Розмноження організмів
Вертьянов С. Ю.
Наш повсякденний досвід сумно свідчить про те,
що все живе схильне до смерті .* Істоти хворіють, старіють і, нарешті,
вмирають. У багатьох життя ще більш коротка - їх з'їдають хижаки. Щоб життя на
Землі не припинилася, всі істоти наділені універсальним властивістю --
здатністю до розмноження.
При всій різноманітності живих організмів, що населяють
планету, при всіх відмінностях у будові і спосіб життя, способи їх розмноження в
природі зводяться до двох форм: безстатевої і статевої. Деякі рослини поєднують
ці дві форми, розмножуючись бульбами, живцями або відводками (безстатеве
розмноження) і одночасно - насінням (статеве).
У разі безстатевого розмноження потомство розвивається
з клітин вихідного організму. При статевому розмноженні розвиток нового істоти
починається з єдиної клітини, що утворилася від злиття двох батьківських --
чоловічого і жіночого.
Сутність розмноження полягає в збереженні не тільки
життя в цілому, а й кожного окремого виду тварин і рослин, в організації
наступності між потомством і батьківськими істотами. Молекулярну
основу процесів розмноження всіх організмів становить здатність ДНК до
самоудвоенію. У результаті генетичний матеріал відтворюється в будові і
функціонування дочірніх організмів.
* Святе Письмо й твори святих отців пронизані
думкою про те, що смерть і тління не були створені спочатку, а в світ увійшло
внаслідок гріхопадіння першої людини (Прем. 1,13 і 2,23, Рим. 5,12 і т.
д.).
Поділ клітин. Мітоз
Життєвий цикл клітини. Процес поділу і Інтерфаза
тісно взаємопов'язані, їх сукупність становить життєвий цикл клітини. Його
тривалість в клітинах рослин і тварин становить у середньому 10-20
годин.
У хімічно активному середовищі харчового тракту клітини
епітелію кишечнику швидко зношуються і тому безперервно діляться - двічі на
добу, клітини рогівки ока приступають до поділу один раз на три доби, а
клітини епітелію шкіри - раз на місяць. На процес поділу клітина витрачає в середньому
від 1 до 3 годин в залежності від зовнішніх умов (освітлення, температури та
пр.).
У печінці тварин знаходяться так звані що спочивають
клітини, які діляться тільки в кризових ситуаціях. Наприклад, при видаленні
частини печінки ці клітини починають інтенсивно розмножуватися, швидко заповнюючи
число, необхідне для нормальної життєдіяльності органу.
Деякі високоспеціалізовані клітини (нейрони,
частина лейкоцитів) у дорослих істот ніколи не діляться. Їх клітинний цикл
закінчується апоптозом ptosis падіння)
- Запрограмованої загибеллю. У деяких + грец. apo від <(випадках апоптозу піддаються й інші клітини організму.
Відбувається це таким чином. Спочатку клітина отримує певний
хімічний сигнал на здійснення самознищення. Потім в її комплексі
Гольджі і лізосомах активуються ферменти, що руйнують (лізує) основні
компоненти цитоплазми і ядра. Після цього клітина розпадається на мембранні
бульбашки, які поглинаються клітинами-фагоцитами, переробними
сторонні компоненти. Запального процесу при апоптозу не виникає.
За допомогою апоптозу пуголовки втрачають свій
хвіст, а у личинок комах в ході їх перетворення в дорослий організм
зникають зайві тканини. Пальці людського ембріона з'єднані тканинними
перетинками. У процесі ембріогенезу перетинки запрограмовано знищуються.
Апоптоз допомагає організму позбавлятися від клітин, в
яких накопичилися генетичні пошкодження, а також від хворих і постарілих
клітин. Багато вірусів, проникаючи в клітку, перш за все намагаються порушити її
механізм апоптозу, щоб не бути знищеними разом з хворої клітиною.
При порушенні апоптозу розвиваються такі важкі
захворювання як системна червоний вовчак, хвороба Паркінсона, прогресують
вірусні інфекції.
Апоптоз може бути спровокований зовнішніми чинниками:
хімічним впливом або опроміненням. На цьому заснована дія деяких препаратів
і спеціальних випромінювачів, що викликають апоптоз ракових клітин. Спровокований
апоптоз іноді призводить до небезпечних наслідків. Так, тривале порушення
кровообігу серцевого м'яза призводить до руйнування лише невеликої частини її
клітин, але їх загибель викликає апоптоз багатьох сусідніх клітин і як наслідок --
обширний інфаркт міокарда.
