ROZMNAŻANIE PŁCIOWE: CECHY, TYPY, ROŚLINY, ZWIERZĘTA - BIOLOGIA - 2026

Rozmnażanie płciowe jest mnożenie osobników z dwóch rodziców różnej płci: męskiej i żeńskiej - z wyjątkiem, gdy odnosi się do rozmnażania płciowego u bakterii i pierwotniaków, gdzie nie ma żadnej różnicy płci. Jest to szeroko rozpowszechniony proces w organizmach eukariotycznych.

Każda osoba uczestnicząca w rozmnażaniu płciowym wytwarza rodzaj wyspecjalizowanych komórek linii zarodkowej: plemniki i komórki jajowe. Są one spowodowane rodzajem wyspecjalizowanego podziału komórek, zwanego mejozą. To wydarzenie jest kluczową różnicą między rozmnażaniem bezpłciowym a rozmnażaniem płciowym.

Źródło: Manojiritty, z Wikimedia Commons

Proces zaczyna się od połączenia dwóch gamet, które dają początek zygocie. Później zygota daje początek nowej osobie o cechach obojga rodziców i pewnych unikalnych cechach.

Ze względu na wszechobecność tego procesu wnioskujemy, że rozmnażanie płciowe ma szereg zalet w stosunku do rozmnażania bezpłciowego. Bardziej zauważalne są jednak możliwe wady rozmnażania płciowego: między innymi czas i energia zainwestowana w poszukiwanie partnerów, rywalizacja o samice, koszt produkcji gamet, które nie są zapłodnione.

Wydaje się, że koszty są bardzo wysokie, więc muszą mieć istotne zalety, aby je zrównoważyć. Korzyści płynące z rozmnażania płciowego są przedmiotem kontrowersji i debaty wśród biologów ewolucyjnych.

Jedna z hipotez sugeruje, że rozmnażanie płciowe jest korzystne, ponieważ wytwarza odmiany, które w czasach zmian środowiskowych mogą być korzystne dla gatunku. W rzeczywistości wytwarzanie zmienności genetycznej jest jedną z zalet przypisywanych płci.

Z drugiej strony, niektórzy badacze sugerują, że rozmnażanie płciowe, a konkretnie rekombinacja, zostało wybrane jako mechanizm naprawy DNA. Jednak rozpowszechnienie seksu, pomimo jego kosztów, jest nadal nieznane.

Charakterystyka ogólna

Płeć jest złożonym zjawiskiem, które różni się znacznie w przypadku taksonów eukariotów. Ogólnie rzecz biorąc, możemy to rozumieć jako proces obejmujący trzy etapy: fuzję dwóch haploidalnych jąder, zjawisko rekombinacji, w wyniku której powstają nowe genotypy oraz podział komórek diploidalnych w celu utworzenia jąder haploidalnych.

Z tego punktu widzenia seks u eukariontów zależy od cyklu życiowego, w którym komórki diploidalne muszą się dzielić przez mejozę. Ten mejotyczny proces podziału odpowiada za dystrybucję materiału genetycznego przyszłych gamet.

Mejoza ma na celu oddzielenie homologicznych chromosomów w taki sposób, aby każda gameta miała połowę chromosomów somatycznych. Oprócz zmniejszenia obciążenia genetycznego w mejozie zachodzi również wymiana materiału między chromatydami niebędącymi siostrzanymi, tworząc całkowicie nowe kombinacje.

Gamety

Gamety są komórkami płciowymi organizmów, które są generowane przez mejozę i zawierają połowę ładunku genetycznego, to znaczy są haploidalne.

Gamety różnią się zarówno u roślin, jak iu zwierząt i są podzielone na trzy podstawowe kategorie w zależności od ich wielkości i względnej ruchliwości: izogamia, anizogamia i oogamia.

Izogamia jest formą rozmnażania płciowego, w której gamety, które łączą się, dając początek nowej osobie, są identyczne pod względem wielkości, ruchliwości i struktury. Izogamia jest reprezentowana głównie w roślinach.

W przeciwieństwie do tego anizogamia polega na połączeniu dwóch gamet różniących się rozmiarem i strukturą. Jednym szczególnym typem anizogamii jest oogamia, w której samce gamety są stosunkowo małe i liczne. Samice są znacznie bardziej widoczne i produkowane w mniejszej liczbie.

Rozmnażanie płciowe u zwierząt

W królestwie zwierząt rozmnażanie płciowe jest zjawiskiem szeroko rozpowszechnionym wśród członków grupy.

