Книга: Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

§ 26 Размножение организмов

§ 26 Размножение организмов

Способность к размножению является одним из основных свойств живой материи. Размножение, т. е. воспроизведение себе подобных, обеспечивает непрерывность и преемственность жизни. В процессе размножения происходит точное воспроизведение и передача генетической информации от родительского поколения следующему, дочернему, что обеспечивает существование вида на протяжении длительного времени, несмотря на гибель отдельных особей. Благодаря размножению жизнь в целом остаётся бессмертной, несмотря на смертность каждого отдельного организма.

В основе размножения лежит способность клетки к делению, а передача генетической информации обеспечивает материальную преемственность поколений любого вида. Для того чтобы особь смогла воспроизводить себе подобных, т. е. стать способной к размножению, она должна вырасти и достичь определённой стадии развития. Не все организмы доживают до репродуктивного периода и не все оставляют потомство, поэтому, чтобы поддержать существование вида, каждое поколение должно производить потомков больше, чем было родителей. Свойства живых организмов – рост, развитие и размножение – неразрывно связаны друг с другом.

Все разнообразные формы размножения можно объединить в два основных типа – бесполое и половое.

Бесполое размножение происходит без образования специализированных половых клеток (гамет), и для его осуществления необходим только один организм. Новая особь развивается из одной или нескольких соматических (неполовых) клеток материнского организма и является её абсолютной копией. Генетически однородное потомство, происходящее от одной родительской особи, называется клоном.

Бесполое размножение является наиболее древней формой размножения, поэтому особенно широко оно распространено у одноклеточных организмов, но встречается и среди многоклеточных.

Существует несколько типов бесполого размножения.

Деление. Прокариотические организмы (бактерии и синезелёные водоросли) размножаются путём простого деления, которому предшествует удвоение единственной кольцевой молекулы ДНК.

Митотическим делением на две и более клеток размножаются простейшие (амёбы, инфузории, жгутиковые) и одноклеточные зелёные водоросли (рис. 68).

Спорообразование – тип размножения, характерный в основном для растений и многих грибов. Специализированные клетки – споры могут образовываться в специальных органах – спорангиях (как это происходит у растений) или открыто, на поверхности (как, например, у некоторых плесневых грибов).

Вегетативное размножение – это тип бесполого размножения, при котором дочерний организм развивается из группы родительских клеток.

Широко распространено вегетативное размножение у растений.

Рис. 68. Деление инфузории туфельки

В естественных природных условиях оно, как правило, происходит с помощью специализированных частей тела растения (луковиц, корневищ, усов, клубней, корнеклубней) (рис. 69).

Вегетативное размножение у животных осуществляется двумя основными способами – фрагментацией и почкованием.

Фрагментация – это разделение тела на две и более частей, каждая из которых даёт начало новой полноценной особи. Этот процесс основан на способности к регенерации. Таким способом могут размножаться кольчатые и плоские черви, иглокожие и кишечнополостные.

Рис. 69. Органы вегетативного размножения растений: А – луковица; Б – клубень; В – усы; Г – корневище

Почкование – это образование на теле материнской особи группы клеток – почки, из которой развивается новая особь. В течение некоторого времени дочерняя особь развивается как часть материнского организма, а затем или отделяется от него и переходит к самостоятельному существованию (пресноводный полип гидра) (рис. 70), или, продолжая расти, образует собственные почки, формируя колонию (коралловые полипы). Встречается почкование и у одноклеточных – дрожжевых грибов.

Рис. 70. Почкование гидры

В отличие от бесполого, при половом размножении образование дочернего организма происходит при участии половых клеток – гамет. В большинстве случаев новое поколение возникает в результате слияния двух специализированных половых клеток различных организмов.

Гаметы, дающие начало дочернему организму, имеют половинный (гаплоидный) набор хромосом данного вида и образуются в результате особого процесса – мейоза (см. ниже). Как правило, гаметы бывают двух типов – мужские (сперматозоиды) и женские (яйцеклетки), и формируются они в специальных органах – половых железах. Развитие яйцеклеток называют овогенезом, а сперматозоидов – сперматогенезом.

При оплодотворении происходит восстановление диплоидного набора. В каждой паре гомологичных хромосом одна хромосома происходит от отца, а вторая – от матери. Таким образом, новый организм, возникающий в результате слияния гамет, получает наследственную информацию от обоих родителей: 50 % от матери и 50 % от отца. Будучи похожим на них, он тем не менее обладает собственной уникальной комбинацией генетического материала, которая может оказаться очень удачной для выживания в меняющихся условиях окружающей среды.

Виды, у которых есть и мужские, и женские особи, называются раздельнополыми; к ним относится большинство животных. Виды, у которых одна и та же особь способна формировать и мужские, и женские гаметы, называют двуполыми или гермафродитными.

Возникшая в процессе эволюции раздельнополость имела явные преимущества. Появилась возможность объединять генетическую информацию разных особей, формируя новые сочетания и увеличивая генетическое разнообразие вида, что способствовало его приспособлению в изменяющихся условиях обитания. Кроме того, это позволило распределить функции между особями разного пола. У большинства организмов появился половой диморфизм – внешние отличия между мужскими и женскими особями.

Образование половых клеток. Развитие половых клеток подразделяют на несколько стадий: размножение, рост, созревание, а в процессе сперматогенеза выделяют ещё и стадию формирования (рис. 71).

На стадии размножения клетки, формирующие стенки половых желёз, активно делятся митозом, образуя незрелые половые клетки. Эта стадия у мужчин начинается с наступлением половой зрелости и продолжается почти всю жизнь. У женщин образование первичных половых клеток начинается ещё в эмбриональном периоде, т. е. общее количество яйцеклеток, которые у женщины будут созревать в течение её репродуктивного периода, определяется уже на ранней стадии развития женского организма. На стадии размножения первичные половые клетки, как и все остальные клетки тела, диплоидны.

