетке есть центриоли, а в растительной нет.
4. Запасное питательное вещество животной клетки - гликоген, а растительной клетки - крахмал.
5. Животная клетка - гетеротроф она лишена пластид, тогда как в растительной клетке пластиды присутствуют.
Характерным для всех многоклеточных животных является их жизненный цикл с преобладанием диплоидной стадии. В жизненном цикле многоклеточных гаплоидны только гаметы, при слиянии которых возникает диплоидная зигота - первая клетка будущего многоклеточного организма.
Размножение, при котором от части материнского организма отделяется одна или несколько клеток, называется бесполым. При этом для появления потомства достаточно одной родительской особи.
Виды бесполого размножения
В природе существует несколько вариантов того, как живые организмы могут воспроизводить себе подобных. Способы бесполого размножения достаточно разнообразны. Все они заключаются в том, что клетки начинаются делиться и воспроизводить дочерние особи. У одноклеточных простейших весь организм разделяется на две части. У многоклеточных размножение начинается с деления одной или нескольких клеток одновременно.
Для растений, грибов и некоторых видов животных характерно бесполое размножение. Способы размножения могут быть такими: деление, спорообразование. Отдельно отмечают формы появления потомства, при которых оно образовывается из группы клеток материнской особи. Их называют вегетативным размножением. Отдельно выделяют почкование, фрагментацию. Это распространенные способы бесполого размножения. Таблица дает возможность понять, чем они отличаются.
Метод размножения | Особенности | Виды организмов |
Клетка разделяется на 2 части, образуя 2 новые особи | Бактерии, простейшие |
|
Спорообразование | В специальных отделах организма (спорганиях) образуются споры | Некоторые растения, грибы, отдельные простейшие |
Вегетативное | Из нескольких клеток родительской особи образуется дочерний организм | Кольчатые черви, кишечнополостные организмы, растения |
Особенности простейшего размножения
У всех организмов, которые способны получать потомство путем деления, кольцевая хромосома предварительно удваивается. Ядро делится на две части. Из одной родительской клетки образуются две дочерние. В каждой из них содержится идентичный генетический материал. Между двумя образовавшимися дочерними клетками появляется перетяжка, по которой родительская особь разделяется на две клетки. Это простейшее бесполое размножение.
Способы размножения могут быть и другими. Но эвглены зеленые, хламидомонады, амебы, инфузории используют именно деление. Полученное потомство ничем не отличается от родительских особей. У него точно такой набор хромосом. Этот метод размножения позволяет в короткие сроки получить большое количество одинаковых организмов.
Спорообразование
Некоторые грибы и растения размножаются с помощью специальных гаплоидных клеток. Они называются спорами. У многих грибов и данные клетки образуются в процессе митоза. А у высших растительных организмов их образованию предшествует мейоз. Особенностью данного процесса является то, в спорах таких растений содержится гаплоидных набор хромосом. Они в состоянии дать начало новому поколению, которое отличается от материнского. Оно сможет размножаться уже половым путем. При этом не стоит забывать за их уникальную особенность. Способы полового и бесполого размножения у таких растений чередуются.
У большинства грибов и растений образованные споры - это клетки, которые защищены специальными оболочками. Они могут определенное время сохраняться в неблагоприятных условиях. При их изменении оболочки раскрываются, а клетка начинает активно делиться путем новый организм.
Вегетативное самовоспроизведение
Большинство высших растений использует иные способы бесполого размножения. Таблица позволяет разобраться, какие существуют виды вегетативной репродукции.
Метод вегетативного размножения | Особенности |
Отделение корней, черенков, луковиц, усов, клубней, корневищ | Для репродукции необходимо хорошо сформированная часть материнского организма, из которой начнет развиваться дочерний |
Фрагментация | Родительская особь делится на несколько частей, из каждой развивается отдельный самостоятельный организм |
Почкование | На родительском теле образуется почка, из которой формируется новый полноценный организм |
При вегетативном размножении у растений могут образовываться специальные структуры. Например, картофель и георгины создают потомство клубнями. Так называются корневые либо стеблевые утолщения. Вздутое основание стебля, из которого образуется потомство, называется клубнелуковицей.