Prawie wszystkie bezkręgowce i kręgowce posiadają płcie w oddzielnych organizmach - to znaczy w gatunku można rozróżnić osobnika płci męskiej i żeńskiej. Stan ten nazywany jest dwupiennym, termin wywodzący się z greckich korzeni „dwa domy”

Z drugiej strony, istnieją pewne mniej liczne gatunki, których płeć występuje u tego samego osobnika zwanego jednopiennym: „dom”. Te zwierzęta są również znane jako hermafrodyty.

Rozróżnienie między płciami nie wynika z morfologicznych cech wielkości lub ubarwienia, ale ze względu na rodzaj gamet, które produkuje każda płeć.

Samice wytwarzają zalążki, charakteryzujące się dużym rozmiarem i bezruchem. Z drugiej strony plemniki są produkowane w większej ilości przez samce, są znacznie mniejsze i mają specjalne struktury do poruszania i zapładniania komórki jajowej.

Następnie opiszemy typowe narządy płciowe zwierząt, a następnie szczegółowo omówimy proces rozmnażania w każdej grupie zwierząt.

Struktury związane z rozmnażaniem

Wyspecjalizowane komórki do rozmnażania płciowego - komórki jajowe i plemniki - są wytwarzane w określonych tkankach zwanych gonadami.

U samców jądra są odpowiedzialne za produkcję plemników, podczas gdy w jajnikach powstają żeńskie gamety.

Gonady są uważane za główne narządy płciowe. Dodatkowe narządy płciowe są obecne w ważnej grupie metazoans, które są odpowiedzialne za przyjmowanie i przenoszenie komórek jajowych i nasienia. U kobiet znajdujemy pochwę, jajowody lub jajowody i macicę, podczas gdy u mężczyzn jest to penis.

Poriferous

Porifery są powszechnie znane jako gąbki i mogą rozmnażać się zarówno seksualnie, jak i bezpłciowo. U większości gatunków produkcja gamet męskich i żeńskich występuje u jednego osobnika.

Choanocyty to szczególny typ komórek tej linii, które mogą przekształcić się w plemniki. W innych grupach gamety mogą pochodzić z archeocytów.

Wiele gatunków jest żyworodnych, co wskazuje, że po zapłodnieniu zygota jest zatrzymywana przez organizm rodzicielski, aż do uwolnienia larwy. U tych gatunków plemniki są uwalniane do wody i wchłaniane przez inną gąbkę.

Cnidarians

Cnidarianie to organizmy morskie, do których należą meduzy i tym podobne. Zwierzęta te mają dwie morfologie: pierwsza to polip i charakteryzuje się siedzącym trybem życia, a druga to meduza, która jest zdolna do poruszania się i pływania.

Polipy na ogół rozmnażają się bezpłciowo w procesie pączkowania lub rozszczepiania. Meduza jest dwupienna i rozmnaża się płciowo. Cykl życia w tej grupie jest bardzo zmienny.

Acelomorfy i płazińce

Płazińce, takie jak płazińce, są znane przede wszystkim ze swojej zdolności do regeneracji i bezpłciowego wytwarzania wielu klonów od jednego osobnika.

Większość z tych zwierząt robakowatych jest jednopienna. Poszukują jednak partnera do przeprowadzenia krzyżowego zapłodnienia.

Męski układ rozrodczy obejmuje kilka jąder i strukturę podobną do brodawki podobnej do penisów złożonych kręgowców.

Mięczaki i pierścienice

Większość mięczaków jest dwupiennych, a z ich rozmnażania wynika swobodnie pływająca larwa zwana trocofera (bardzo podobna do larw pierścieniowatych) i różni się w zależności od gatunku mięczaków.

Podobnie pierścienice mają różne płci, a u niektórych mają gonady, które pojawiają się tymczasowo.

Stawonogi

Stawonogi to niezwykle zróżnicowana grupa zwierząt, charakteryzująca się egzoszkieletem złożonym z chityny i wyrostków stawowych. Linia ta obejmuje myriapody, chelicerates, skorupiaki i heksapody.

Płeć są na ogół rozdzielone, narządy wyspecjalizowane w rozmnażaniu występują parami. Większość gatunków posiada zapłodnienie wewnętrzne. Mogą być jajorodne, jajożerne lub żyworodne.