Крім апоптозу є й інші механізми, що обмежують
життєдіяльність клітин. Так, в результаті кожного акту поділу кінцеві
ділянки ДНК хромосом коротшають. Коли втрата генетичного матеріалу
стає критичною, клітина перестає ділитися. Деякі групи клітин
багатоклітинних істот, як і одноклітинні організми, мають здатність
давати необмежену кількість поколінь. Це так звані стовбурові
клітини. У людини стовбуровими є клітини червоного кісткового мозку, з
яких формуються еритроцити, лейкоцити і тромбоцити. У стовбурових клітинах,
як і в одноклітинних організмах, синтезується особливий фермент, подовжуючий
кінцеві ділянки ДНК, - теломераза.
Інфузорії, на відміну від амеб і бактерій, не можуть
ділитися нескінченно довго. Після певного, досить великої кількості
поділів у них спостерігаються ознаки старіння (дегенерації). Тоді два
постарілі інфузорії "злипаються" і кон'югуються - обмінюються
частини ядерних ДНК, тобто генетичною інформацією. Після кон'югації у кожній
інфузорії відновлюється життєздатність: підвищується інтенсивність обміну
речовин, збільшується темп поділок і т.д.
Ділення клітин складає основу процесів розмноження
і розвитку організмів. Розподіл відбувається в два етапи. Спочатку розділяється
ядро, а потім відбувається цітокінез - поділ самої клітини.
Мітоз. Основний спосіб поділу ядер еукаріотичних
клітин називають мітозів. Розрізняють чотири фази мітозу: профази, метафаза,
анафаза і телофаза.
профази. У профазі закінчуються приготування до
поділу. Хромосоми сильно товщають і стають видимими у світловий
мікроскоп. Тепер вони представляють собою дві спіраль ДНК (хроматиди),
утворилися в процесі подвоєння та Центромера з'єднані один з одним.
Зчитування інформації з ДНК припиняється, синтез РНК
закінчується. Субодиниці рибосом виходять в цитоплазму, і ядерця зникають.
Мікротрубочки цитоскелету розпадаються. З складали їх білків на центріолей
починає формуватися веретено поділу. Центріолі розходяться до протилежних
полюсів клітини. Зовнішні мікротрубочки прикріплюються до зовнішньої мембрани і
фіксують положення центріолей. Нарешті ядерна оболонка розпадається на
фрагменти, і хромосоми опиняються в цитоплазмі. Краї фрагментів оболонки
замикаються, утворюючи дрібні бульбашки-вакуолі, які зливаються з мембранами
ендоплазматичної мережі.
метафаза. Ця стадія поділу характеризується
перегрупуванням хромосом в цитоплазмі. Коли до хромосоми доростають
мікротрубочки від найближчої центріолі, вона починає переміщатися до центру клітини
в міру зростання мікротрубочки, поки не з'єднається своєї центромерной областю з
мікротрубочками від іншої центріолі. Контакти хромосом з мікротрубочками відбуваються
випадковим чином, в мікроскоп видно, як хромосоми енергійно обертаються і
процесі запліднення гамети зливаються і утворюють
диплоїдні запліднену яйцеклітину (зиготу), яка дає початок новому
організму.
Одна з гомологічних хромосом соматичної клітини
дістається від "мами", а інша - від "папи". У результаті
частини генетичного матеріалу батьківських особин об'єднуються, і в потомство
з'являються нові комбінації генів. Різноманітність генетичного матеріалу
дозволяє потомству успішніше пристосовуватися до мінливих зовнішніх умов.
У збагаченні спадкової інформації полягає головна перевага статевого
розмноження, його основне біологічне значення.
У двостатеві рослин є ряд особливостей,
виключають самозапліднення. Тичинки і маточки двостатеві квіток дозрівають
не одночасно, тому відбувається саме перехресне запилення різних особин.
Конопля має роздільно маточкові чоловічі та жіночі тичіночние квітки на різних
особин.
Розвиток статевих клітин. Формування статевих клітин
(гаметогенезу) відбувається в статевих залозах. Розвиток жіночих гамет (яйцеклітин)
відбувається в яєчниках і лат. ovum яйце + genesis походження). Чоловічі <носить назву овогенеза (гамети (сперматозоїди) формуються
в насінниках в процесі сперматогенезу. Статеві залози практично всіх істот
мають трубчасті будову. Гаметогенезу відбувається послідовно у трьох зонах:
розмноження, росту і дозрівання. Відповідно виділяють і три періоди розвитку
гамет.
