Учебник для 10 класса

Естествознание

§ 71. Самовоспроизведение живых организмов

Нет живого не из яйца!
Все живое от живого.
Л. Окен

Каковы способы самовоспроизведения живых организмов? В чем заключаются преимущества полового размножения перед бесполым? Какие формы бесполого и полового размножения существуют? Как формируются гаметы? Как чередуются поколения в жизненных циклах?

Урок-лекция

Процессы самоорганизации в биологических системах представляют собой развитие любого организма как открытой неравновесной системы, его жизненный цикл. В ходе такого развития могут сменяться не только разные стадии (личинки и взрослые особи), но и разные поколения (бесполое и половое). Рассмотрим многообразие этих процессов и биологические механизмы, лежащие в их основе.

САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ КАК ПРОЦЕСС САМООРГАНИЗАЦИИ. Способность воспроизводить себе подобных (размножение) — одно из главных свойств живых организмов. Оно обеспечивается благодаря репликации ДНК, позволяющей дублировать генетическую информацию. Размножение же организмов, как таковое, может быть бесполым и половым При бесполом размножении новая особь образуется из одной клетки или группы клеток материнского организма. При половом размножении новая особь развивается из зиготы — клетки, которая образуется при слиянии двух специализированных половых клеток. Они носят название гамет и продуцируются родительскими особями. Поскольку при формировании зиготы сливаются и ядра гамет, то число хромосом соответственно удваивается. В ходе развития половых клеток имеет место близкий митозу процесс — мейоз, который обеспечивает уменьшение (редукцию) числа хромосом в гаметах.

В соматических клетках высших растений и животных каждая хромосома представлена в двух экземплярах. Такие пары хромосом называют гомологичными. В ходе мейоза образующиеся гаметы получают по одинарному (гаплоидному) набору хромосом, а при слиянии ядер двух гамет в зиготе двойной (диплоидный) набор хромосом восстанавливается. Однако в каждой паре гомологичных хромосом в зиготе одна хромосома будет от одного родительского организма, а другая — от другого. Поэтому развивающийся из зиготы организм будет обладать новым сочетанием (комбинаций) различных признаков и свойств, т. е. отличаться от своих родителей. Это комбинативная форма наследственной изменчивости.

Она является существенным фактором эволюции, обеспечивающим приспособление видов к меняющимся условиям среды. В этом, собственно, и заключается смысл полового размножения и его преимущество перед бесполым размножением. Неудивительно, что половое размножение возникло на ранних этапах эволюции и служит доминирующей формой размножения высших многоклеточных организмов.

Рис.86. Мейоз

Мейоз состоит из двух следующих друг за другом делений клетки (рис. 86). В интерфазе I, предшествующей первому делению, как и в интерфазе митоза (§ 31), происходит удвоение хромосом, причем обе копии остаются тесно связанными друг с другом. В профазе I происходит тесное смыкание (конъюгация) гомологичных хромосом; при этом возможен перекрест хромосом (кроссинговер), когда гомологичные хромосомы обмениваются участками. В метафале I происходит образование метафазной пластинки. В анафазе I каждая пара гомологичных хромосом перемещается к разным полюсам клетки, вслед за чем в телофазе I образуется ядерная оболочка и делится цитоплазма. Затем следует непродолжительная интерфаза II, во время которой хромосомы уже не удваиваются. Второе мейотическое деление принципиально не отличается от митоза. Удвоенные еще в первой интерфазе хромосомы выстраиваются в метафазную пластинку, и хромосомы каждой пары расходятся в анафазе II к разным полюсам. В результате разделения цитоплазмы в тело фазе II образуются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Общий итог двух делений мейоза — четыре гаплоидные клетки. Заметим, что мейоз (так же как и митоз) может проходить и без деления цитоплазмы клетки.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ. Бесполое размножение характерно для всех микроорганизмов. У одноклеточных эукариот оно осуществляется несколькими способами, чаще всего благодаря делению клеток надвое (рис. 87).

Рис. 87. Бесполое размножение инфузории-туфельки

У многоклеточных организмов бесполое размножение чаще всего встречается в форме вегетативного размножения и спорообразования. При вегетативном размножении новая особь образуется из части (группы клеток) материнского организма. У водорослей, грибов и беспозвоночных часто встречается почкование, при котором новая особь появляется на теле материнской в результате интенсивного размножения ее соматических клеток на определенном участке тела — зоне почкования (рис. 88). Разнообразные формы вегетативного размножения характерны и для высших растений: при помощи клубней, ползучих побегов, корневищ, луковиц и т. п.