Echinoderms

Echinoderms obejmują rozgwiazdy, ogórki morskie, jeżowce i tym podobne. Chociaż istnieje kilka gatunków hermafrodytów, większość z nich charakteryzuje się odrębnymi płciami. Gonady są dużymi strukturami, przewody są proste i nie ma żadnych skomplikowanych organów kopulacyjnych.

Zapłodnienie zachodzi na zewnątrz i rozwija się obustronna larwa, która może swobodnie poruszać się w zbiorniku wodnym. Niektóre gatunki mają bezpośredni rozwój.

Chordates

Większość płci jest osobna. W tej grupie znajdujemy bardziej złożone organy do rozmnażania. Każda płeć ma gonady z kanałami, które kierują ich produkty do kloaki lub do specjalnego otworu znajdującego się w pobliżu odbytu. W zależności od grupy nawożenie może być zewnętrzne lub wewnętrzne.

Partenogeneza u zwierząt

Partenogeneza jest zjawiskiem szeroko reprezentowanym w królestwie zwierząt, głównie u bezkręgowców i niektórych kręgowców, co pozwala na pokolenie nowego osobnika tylko z jednym rodzicem. Chociaż jest to forma rozmnażania bezpłciowego, niektóre typy partenogenezy są uważane za rodzaje rozmnażania płciowego.

W mejotycznej partenogenezie jajo powstaje w wyniku mejozy i może, ale nie musi, zostać zapłodnione plemnikiem mężczyzny.

W niektórych przypadkach jaja muszą być aktywowane przez męską gametę płciową. W tym przypadku nie dochodzi do fuzji obu jąder, ponieważ odrzucany jest materiał genetyczny plemnika.

Jednak u niektórych gatunków komórka jajowa może rozwinąć się spontanicznie, bez potrzeby procesu aktywacji.

Rozmnażanie płciowe u roślin

Podobnie jak w przypadku zwierząt, rośliny mogą być rozmnażane płciowo. Składa się z połączenia dwóch haploidalnych gamet, które dadzą początek nowej osobie o unikalnych cechach genetycznych.

Roślina może mieć narządy męskie i żeńskie u jednego osobnika lub można je rozdzielić. W ogórku i mleku płci są rozdzielone, podczas gdy w różach i petuniach płci są razem.

Kwiat

Organem odpowiedzialnym za procesy rozmnażania płciowego są kwiaty. Te wyspecjalizowane struktury mają obszary, które nie biorą bezpośredniego udziału w rozmnażaniu: kielich i korona oraz struktury aktywne seksualnie: androecium i ginekomastia.

Androecium to męski narząd rozrodczy składający się z pręcika, który z kolei jest podzielony na włókno i pylnik. Ten ostatni region jest odpowiedzialny za produkcję ziaren pyłku.

Gynoecium jest żeńskim organem kwiatowym i składa się z jednostek zwanych owocolistkami. Struktura przypomina wydłużoną „kroplę” i dzieli się na piętno, styl i ostatecznie jajnik.

Zapylanie

Proces rozmnażania płciowego u roślin zachodzi głównie poprzez zapylanie, które polega na transporcie ziaren pyłku z pylnika do znamienia.

Zapylenie może nastąpić w tym samym kwiatku (ziarna pyłku trafiają do organu żeńskiego tej samej rośliny) lub może być krzyżowe, gdzie ziarenka pyłku zapładniają innego osobnika.

W większości roślin do zapylenia konieczna jest interwencja zwierzęcia. Mogą to być bezkręgowce, takie jak pszczoły lub inne owady lub kręgowce, takie jak ptaki i nietoperze. Roślina oferuje zapylaczowi nektar jako nagrodę i jest on odpowiedzialny za rozproszenie pyłku.

Struktury kwiatowe, które nie uczestniczą bezpośrednio w rozmnażaniu, to korona i kielich. Są to zmodyfikowane liście, w wielu przypadkach o jasnych i żywych kolorach, które są odpowiedzialne za wizualne lub chemiczne przyciąganie potencjalnego zapylacza.

Podobnie, niektóre rośliny nie wymagają zapylaczy zwierzęcych i wykorzystują wiatr lub wodę do rozpraszania pyłku.

Nawożenie, nasiona i owoce

Proces rozpoczyna się wraz z pojawieniem się ziaren pyłku na znamieniu kwiatu. Te podróżują stylowo, aż znajdą jajnik.