Корневищами размножаются такие растения, как астра и валериана. Также называют горизонтально растущие подземные стебли, из которых появляются почки и листья.
Образует потомство с помощью усов. Они отрастают достаточно быстро, из них появляются новые листья и почки. Все эти способы бесполого размножения организмов называются вегетативными. К ним также относят репродукцию с помощью черенков стеблей, корней, части слоевищ.
Фрагментация
Этот вид репродукции характеризуется тем, что при разделении материнского организма на несколько частей, из каждого из них образуется новая особь. Некоторые кольчатые и плоские черви, иглокожие (морские звезды) используют такое бесполое размножение. Способы размножения путем фрагментации основываются на том, что некоторые организмы могут восстанавливаться путем регенерации.
Например, если от морской звезды оторвать луч, то из него сформируется новая особь. То же самое произойдет и с дождевым червем, разделенным на несколько частей. Гидра, кстати, может восстанавливаться из 1/200 части, отделенной от ее организма. Обычно такое воспроизведение наблюдается при повреждениях. Самопроизвольная фрагментация наблюдается у плесневых грибов и некоторых морских червей.
Почкование
Способы бесполого размножения позволяют воспроизводить точные копии родительских организмов. В ряде случаев дочерние особи формируются из специальных клеток - почек. Такой способ самовоспроизведения характерен для некоторых грибов, животных (губок, простейших, кишечнополостных, ряда червей, крыложаберных особей, оболочников), печеночных мхов.
Для кишечнополостных, например, характерно такое бесполое размножение. Способы размножения их достаточно любопытны. На теле материнской особи появляется вырост, который увеличивается. Как только он достигает размеров взрослой особи, то происходит его отделение.
Природные и искусственные системы в среде жизни человека
Тема 1. Организм как живая система
§ 6. ВИДЫ РАЗМНОЖЕНИЯ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ
Не может не удивлять огромное разнообразие растений и животных, что нас окружает! Как только придет весна и ласковое солнышко согреет землю, как все вокруг зазеленеет, зацветет, звонко защебечуть птички, заметушаться насекомые. Позже на растениях появится семян, а у животных - малыши. А теперь представьте себе, что вдруг по каким-то причинам все живое потеряет способность к размножению. С каждым годом природа будет становиться беднее, пока Земля не превратится в мертвую пустыню.
Следовательно, способность размножаться, т. е. давать потомство, что с удивительной точностью повторяет строение, поведение, образ жизни, приспособление родителей, является залогом продолжения жизни на нашей планете.
В природе растения и животные размножаются несколькими способами.
Как размножаются животные
Обычно в размножении животных участвуют две особи - самец и самка. Для этого у них есть половые органы. Вспомните, в мужских половых органов животных относятся семенники, а к женским - яичники. В них образуются половые клетки - соответственно сперматозоиды и яйцеклетки.
Чтобы образовался новый организм, сперматозоид должен соединиться с яйцеклеткой в одну клетку. Этот процесс называют оплодотворением, а образовавшуюся клетку - зиготой. После оплодотворения зигота делится на две клетки. Потом из этих двух клеток образуются четыре, из четырех - восемь, из восьми - шестнадцать и так далее. Количество клеток стремительно увеличивается, из них формируется зародыш (рис. 35). У одних животных (например, млекопитающих - коров, собак, коз) зародыш находится в теле матери. Питательные вещества и кислород он получает из ее организма. В других (насекомые, большинство рыб, змей, птицы) зародыш развивается не в организме матери, а в яйце. Яйца рыб и лягушек называют икрой. Яйцо содержит запас питательных веществ, зародыш использует для развития и роста.
Рис. 35. Схема образования зародыша после деления зиготы пополам
Через некоторое время животное рождается, то есть покидает материнское тело или яйцо. В наследство ей достались признаки и свойства родителей. Вот почему размножение и назвали процессом воспроизведения себе подобных.
В живой природе рассматриваемый вид размножения является самым распространенным и называется половым размножением, поскольку в нем принимают участие половые клетки - яйцеклетка и сперматозоид.
Некоторые животные могут размножаться частями тела. Так, с відломленого луча морской звезды (рис. 36) или с отдельного участка тела дождевого червя вырастает новый организм.