Рис. 88. Почкующаяся гидра

Всем видам растительных организмов, грибам и многим простейшим присуще также и спорообразование. При этом образуются одноклеточные особи (споры), которые покидают материнский организм, рассеиваются в пространстве и дают затем начало новому организму.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ. Начальный этап формирования полового процесса (т. е. обмена генетической информацией) в ходе эволюции — это конъюгация бактерий. Две бактерии частично обмениваются генетическим материалом. Аналогичный процесс (обмен гаплоидными ядрами) наблюдают у инфузорий. Число особей в результате такого полового процесса не изменяется.

Позднее у живых организмов появились специальные половые клетки (гаметы), между которыми и стал осуществляться процесс полного слияния. В процессе эволюции полового размножения возникло разделение на мужские и женские особи, что выразилось в строении гамет: женские гаметы стали крупными и неподвижными (яйца или яйцеклетки), а мужские — мелкими, снабженными жгутиками и подвижными (сперматозоиды).

Процесс оплодотворения заключается в слиянии мужских и женских гамет с образованием зиготы. Различают наружное и внутреннее оплодотворение. Первое характерно для многих водных организмов (например, моллюски, рыбы, водоросли и др.), которые выметывают половые продукты наружу. и слияние мужских и женских гамет происходит в водной среде. При внутреннем оплодотворении слияние гамет происходит внутри женского организма. Оно характерно для обитателей суши (высшие растения, насекомые, позвоночные животные).

ЧЕРЕДОВАНИЕ ПОКОЛЕНИЙ. Для многих организмов характерно сочетание разных способов размножения в течение их жизни — полового и одного или нескольких вариантов бесполого. Многие простейшие при благоприятных условиях интенсивно размножаются бесполым путем (делением), затем у них проходит половой процесс (например, конъюгация у инфузорий), вслед за этим возобновляется бесполое размножение. Сходную картину наблюдают и у некоторых многоклеточных животных. Например, гидра летом размножается почкованием, а с наступлением холодов у нее формируются половые клетки, и происходит оплодотворение (рис. 89, а, б). Из оплодотворенных яиц на следующий год развиваются новые особи.

Рис. 89. Половозрелая гидра: с семенниками (а) с яйцами (б)

Существуют многие виды, у которых чередование полового и бесполого размножения, а соответственно полового и бесполого поколений носит правильный, циклический характер. Жизненный цикл таких видов, начавшись с определенной стадии, проходит через несколько поколений и вновь возвращается к исходной стадии. Например, в жизненном цикле многих кишечнополостных имеет место регулярное чередование полипов и медуз (рис. 90).

Рис. 90. Жизненный цикл сцифомедуз

Для многих водорослей и всех высших растений характерно чередование поколений, при котором половое поколение (гаметофит) гаплоидно, а бесполое (спорофит) диплоидно. Из споры вырастает гаплоидный гаметофит, который продуцирует гаметы. Оплодотворенная яйцеклетка дает начало диплоидному спорофиту, при образовании которым спор происходит мейоз, и споры, таким образом, оказываются гаплоидными. Цикл замыкается.

У семенных растений гаметофит крайне редуцирован. У цветковых мужской гаметофит представлен пыльцевым зерном, а женский сведен к зародышевому мешку, который находится внутри семяпочки, т. е. окружен со всех сторон тканью спорофита.

Основными способами самовоспроизведения живых существ является бесполое и половое размножение. При половом размножении формируются гаплоидные клетки (гаметы). Мужские особи производят сперматозоиды, женские — яйца, или яйцеклетки. В процессе оплодотворения образуется диплоидная зигота, в которой половина хромосом происходит от одного родительского организма, а половина — от другого. В жизненных циклах многих живых существ наблюдают чередование полового и бесполого размножения. Существование разных способов размножения направлено на сохранение биоразнообразия в экосистемах, т. е. биосферы в целом.

• В чем заключается смысл полового размножения? Почему в процессе эволюции он оказался доминирующим?
• Приведите примеры бесполого размножения у организмов разных систематических групп.
• Какое значение в жизни вида имеет чередование поколений в жизненном цикле?