Podwójne nawożenie jest typowe dla roślin kwitnących i unikalne wśród wszystkich organizmów. Zjawisko to zachodzi w następujący sposób: jądro plemnika łączy się z komórką jajową, a kolejne jądro plemnika łączy się z diploidalnym zarodkiem sporofitu.

Wynikiem tego niezwykłego zdarzenia zapłodnienia jest bielmo trioploidalne, które będzie pełnić rolę tkanki odżywczej dla rozwoju organizmu. Po pomyślnym dojrzewaniu zalążków przekształcają się one w nasiona. Z drugiej strony owoc jest tworzony przez dojrzałe jajniki.

Owoce można sklasyfikować jako proste, jeśli pochodzą z dojrzałego jajnika i można je dodać, jeśli wyrosną z kilku jajników, na przykład truskawek.

Rozmnażanie płciowe u bakterii

Bakterie znane są przede wszystkim ze swojej zdolności do rozmnażania bezpłciowego.

W tej prokariotycznej linii osobnik jest w stanie podzielić się na dwie części w procesie zwanym rozszczepieniem binarnym. Jednak w bakteriach istnieje szereg mechanizmów, które przypominają rozmnażanie płciowe, ponieważ zachodzi wymiana materiału genetycznego.

Do połowy lat czterdziestych uważano, że bakterie rozmnażają się wyłącznie bezpłciowo. Jednak naukowcy Joshua Lederberg i Edward Tatum obalili to przekonanie w genialnym eksperymencie wykorzystującym jako model bakterie E. coli o różnych wymaganiach żywieniowych.

Doświadczenie składało się ze szczepu A rosnącego w minimalnej pożywce z metioniną i biotyną oraz szczepu B, który wzrastał tylko w środowiskach z treoniną, leucyną i tiaminą. Innymi słowy, każdy szczep był nosicielem mutacji, która uniemożliwiała mu syntezę tych związków, dlatego musiały zostać zsyntetyzowane w pożywce hodowlanej.

Kiedy kolonie pozostawały w kontakcie przez kilka godzin, osobnicy nabyli zdolność syntezy składników odżywczych, których wcześniej nie potrafili. W ten sposób Lederberg i Tatum wykazali, że istnieje proces wymiany DNA podobny do rozmnażania płciowego i nazwali go koniugacją.

Koniugacja

Proces koniugacji zachodzi poprzez podobną do mostka strukturę zwaną pilusami płciowymi, która fizycznie wiąże ze sobą dwie bakterie i umożliwia im wymianę DNA.

Ponieważ bakterie nie mają dymorfizmu płciowego, nie możemy mówić o samcach i samicach. Jednak tylko jeden typ może wytworzyć pilus i mają one specjalne fragmenty DNA zwane czynnikiem F dla „płodności”. Czynnik F posiada geny do produkcji pilusów.

DNA biorące udział w wymianie nie jest częścią pojedynczego chromosomu bakteryjnego. Zamiast tego jest izolowaną okrągłą częścią zwaną plazmidem, która ma swój własny system replikacji.

Transformacja

Oprócz koniugacji istnieją inne procesy, w których bakterie mogą uzyskać dodatkowe DNA i charakteryzują się prostotą niż koniugacja. Jednym z nich jest transformacja, która polega na pobraniu nagiego DNA ze środowiska zewnętrznego. Ten egzogenny fragment DNA można zintegrować z chromosomem bakteryjnym.

Mechanizm transformacji wpisuje się w koncepcję rozmnażania płciowego. Chociaż bakterie pobierały wolne DNA, ten materiał genetyczny musiał pochodzić z innego organizmu - na przykład bakterii, która obumarła i uwolniła swoje DNA do środowiska.

Transdukcja

Trzecim i ostatnim znanym mechanizmem pozyskiwania obcego DNA u bakterii jest transdukcja. Oznacza to udział wirusa, który infekuje bakterie: bakteriofagi.

Podczas transdukcji wirus pobiera część bakteryjnego DNA, a kiedy infekuje bakterię, różnica może przekazać jej ten fragment. Niektórzy autorzy używają terminu „zdarzenia paraseksualne” w odniesieniu do tych trzech mechanizmów.

Perspektywa ewolucyjna

Wszechobecność rozmnażania płciowego w organizmach jest faktem godnym uwagi. Zatem jednym z największych pytań w biologii ewolucyjnej jest to, dlaczego seks rozprzestrzenia się w tak wielu liniach, jeśli jest to czynność kosztowna energetycznie - aw niektórych przypadkach nawet niebezpieczna.