Как размножаются растения
Изучая органы растений, вы узнали, что цветок является органом, необходимым для полового размножения (рис. 37). Ведь именно в ней образуются половые клетки - сперматозоиды и яйцеклетки. Вспомните, в каких частях цветки они расположены.
Рис. 36. С відломленого луча морской звезды образуется новый организм
Рис. 37. Строение цветка как полового органа: 1 - тычинка;
2 - пиляк; 3 - рыльце пестика; 4 - завязь
Для того чтобы мужская половая клетка слилась с женской, пыльца должна попасть на приймочку пестика. Перенос пыльцы на приймочку пестика называют опылением. Многим растениям свойственно так называемое перекрестное опыление. Пыльца с тычинки цветка одного растения попадает на приймочку пестика другого цветка такого же растения. Хорошо вам известным клевере, гречихе, белой акации, яблони в этом помогают насекомые, их так и называют насекомые-опылители.
Цветки растений, которым свойственно перекрестное опыление, в большинстве своем имеют яркую окраску и душистый аромат. Как вы думаете, какое это имеет значение для их опыления?
В ржи, дуба, березы, ольхи и некоторых других растений цветки маленькие, невыразительные и без запаха. их перекрестное опыление происходит с помощью ветра. Сухой и легкий пил он разносит на значительные расстояния.
Попав на приймочку пестика, пыльца прорастает внутрь через столбик пестика, доставляя мужские половые клетки в яйцеклетки. Происходит оплодотворение. Из цветка развивается плод с одним (персик, вишня и т. п) или многими (огурец, яблоко и т. п) семенами. Плоды бывают сухие и сочные, имеют различную форму (рис. 38). их назначение - защищать семя.
Рис. 38. Различные типы плодов: 1-3 - сухие, 4-6 - сочные
Рис. 39. Шишки сосны: 1 - женский; 2 - мужской
Чем особое семечко? Тем, что она содержит зародыш и достаточный запас питательных веществ для того, чтобы при благоприятных условиях зародыш пророс - превратился в молодое растение.
Случается у растений и самоопыление, как, например, у проса, фасоли, гороха. За такого опыления пыльца попадает на приймочку пестика того же цветка.
У сосны, ели, можжевельника цветков нет. Однако есть мужские и женские шишки. В них созревают половые клетки. их опылению также способствует ветер (рис. 39).
Кроме полового у растений случается и неполовое размножение. Название указывает на то, что оно происходит без участия половых клеток. Это размножение осуществляется с помощью других клеток тела, в частности частями растений (рис. 40).
Рис. 40. Размножение растений клубнями (1); стеблевыми побегами (2); стеблевыми черенками (3); корневищами (4); усами (5)
Размножение растений частями их тела называют вегетативным. Оно достаточно распространено. Например, картофель в основном размножают клубнями, клубники - усами, малину - корневыми ростками, тюльпан - луковицами, ландыш - корневищами. Достаточно посадить один куст клубники, как через год количество кустов достигнет около 100.
Вегетативное размножение частью стебля - черенками, например смородины, винограда, используют садоводы. Во влажном грунте черенки образуют корни и дают начало новому растению. В природе вегетативное размножение способствует быстрому расселению растений на значительные территории.
Другие способы размножения организмов
Грибам свойственно неполовое размножение спорами. Вспомните, стоит проткнуть созревшего гриба-дождевика, как над ним появляется коричневая тучка. Это и есть его споры. Так, водоросли, мхи, хвощи, папоротники размножаются не только половым путем, а еще и при помощи спор.
Одноклеточные организмы не имеют специальных половых органов. Поэтому они в основном размножаются делением клетки пополам (рис. 41).
Размножение - свойство организмов воспроизводить себе подобных. Различают половое и неполовое размножение растений и животных.
За полового размножения новый организм появляется в результате слияния половых клеток.
Неполовое размножение происходит спорами и частями тела одной особи.
Выполните практическую работу на тему: «Способы вегетативного размножения растений. Размножение комнатного растения черенками». Для работы вам понадобятся: комнатные растения традесканция, бегония, пеларгония, гибискус (китайская роза), банки, отстоянная вода, вазоны с почвой.