У початковий період розмноження статеві клітини мають
диплоїдний набір хромосом і діляться за допомогою мітозу. Особливо інтенсивно
розмножуються чоловічі гамети. У чоловічих особин статеві клітини утворюються
практично все життя. Формування яйцеклітин ссавців відбувається тільки
в ембріональний період, далі вони зберігаються в стані спокою.
Потрапляючи в зону росту, статеві клітини вже не діляться, а
тільки ростуть. Чоловічі гамети виростають не дуже сильно, а яйцеклітини
збільшують свої розміри в сотні, тисячі і мільйони разів (згадаймо курячу
яйцеклітину - яйце). Зовнішні оболонки яйцеклітини надійно захищають розвивається
плід, через них, особливо крізь шкаралупу пташиних яєць, бактерії і віруси
не проникають, а повітря проходить вільно.
Сперматозоїди значно менше яйцеклітин. У
ссавців вони мають форму довгої нитки з головкою, шийкою і джгутиком. У
голівці містяться хромосоми, а на її передній частині - комплекс Гольджі з
ферментами, що розчиняють оболонку яйцеклітини і забезпечують проникнення
ядра сперматозоїда (оболонка залишається зовні). Чоловічі гамети не тільки вносять
генетичну інформацію, а й ініціюють розвиток яйцеклітини. У шийці
розташована центріоль, що утворює джгутик сперматозоїда, що дозволяє йому
інтенсивно пересуватися. Джерелом енергії для рухів джгутика служать
молекули АТФ, запасені в шийці. Для поповнення АТФ у шийці розташовані
мітохондрії.
Після того як гамети виростають до розмірів дорослих
статевих клітин, вони потрапляють в зону дозрівання.
Основу дозрівання гамет складає специфічний
процес розподілу кожної статевої клітини на чотири нових. Дозрівання яйцеклітин і
сперматозоїдів протікає в основному подібним чином, розходження виникають тільки
на останній стадії з наступних причин. Для успішного запліднення
необхідно досить велика кількість сперматозоїдів. Тому всі чотири
утворилися чоловічі клітини виявляються функціональними та життєздатними.
Основним завданням яйцеклітини є не тільки запліднення, але й успішне
дозрівання плоду. З цією метою процес розподілу відбувається нерівноцінні: весь
жовток йде в одну яйцеклітину, і вона виявляється єдиною життєздатною.
Інші три цілком функціональні яйцеклітини не отримують при дозріванні
поживних речовин і незабаром гинуть. Їх називають направітельнимі, або полярними
тільцями.
Період дозрівання гамет, що супроводжується специфічним
поділом кожної з них на чотири нових, носить назву мейозу. Наступного
параграфі ми розглянемо що відбуваються в мейозі процеси більш докладно.
Мейоз
Розвиток організму починається з єдиної клітини --
зиготи, яка утворюється від злиття спеціалізованих статевих клітин --
чоловічої та жіночої гамет. У процесі злиття їх ядра об'єднуються, і в зиготі
виявляється удвічі більше хромосом, ніж у кожній гаметі. Якби статеві клітини
були диплоїдні, то в кожному наступному поколінні кількість хромосом у клітинах
організму подвоювалося б. Тому статеві клітини несуть удвічі менший набір
хромосом. Таким чином, соматичні (тілесні) клітини організмів мають
диплоїдний (подвійний) набір хромосом і підтримують його видове сталість
за допомогою мітотичного поділу, а статеві - гаплоїдний, який
відновлюється до диплоїдного в процесі запліднення. Розглянемо основні
фази мейозу.
Дозрівання гамет включає два послідовних
ділення: перший - типовий мейоз, друге схоже з мітотичним. Обидва ділення
подібно до мітозу проходять чотири стадії: профазу, метафазі, анафазу і телофазу.
Перед першим поділом, як і перед мітозів, відбувається реплікація ДНК з
подвоєнням хромосом, кожна хромосома вступає в процес розподілу здвоєною.
Перше мейотіческое поділ
У профазі гомологічні хромосоми підходять дуже близько
один до одного. Особливими білковими нитками з потовщеннями на кінцях вони як би
пристібаються один до одного за типом застібки "блискавка". У такому
стані, званому кон'югацією, вони знаходяться досить довго (у людини
близько тижня). Пристібання відбувається в тих місцях ДНК, де ще не
завершилася реплікація і подвійна спіраль кілька розкручена.
кон'югуються хромосоми щільно прилягають один до одного
і можуть обмінюватися ділянками. Такий обмін називають перехрестям, або
Кросинговер (англ. crossing over). Після перехреста кожна хромосома
поєднує гени, які перебували до перехреста у різних гомологічних хромосомах.