На стадии роста, которая гораздо лучше выражена в овогенезе, происходит увеличение цитоплазмы клеток, накопление необходимых веществ и редупликация ДНК (удвоение хромосом).

Третья стадия – это стадия созревания, или мейоз. Будущие гаметы делятся дважды. Клетки, приступающие к мейозу, содержат диплоидный набор уже удвоенных хромосом.

Рис. 71. Гаметогенез у человека

В процессе двух мейотических делений из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных.

Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократное удвоение ДНК, осуществлённое на стадии роста. В каждом делении мейоза выделяют четыре фазы, характерные и для митоза (профазу, метафазу, анафазу, телофазу), однако они отличаются некоторыми особенностями (рис. 72).

Профаза первого мейотического деления (профаза I) значительно длиннее, чем профаза митоза. В это время удвоенные хромосомы, каждая из которых состоит уже из двух сестринских хроматид, спирализуются и приобретают компактные размеры. Затем гомологичные хромосомы располагаются параллельно друг другу, образуя так называемые биваленты, или тетрады, состоящие из двух хромосом или четырёх хроматид. Между гомологичными хромосомами может произойти обмен соответствующими гомологичными участками, что приведёт к перекомбинации наследственной информации и образованию новых сочетаний отцовских и материнских генов в хромосомах будущих гамет. К концу профазы I ядерная оболочка разрушается.

В метафазе I гомологичные хромосомы попарно в виде тетрад располагаются в экваториальной плоскости клетки, и к их центромерам присоединяются нити веретена деления.

В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалента (тетрады) расходятся к полюсам. Следовательно, в каждую из двух образующихся клеток попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом – число хромосом уменьшается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома при этом всё ещё состоит из двух сестринских хроматид.

В телофазе I образуются клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом и удвоенное количество ДНК. Спустя короткий промежуток времени клетки приступают ко второму мейотическому делению, которое протекает как типичный митоз, но отличается тем, что участвующие в нём клетки гаплоидны.

В профазе II разрушается ядерная оболочка. В метафазе II хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом. В анафазе II центромеры, соединяющие сестринские хроматиды, делятся; хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами и расходятся к разным полюсам клетки. Телофаза II завершает второе деление мейоза.

В результате мейоза из одной исходной диплоидной клетки, содержащей удвоенные молекулы ДНК, образуются четыре гаплоидные– клетки, каждая хромосома которых состоит из одиночной молекулы ДНК.

Рис. 72. Фазы мейоза

При сперматогенезе на стадии созревания в результате мейоза образуются четыре одинаковые клетки – предшественницы сперматозоидов, которые на стадии формирования приобретают характерный вид зрелого сперматозоида и становятся подвижными.

Мейотические деления в овогенезе характеризуются рядом особенностей. Во-первых, профаза I завершается ещё в эмбриональном периоде, а остальные события мейоза продолжаются только после полового созревания женщины. Каждый месяц в яичниках женщины продолжает развитие одна из остановившихся в своём делении клеток. В результате первого деления мейоза образуется крупная клетка – предшественница яйцеклетки и маленькое, так называемое полярное тельце, которые вступают во второе деление мейоза. На стадии метафазы II предшественница яйцеклетки овулирует, т. е. выходит из яичника в брюшную полость, откуда попадает в яйцевод. Если происходит оплодотворение, второе мейотическое деление завершается – образуются зрелая яйцеклетка и второе полярное тельце. Если слияния со сперматозоидом не происходит, не закончившая деление клетка погибает и выводится из организма.

Полярные тельца служат для удаления избытка генетического материала и перераспределения питательных веществ в пользу яйцеклетки. Спустя некоторое время после деления они погибают.

1. Докажите, что размножение – одно из важнейших свойств живой природы.

2. Какие основные способы размножения вам известны?

3. Что такое бесполое размножение? Какой процесс лежит в его основе?

4. Перечислите формы бесполого размножения; приведите примеры.

5. Возможно ли появление генетически разнородного потомства при бесполом размножении? Свой ответ обоснуйте.

6. Сравните половое и бесполое размножение. В чём преимущества и недостатки того и другого способа размножения?

7. Сформулируйте определение понятия «половое размножение».

8. Какие периоды выделяют в процессе развития половых клеток? Сравните, как протекает период созревания (мейоз) в процессе сперматогенеза и овогенеза.

1. Вспомните из материала предыдущих курсов биологии, встречается ли фрагментация в растительном царстве. Если да, то приведите примеры подобного способа размножения.

2. У некоторых простейших (малярийный плазмодий) встречается особый тип размножения – так называемая шизогония. Ядро материнской особи делится несколько раз подряд без деления цитоплазмы, а затем образовавшаяся многоядерная клетка распадается на множество одноядерных клеток. К какому типу размножения относится шизогония? Докажите своё мнение.

3. Приведите примеры гермафродитных организмов. Среди каких организмов распространён гермафродитизм? Выскажите предположение, с чем это связано.

4. Выберите критерии для сравнения, составьте и заполните в тетради таблицу «Митоз и мейоз: сходство и различия».

1. Докажите, что знания и умения, полученные при изучении этой главы, пригодятся вам в будущем.

2. Какой материал данной главы представляет наибольшую важность для специалиста в области микробиологии; вирусологии; цитологии; молекулярной биологии? Может ли в современной науке специалист-вирусолог не знать, например, особенностей строения бактериальной клетки? Докажите, что базовые знания о процессах, происходящих на молекулярном и клеточном уровнях организации живого, необходимы не только биологу, но и специалистам в других областях естественных наук.