Рис. 41. Размножение одноклеточного организма амебы делением пополам
Действие 1. Отрежьте побег одного или нескольких комнатных растений и поставьте его в банку с отстоянной водой. Оставьте в теплом, хорошо освещенном месте. Следите, чтобы нижняя часть побега все время была погружена в воду не более чем на 1-1,5 см.
Действие 2. После того как корешки вырастут длиной 2-3 см, пересадите черенки в вазоны с почвой. Для быстрого приживания накройте растения стеклянной банкой. Пока не начнут расти новые листья, банку не снимайте.
Наблюдайте за появлением корня и листьев нового растения. Результаты наблюдений с указанием дат записывайте в тетрадь. Тщательно ухаживайте за растением, и она украсит ваше жилище или классную комнату.
Страница эрудита
В садоводстве, виноградарстве, лесоводстве и цветоводстве для улучшения свойств растений широко применяют прививку. Так называют пересадка части одного живого растения на другую. Для прививки используют в основном родственные растения. Например, прививают годовалую веточку сортовой яблони к дикой яблоне. Благодаря этому дерево плодоносит високосортними яблоками, а мощный корень дикой яблони обеспечивает растение необходимым - водой и растворенными в ней неорганическими веществами. Присмотритесь весной к саженцев, которые продаются, и вы легко увидите место прививки.
Проверьте свои знания
1. Что такое размножение? Какое значение оно имеет в жизни организмов? 2. Как происходит размножение животных? 3. Назовите известные вам способы размножения растений. 4. Какую роль в размножении растений играет опыление? 5*. Почему растительный покров лугов не исчезает, хотя растения на них скашивают еще до образования семян?
Воспроизведение (или самовоспроизведение ) — образование живым организмом нового, генетически подобного себе организма.
Размножение — увеличение числа особей данного вида, обусловленное их воспроизведением и обеспечивающее преемственность и непрерывность жизни в ряду поколений.
Преемственность означает, что при воспроизведении особей вся генетическая информация, заложенная в родительском поколении, передается дочернему поколению.
Непрерывность жизни означает неограниченно долгое, обусловленное сменой поколений существование видов и популяций организмов.
Жизненный цикл — совокупность этапов и фаз развития организма от момента образования зиготы и до наступления зрелости, характеризующейся способностью давать начало следующему поколению.
Типы жизненных циклов: простой и сложный.
Простой жизненный цикл полностью осуществляется в течение жизни одной особи и характеризуется сохранением общего плана строения организма.
Сложный жизненный цикл может выражаться в чередовании полового и бесполого поколений (у растений) или в явлении метаморфоза (у некоторых животных).
Типы размножения: бесполое и половое.
Бесполое размножение
Бесполое размножение — тип размножения, при котором в воспроизведении участвует одна родительская особь , а ее потомки развиваются из одной не половой (соматической) клетки или группы таких клеток родительского организма. Дочерние организмы, полученные путем бесполого размножения, называются клонами.
❖ Особенности бесполого размножения:
■ дочерние организмы имеют генотип, идентичный генотипу
родительского организма (они называются клонами)’,
■ дает большое количество потомков;
■ затрудняет эволюцию, так как дает материал для стабилизирующего естественного отбора.
Клон — генетически однородное потомство одной особи, возникшее путем бесполого размножения (клонами также называются клетки, образующиеся в результате митотического деления одной клетки)
Формы бесполого размножения одноклеточных:
■ деление клетки надвое
(встречается у бактерий и простейших — амеб, инфузорий, эвглен и др.);
■ почкование
— деление клетки на неравные части
; меньшая клетка отпочковывается от большей (встречается у дрожжей, некоторых бактерий);
■ множественное деление
(шизогония) — многократное деление ядра исходной клетки, после чего эта клетка распадается на соответствующее число одноядерных дочерних клеток (встречается у простейших и некоторых водорослей);
■ спорообразование
(спорогония) — размножение путем образования спор (встречается у водорослей, бактерий, простейших — споровиков).
Спора — одноклеточный зародыш, т.е. клетка, которая при попадании в благоприятные условия может развиться в новый организм. Спора всегда покрыта плотной оболочкой, защищающей ее внутреннее содержимое от неблагоприятных внешних условий.