Наприкінці профази до Центромера хромосом приєднується
веретено ділення, і вони починають розходитися центромернимі ділянками до різних
полюсів ділення, залишаючись зчепленими в місцях Кросинговер.
На відміну від мітозу, в метафазі мейозу подвоєні
хромосоми не розділяються в Центромера, кожна пара взаємодіє з одним
веретеном поділу. Якщо в метафазі мітозу до різних полюсів розходяться окремі
хроматиди, то в метафазі першого поділу мейозу - кон'юговані хромосоми. У
телофазе на нетривалий період утворюється ядерна оболонка.
Друге мейотіческое поділ. Оскільки хромосоми
залишилися з'єднаними Центромера, тобто подвоєними, реплікація ДНК перед
другим поділом не відбувається. Друге мейотіческое поділ здійснюється
аналогічно мітозу. У результаті з двох диплоїдних клітин утворюються чотири
гаплоїдні статеві клітини. Через відсутність кон'югації другий поділ
відбувається значно швидше.
Соматичні клітини містять по дві гомологічних
хромосоми (однакових за формою та розміром, що несуть однакові групи генів):
одну - від батьківського організму, іншу - від материнського. У статевих клітинах з
двох гомологічних хромосом залишається якась одна, їх хромосоми не мають
гомологів - вони поодинокі, тому й набір - гаплоїдний. Якщо при мітозі
кількість генетичної інформації зберігається, то при мейозі - скорочується
вдвічі.
У формуванні статевих клітин зі зменшеним удвічі,
гаплоїдний, набором хромосом складається біологічна сутність мейозу.
Хромосомні набори дозрілих статевих клітин внаслідок
випадковості розбіжності пар до полюсів в метафазі першого поділу містять самі
різноманітні комбінації батьківських хромосом. Гамета може мати, наприклад, 5
батьківських і 18 материнських хромосом (всього у людини 23 хромосоми), 20
батьківських і материнських 3 і т.д. Кожна з 23 хромосом відмінна від іншої і
може виявитися однією з двох гомологічних батьківських - всього 223 (8,6 млн.)
варіантів гамет. У дочірньому організмі кількість можливих комбінацій хромосом
складає 423, це число в тисячі разів перевищує населення земної кулі.
Кросинговер, об'єднуючи в хромосомах гени батьківських особин, на багато
порядки збільшує різноманітність ознак у потомство. Таке розмаїття
можливих генотипів робить кожна істота неповторним, генетично
унікальним.
У період мейозу генетичний матеріал дуже вразливий.
Якщо, наприклад, в результаті опромінення або дії хімічних сполук
відбудеться розрив ДНК в момент розбіжності хромосом, то частина спадкового
матеріалу втратиться. Втрата ділянки ДНК у соматичної клітці під час мітозу
призведе до порушення тільки в її дочірніх клітинах, що становлять невелику частину
істоти. Якщо ж втратиться частина хроматиди дозріває статевої клітини, то
постраждає потомство: його спадкова інформація буде неповною, якісь
процеси життєдіяльності не зможуть здійснюватися. При цьому більшою небезпеки
піддається жіночий ембріон, оскільки весь запас жіночих гамет (у людини
близько 300) формується в ембріональний період відразу на все життя, чоловічі ж
гамети утворюються практично весь період життєдіяльності. Незначні
дози радіації, зовсім не небезпечні для самого організму, можуть порушити хромосоми
яйцеклітин ембріона і привести до генетичних аномалій у наступному поколінні.
Партеногенез. Деякі тварини (дафнії, скельні
ящірки, частина риб, попелиці) та рослини (кульбаба) в певні періоди
здатні розмножуватися без злиття чоловічої та жіночої гамет. Розвиток відбувається
з незаплідненої яйцеклітини. Диплоїдної, наприклад, у скельних ящірок
досягається злиттям яйцеклітини з полярним тільцем. При цьому, як правило,
утворюються тільки особи жіночої статі. Цей різновид статевого розмноження
називається партеногенезом.
Бджолиний матка відкладає два види яєць:
запліднені диплоїдні і незапліднених гаплоїдні. З незапліднених
яєць розвиваються трутні, а з запліднених - самки, з яких при гарному
годуванні виростають матки, а при створюваному недоліку харчування виходять
робочі бджоли.
Іноді партеногенез можна викликати штучно,
впливаючи світлом, кислотами, високою температурою та іншими агентами. Якщо,
наприклад, вколоти голочкою незапліднену яйцеклітину жаби, то ця
яйцеклітина може, не запліднивши, почати поділ і розвинутися в доросле
особина. Мимовільно партеногенез в жаб не відбувається. Розподіл яйцеклітини
деяких риб може початися після поверхневого контакту зі сперматозоїдом
близьких видів риб. Запліднення не відбувається, але яйцеклітина починає
ділитися.