Podejrzewa się, że selektywne siły, które zapoczątkowały rozmnażanie płciowe u eukariontów, są tymi samymi, które utrzymują procesy paraseksualne opisane dla bakterii.

Koszty seksu

W świetle ewolucji termin „sukces” odnosi się do zdolności jednostki do przekazywania swoich genów następnemu pokoleniu. Paradoksalnie seks jest procesem, który nie w pełni odpowiada tej definicji, ponieważ szereg kosztów związanych z reprodukcją.

Rozmnażanie płciowe polega na znalezieniu partnera i w większości przypadków nie jest to proste. Trzeba zainwestować ogromną ilość czasu i energii w to przedsięwzięcie, które zadecyduje o sukcesie potomstwa - w znalezieniu „idealnego partnera”.

Zwierzęta wykonują szereg rytuałów, aby przyciągnąć potencjalnych partnerów, aw niektórych przypadkach muszą walczyć, ujawniając własne życie, aby osiągnąć kopulację.

Nawet na poziomie komórkowym seks jest drogi, ponieważ podział przez mejozę trwa znacznie dłużej niż mitoza. Dlaczego więc większość eukariontów rozmnaża się płciowo?

Istnieją dwie podstawowe teorie. Jedna dotyczy fuzji komórek jako mechanizmu poziomej transmisji „samolubnego” elementu genetycznego, podczas gdy druga teoria proponuje rekombinację jako mechanizm naprawy DNA. Poniżej opiszemy wady i zalety każdej teorii:

Korzyści seksualne

Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy skupić się na możliwych korzyściach z rozmnażania płciowego u pierwszych eukariontów.

Fuzja gamet w celu utworzenia zygoty prowadzi do połączenia dwóch różnych genomów, które są zdolne do kompensacji ewentualnych wadliwych genów w jednym genomie z normalną kopią drugiego.

Na przykład u ludzi dziedziczymy po jednej kopii od każdego z rodziców. Jeśli odziedziczymy wadliwy gen od matki, normalny gen od naszego ojca może go zrekompensować (w takim przypadku, gdy patologia lub choroba ma charakter homozygotyczny recesywny).

Druga teoria - nie tak intuicyjna jak pierwsza - sugeruje, że mejoza działa jako mechanizm naprawczy w DNA. Uszkodzenie materiału genetycznego to problem, z którym muszą się zmierzyć wszystkie organizmy. Istnieją jednak organizmy, które rozmnażają się tylko bezpłciowo, a ich DNA nie jest szczególnie uszkodzone.

Inna hipoteza głosi, że seks mógł wyewoluować jako pasożytnicza adaptacja między samolubnymi elementami genetycznymi, aby zostać przeniesionym do innych linii genetycznych. Podobny mechanizm został udowodniony w E. coli.

Chociaż istnieją możliwe wyjaśnienia, ewolucja płci jest przedmiotem gorącej debaty wśród biologów ewolucyjnych.

Dobór płciowy

Dobór płciowy to koncepcja wprowadzona przez Karola Darwina, która ma zastosowanie tylko do populacji rozmnażających się płciowo. Służy do wyjaśnienia obecności zachowań, struktur i innych atrybutów, których istnienia nie można pojąć przez dobór naturalny.

Na przykład bardzo kolorowe i nieco „przesadne” upierzenie pawi nie przynosi bezpośrednich korzyści osobnikom, ponieważ czyni je bardziej widocznymi dla potencjalnych drapieżników. Ponadto występuje tylko u samców.

Bibliografia

1. Colegrave, N. (2012). Ewolucyjny sukces seksu: Science & Society Series on Sex and Science. Raporty EMBO, 13 (9), 774-778.
2. Crow, JF (1994). Zalety rozmnażania płciowego. Developmental genics, 15 (3), 205-213.
3. Freeman, S. i Herron, JC (2002). Analiza ewolucyjna. Prentice Hall.
4. Goodenough, U. i Heitman, J. (2014). Geneza eukariotycznej reprodukcji płciowej. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 6 (3), a016154.
5. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC i Garrison, C. (2001). Zintegrowane zasady zoologii. Nowy Jork: McGraw-Hill.
6. Leonard, J. i Córdoba-Aguilar, A. (red.). (2010). Ewolucja pierwotnych cech płciowych u zwierząt. Oxford University Press.
7. Sawada, H., Inoue, N. i Iwano, M. (2014). Rozmnażanie płciowe u zwierząt i roślin. Springer-Verlag GmbH.