❖ Формы бесполого размножения многоклеточных:
■ спорообразование
(наблюдается у мхов, хвощей, папоротников);
■ почкование
— размножение путем образования и последующего отделения почек (у гидр, губок); у некоторых видов организмов (у коралловых полипов) почки не отделяются (формируются колонии);
■ стробиляция
(встречается у некоторых кишечнополостных): деление верхней части полипа поперечными перетяжками на дочерние особи (стробилы), которые отрываются от родителя;
■ вегетативное
— размножение частями тела (мицелия у грибов, слоевища у водорослей и лишайников);
■ вегетативными органами
— дочерние организмы произрастают из стебля (смородина), корневища (пырей), клубня (картофель), луковицы (лук) и др.; характерна для цветковых растений;
■ фрагментация
— размножение из отдельных фрагментов родительского организма (встречается у некоторых плоских и кольчатых червей).
Почка — группа клеток, образующая выпячивание на теле родительского организма, из которой развивается дочерний организм.
Половое размножение
Половое размножение — тип размножения, при котором в воспроизведении участвуют две родительские особи ; новый организм развивается из зиготы, образующейся в результате слияния мужской и женской половых клеток — гамет .
Особенности полового размножения:
■ оно отличается наличием полового процесса;
■ обеспечивает обмен наследственной информацией между особями одного вида;
■ создает условия для возникновения наследственной изменчивости;
■ обеспечивает более разнообразное потомство;
■ повышает возможность организмов приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям окружающей среды;
■ создает условия для естественного отбора и эволюции;
■ дает малое количество потомков;
■ характерно для всех эукариот-,
■ преобладает у животных и высших растений.
Половой процесс — комплекс событий, обеспечивающих обмен наследственной информацией между особями одного вида и создающих условия для возникновения наследственной изменчивости.
❖ Основные формы полового процесса:
■ конъюгация,
■ копуляция (гаметогамия).
У бактерий наблюдаются также трансформация и трансдукция.
Конъюгация (характерна для инфузорий, некоторых бактерий, водорослей и грибов) — процесс оплодотворения путем обмена мигрирующими ядрами , которые перемещаются из клетки одной особи в клетку другой по образовавшемуся между ними цитоплазматическому мостику.
При конъюгации количество особей не увеличивается; их размножение происходит бесполым путем (делением надвое).
Копуляция (или гаметогамия ) — процесс слияния двух различающиеся по полу клеток (гамет) с образованием зиготы. При этом два ядра гамет образуют одно ядро зиготы.
■ Копуляцией также называются: половой процесс у животных, имеющих копулятивные органы, и соединение при половом размножении двух особей, не имеющих половых органов (например, дождевых червей).
❖ Формы полового размножения
:
■ без оплодотворения;
■ с оплодотворением.
❖ Органы полового размножения:
■ у низших растений и многих грибов — гаметангии
;
■ у высших споровых растений — антеридии
(мужские органы) и архегонии
(женские органы);
■ у семенных растений — пыльцевые зерна
(мужские органы) и зародышевые мешки
(женские органы);
■ у животных — половые железы (гонады): семенники (у самцов), яичники (у самок);
■ у губок и кишечнополостных отсутствуют; гаметы возникают из различных соматических клеток.
Оплодотворение — процесс слияния мужской и женской половых клеток (гамет). В результате оплодотворения образуется зигота.
Зигота — оплодотворенная диплоидная (2n1хр) яйцеклетка , несущая наследственные задатки обоих родителей, т.е. клетка, образующаяся в результате слияния гамет разного пола. Из зиготы развивается новый дочерний организм; иногда (у некоторых водорослей и грибов) зигота покрывается плотной оболочкой и превращается в зигоспору.
Яйцеклетка — женская половая клетка (обычно имеет сферическую форму, значительно крупнее соматических клеток, неподвижна, содержит много питательных веществ в виде желточных зерен и белка).
Сперматозоид — мужская половая клетка (мелкая, очень подвижная клетка, перемещающаяся с помощью одного или нескольких жгутиков; имеется у самцов животных, некоторых грибов и многих растений, половое размножение которых обеспечивается наличием водной среды). Состоит из головки, шейки и хвоста. В головке находится ядро с гаплоидным набором хромосом (lnlxp), в шейке — митохондрии, вырабатывающие энергию для движения, и центриоль, обеспечивающая колебания жгутика.