Основним способом розведення шовковичного шовкопряда
є стимулювання партеногенезу шляхом короткочасного нагрівання яєць до
46 ° С. З незапліднених яйцеклітин розвиваються повноцінні в генетичному
відносно самки шовкопряда.
Запліднення
Сутність процесу запліднення становить злиття
чоловічої та жіночої гамет - спеціалізованих статевих клітин, які мають гаплоїдний
(одинарний) набір хромосом. У результаті утворюється диплоїдні запліднена
яйцеклітина - зигота. Таким чином, при заплідненні відновлюється
подвійний набір, характерний для соматичних клітин. Хромосоми в ядрі зиготи
містяться гомологічними парами, тобто будь-який ознака (наприклад, колір очей
людини або шерстистого собаки) записаний в ДНК двічі - генами батька і генами
матері.
Після запліднення зигота подвоює свої хромосоми
шляхом реплікації ДНК і приступає до мітотичного ділення - починається розвиток
нового організму.
Запліднення, як і гаметогенезу, у рослин і
тварин має схожі риси.
Запліднення у тварин. Населяють планету живі
організми розрізняються будовою, способом життя, місцем існування. Одні з них
виробляють дуже багато статевих клітин, інші - відносно мало. Існує
розумна закономірність: чим менша ймовірність зустрічі чоловічої та жіночої
гамет, тим більшу кількість статевих клітин продукують організми. Рибам і амфібіям
властиво зовнішнє запліднення. Їх гамети потрапляють у воду, де і відбувається
запліднення. Багато гамети гинуть або поїдаються іншими істотами,
тому ефективність зовнішнього запліднення дуже низька. Для збереження виду
рибам та амфібіям необхідно проводити величезну кількість гамет (тріска метає
близько 10 млн. ікринок).
Вищі тварини та рослини використовують внутрішнє
запліднення. У цьому випадку процес запліднення і утворюється зигота захищені
організмом матері. Імовірність запліднення значно підвищується, тому й
продукується, як правило, лише кілька яйцеклітин. Але сперматозоїдів все-таки
виробляється достатньо багато, їх надмірна кількість необхідно для створення
навколо яйцеклітини певної хімічної середовища, без якої запліднення
неможливо. Яйцеклітина має механізми, що перешкоджають проникненню зайвих
сперматозоїдів. Після того, як проник перша, вона виділяє речовину,
переважна рухливість чоловічих гамет. Навіть якщо їх в яйцеклітину встигає
проникнути кілька, то з яйцеклітиною зливається тільки один, інші гинуть.
Зазвичай запліднення відбувається відразу після
осіменіння, але у деяких тварин існують механізми затримки
запліднення до весняно-літнього сезону. У кажанів при пізньому осінньому
спарюванні запліднення не відбувається. Яйцеклітина дозріває тільки до весни, а
сперматозоїди благополучно перезимовують в статевих органах самки. У інших
організмів що почала розвиватися зигота консервується до настання
сприятливого для потомства сезону, з настанням весни її розвиток
триває. Завдяки цій здатності загальний період вагітності у горностая
може затягуватись до 300-320 діб, у соболя - до 230-280 діб.
Запліднення у рослин. Процес запліднення у
рослин при загальній подібності з заплідненням тварин має деякі
особливості. У покритонасінних рослин чоловічі гамети (спермії), на відміну від
сперматозоїдів, малорухливі. Їх розвиток починається з формування в пильовику
квітки мікроспорія - пилкових зерен. У доспілої пилкової зерні міститься
вегетативна клітина і два сперми.
Потрапляючи на рильце маточки, вегетативна клітина
формує пилкових трубку, що проростають у напрямку до сім'ябруньки. З цієї
трубці спермії переміщуються всередину квітки, і коли кінчик трубки розривається,
вони потрапляють в зародковий мішок. Один з них зливається з яйцеклітиною і
утворює зиготу - зародок майбутнього рослини. Другий спермій зливається з двома
ядрами гаплоїдний клітин, розташованих в центрі зародкового мішка. У
результаті утворюється тріплоідная клітина - ендосперм. Шляхом багаторазових
мітозів ендосперм формує сприятливе середовище навколо зародка.
Друге запліднення з освітою і розвитком
ендосперму відбувається тільки після того, як запліднити яйцеклітину. Цей
універсальний для всіх покритонасінних рослин статевий процес носить назву
подвійного запліднення. Він відкритий в 1898 р. відомим російським ботаніком С. Г.
Навашиним.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