Спермин — не имеющие жгутиков мужские половые клетки покрытосеменных и голосеменных растений; доставляются к яйцеклетке с помощью пыльцевой трубки.
❖ Гаметогенез — процесс образования и развития половых клеток.
■ Сперматогенез — процесс формирования мужских половых клеток (мужских гамет); происходит в семенниках.
■ Оогенез — процесс формирования яйцеклеток (женских гамет); происходит в яичниках.
❖ Стадии гаметогенеза:
■размножение: митотическое деление первичных половых диплоидных клеток (сперматогоний у самцов и оогоний у самок) ткани семенных канальцев семенников (у самцов) или яичников (у самок); у самок млекопитающих эта стадия реализуется во время эмбрионального развития организма, у самцов — с момента полового созревания особи;
■ рост (на интерфазе клеточного цикла): увеличение в размерах сперматогоний и оогоний за счет роста в них количества цитоплазмы; репликация ДНК и формирование второй хроматиды; образование из сперматогоний (у самцов) сперматоцитов I порядка и из оогоний (у самок) — ооцитов I порядка (2n2хр);
■ созревание — мейотическое деление:
— результат первого мейотического деления: у самцов — образование двух сперматоцитов II порядка (1n2хр) из одного сперматоцита I порядка, у самок — образование одного ооцита II порядка (1n2хр) и вторичного (редукционного) тельца из одного ооцита I порядка;
— результат второго мейотического деления: у самцов образование четырех гаплоидных однохроматидных сперматид ( lnlxp), у самок — одной гаплоидной однохроматидной яйцеклетки (lnlxp) и трех вторичных телец; вторичные тельца в дальнейшем погибают;
■ формирование: сперматиды не делятся; из каждой из них образуется сперматозоид (у женских гамет эта стадия отсутствует).
❖ Партеногенез (или девственное размножение) — развитие организма из неоплодотворенной яйцеклетки.
Типы партеногенеза
(в зависимости от набора хромосом в яйцеклетке):
■ гаплоидный (пчелы, муравьи и др.):
■ диплоидный (низшие ракообразные, некоторые ящерицы и др.).
Оплодотворение
Оплодотворению (см. выше) предшествует осеменение. Осеменение — процесс, обеспечивающий встречу сперматозоидов и яйцеклеток.
Типы осеменения: наружное (характерно для водных обитателей; сперматозоиды и яйцеклетки выделяются в воду, где и происходит их слияние) и внутреннее (происходящее с помощью ко-пулятивных органов; характерно для обитателей суши).
У млекопитающих и человека яйцеклетки приобретают способность к оплодотворению в результате овуляции.
Овуляция — выход зрелых клеток у млекопитающих в полость тела. Периодичность овуляции регулируется нервной системой и гормонами эндокринной системы.
❖ Фазы оплодотворения:
■ проникновение сперматозоида в яйцеклетку (при этом в яйцеклетке формируется оболочка оплодотворения, препятствующая проникновению в яйцеклетку других сперматозоидов);
■ слияние ядер и восстановление диплоидного набора хромосом;
■ активация развития зиготы (формирование веретена деления, побуждающего зиготу к делению).
Понятие онтогенеза
Онтогенез — это совокупность процессов индивидуального развития организма с момента образования зиготы (оплодотворения яйцеклетки) до конца жизни особи.
❖ Периоды онтогенеза:
■ эмбриональный
— с момента образования зиготы до прорастания семян (у растений) или рождения молодой особи (у животных);
■ постэмбриональный
— от прорастания семян (у растений) или рождения (у животных) до смерти организма.
Свойство организмов воспроизводить себе подобных, обеспечивающее непрерывность жизни, называется размножением. Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых, соматических (телесных) клеток. В бесполом размножении участвует только одна исходная особь. В этом случае организм может развиться из одной клетки, а возникшие потомки по своим наследственным признакам идентичны материнскому организму. Бесполое размножение широко распространено среди растений и значительно реже встречается у животных. Многие простейшие размножаются путем обычногомитотического деления клетки ( путем деления материнской клетки пополам (бактерии, эвглены, амебы, инфузории)) . Другим одноклеточным животным, например малярийному плазмодию (возбудителю малярии),свойственно спорообразование. Оно заключается в том, что клетка распадается на большое число особей, равное количеству ядер, заранее образованных в родительской клетке в результате многократного деления ее ядра. Многоклеточные организмы также способны к спорообразованию: у грибов, водорослей, мхов и папоротникообразных споры и зооспоры образуются в специальных органах - спорангиях и зооспорангиях.
Как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов способом бесполого размножения служит такжепочкование. Например, у дрожжевых грибов и некоторых инфузорий. У многоклеточных (пресноводная гидра) почка состоит из группы клеток обоих слоев стенки тела. У многоклеточных животных бесполое размножение осуществляется также путем деления тела на две части (медузы, кольчатые черви) или же путем фрагментации тела на несколько частей (плоские черви, иглокожие). У растений широко распространено веге-тативное размножение, т. е. размножение частями тела: участками слоевища (у водорослей, грибов, лишайников); с помощью корневища (у папоротникообразных и цветковых); участками стебля (усы у земляники, черники, у плодовых кустарников отводки у крыжовника, винограда); корнями (корневые отпрыски у малины) листьями (у бегонии). В процессе эволюции у растении образовались специальные органы вегетативного размножения:видоизмененные побеги (луковица, клубень картофеля) видоизмененные корни - корнеплоды (свекла, морковь) и корневые клубни (георгины).
ТАБЛИЦА (Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. Биология в таблицах. М.,2000)
| Способ размножения | Особенности размножения | Примеры организмов |
| Деление клетки надвое | Тело исходной (родительской) клетки делится митозом на две части, каждая из которых дает начало новым полноценным клеткам | Прокариоты. Одноклеточные эукариоты (саркодовые - амеба) |
| Множественное деление клетки | Тело исходной клетки делится митотически на несколько частей, каждая из которых становится новой клеткой | Одноклеточные эукариоты (жгутиковые, споровики) |
| Неравномерное деление клетки (почкование) | На материнской клетке сначала формируется бугорок, содержащий ядро. Почка растет, достигает размера материнской, отделяется | Одноклеточные эукариоты, некоторые инфузории, дрожжи |
| Спорообразование | Спора - особая клетка, покрыта плотной оболочкой, защищающей от внешних воздействий | Споровые растения; некоторые простейшие |
| Вегетативное размножение | Увеличение числа особей данного вида происходит путем отделения жизнеспособных частей вегетативного тела организма | Растения, животные |
| - у растений | Образование почек, стеблевых и корневых клубней, луковиц, корневищ | Лилейные, пасленовые, крыжовниковые и др. |
| - у животных | Упорядоченное и неупорядоченное деление | Кишечнополостные, морские звезды, кольчатые черви ^^^^"SB""S8^saK;!i^^S^aa"^e"^"3ii^s^^ |
Характеристика форм размножения
| Показатели | Формы размножения | |
| бесполое | половое | |
| Число родительских особей, дающих начало новому организму Исходные клетки |
Одна особь Одна или несколько соматических неполовых клеток |
Обычно две особи Специализированные клетки, половые - гаметы; соединение мужских и женских гамет образует зиготу |
| Сущность каждой формы | В наследственном материале потомков генетическая информация является точной копией родительской |
Объединение в наследственном материале потомков генетической информации из двух разных источников - гамет родительских организмов |
| Основной клеточный механизм образования клеток | Митоз | Мейоз |
| Эволюционное значение". | Способствует сохранению наибольшей приспособленности в неменяющихся условиях среды, усиливает стабилизирующую роль естественного отбора | Способствует генетическому разнообразию особей вида благодаря кроссинговеру и комбинативной изменчивости; создает предпосылки к освоению разнообразных условий обитания, обеспечивает эволюционные перспективы видов |
| Примеры организмов, обладающих разными формами размножения | Простейшие (амебы, эвглена зеленая и др.); одноклеточные водоросли; некоторые растения; кишечнополостные | Растения, водоросли, моховидные, плауновидные, хвощевидные, папоротниковидные, голосеменные и семенные; все животные, грибы и пр. |