Размножение и развитие организмов

Особенности размножения и развития организмов

Важным свойством живых организмов, включая беспозвоночных, насекомых, рептилий и других, является дискретность, то есть на разных уровнях организации живая материя состоит из структурных единиц. Каждая из особей данного вида смертна. Вид существует, благодаря размножению организмов. Исходя из этой особенности, можно сказать, что дискретность жизни подразумевает ее воспроизводство, то есть процесс размножения.

Благодаря возможности размножаться, жизнь становится непрерывной, сохраняя преемственность. Это свойство реализовано, как передача генетического материала от родителей потомкам, в результате чего родительские признаки в какой-то степени проявляются у воспроизведенных организмов.

Значение размножения:

1. Численность вида увеличивается и поддерживается. Для размножения характерна репродукция, то есть воспроизведение себе подобных, а также повышение численности живых организмов.
2. Непрерывность жизни. Благодаря наличию способности размножаться определенные достаточно крупные группы особей, включая популяции и виды, существуют долгое время. На непрерывность жизни также влияет постоянное воспроизведение особей, что позволяет компенсировать потери численности в результате естественной гибели организмов и замещения умерших вновь родившимися.
3. Преемственность поколений. При размножении происходит передача генов от родителей к потомкам, за счет чего сохраняется их принадлежность к конкретному виду. В процессе происходит реализация свойств наследственности и изменчивости.

Формы размножения, чем отличается половое от бесполого

Размножение является неотъемлемым свойством всех живых организмов. Известно две формы этого процесса:

• половое;
• бесполое.

В бесполом размножении принимает участие только одна особь. Виды, которые обитают в стабильных средах, размножаются таким способом, что позволяет гарантировать воспроизведение большого количества идентичных особей. Высокая скорость и многочисленность воспроизведения потомства, аналогичного родительским особям, являются с точки зрения биологии смыслом бесполого размножения.

В природе можно наблюдать несколько способов бесполого размножения:

• деление;
• споруляция;
• фрагментация;
• почкование;
• вегетативное размножение;
• клонирование.

Данные формы классифицируют, исходя из количества клеток, которые участвуют в воспроизведении. Если новые организмы образуются с помощью одной клетки, то бесполое размножение может протекать в виде:

• деления клетки;
• множественного деление клетки в форме шизогонии;
• спорообразования или споруляции;
• почкования у одноклеточных (дрожжи).

В том случае, когда основу бесполого размножения составляет групповое деление клеток, данный процесс может быть:

• вегетативным;
• фрагментацией;
• почкованием у многоклеточных, включая гидру.

Процесс реализован двумя способами:

• простая перетяжка сопровождается формированием двух дочерних организмов из одного родительского (бактерии, цианобактери);
• митотическое деление ядра и последующее разделение цитоплазмы (амеба, эвглена зеленая, хламидомонада).

В этих случаях протекает процесс бинарного деления, то есть с образованием двух новых клеток.

Возможен и другой способ деления. Множественное деление или шизогония заключается в том, что в первую очередь деление происходит в ядре, а затем — в цитоплазме. К примеру, таким образом размножаются малярийные плазмодии в крови человека. Из одного плазмодия в итоге образуются от 12 до 24 новых особей.

Таким способом воспроизводятся практически все растения, грибы и некоторые виды простейших организмов таких, как споровики, а также прокариотические организмы в виде бактерий и сине-зеленых водорослей.

Так как габариты споры небольшие, в ней содержится минимальный запас питательных веществ. Многие организмы с помощью спор расселяются по территориям обитания. Некоторые формы организмов такие, как грибы, благодаря споруляции, переживают особую стадию жизненного цикла при наступлении неблагоприятных условий окружающей среды. Споры бактерий необходимы организмам для выживания и отличаются повышенной устойчивостью к негативному воздействию. Споры растений, как правило, образуются в спорангиях. Они могут быть:

• подвижными за счет наличия жгутиков;
• неподвижными.

Почкование характерно не только для одноклеточных, в том числе дрожжей и некоторых видов инфузорий, но и для многоклеточных организмов, включая представителей кишечнополостных таких, как гидра, а также для оболочников из класса асцидии. На теле многоклеточной особи формируется бугорок. По мере увеличения его размеров отросток приобретает зачатки всех структур и органов таких же, как у материнского организма. Далее дочерняя особь отпочковывается.

Фрагментация характерна для нитчатых водорослей, в том числе спирогиры. Нить спирогиры разрывается пополам на любом участке. Фрагментация присуща и некоторым низшим животным, которые обладают свойством регенерации из относительно слабо дифференцированных клеток. К примеру, немертины, то есть группа примитивных червей, по большей части, морских, достаточно просто делятся на много частей. Каждая из них путем регенерации преобразуется в новый организм. Фрагментацией могут размножаться губки, кишечнополостные гидры, медузы, иглокожие, кольчатые и плоские черви. Последовательный процесс регенерации морской звезды представлен на изображении.

В процессе вегетативного размножения часть, которая отделилась от родительского организма, хорошо дифференцирована и может развиваться в самостоятельное растение. В другом случае растительный организм формирует специальные структуры, специально предназначенные для вегетативного размножения. Примерами такого способа воспроизведения являются луковицы, клубни, клубнелуковицы, корневища, усы, почки. Некоторые из рассматриваемых образований необходимы для накопления питательных веществ, с помощью которых растение сохраняет жизнь в неблагоприятных условиях, включая холод или засуху. Вегетативное размножение присуще многим группам растений — от водорослей до цветковых.

Клонирование получило распространение лишь в последние несколько десятилетий. Данный способ воспроизведения чаще всего применяют в хозяйственных целях.

Широкое применение клонирование нашло в экспериментах над растениями из-за их свойств к регенерации. С помощью клонирования ученым удалось научиться получать разные гибридные формы. В случае экспериментов с животными организмами ядро яйцеклетки удаляют или разрушают, а на его место устанавливают ядро некоторой соматической клетки, к примеру, клетки эпителия. Далее из полученной яйцеклетки может быть образован организм, аналогичный по признакам животному, которое являлось донором ядра. С помощью клонирования можно выращивать клоны шпорцевых лягушек и тритонов.

Гаметы, женские и мужские, яйцеклетки и сперматозоиды, образуются в половых железах. Половой способ размножения присущ подавляющему большинству живых существ. Данный метод воспроизведения более прогрессивный в сравнении с бесполым. Половое размножение обладает колоссальными генетическими преимуществами. Такой способ обеспечивает генетическое разнообразие потомства, благодаря комбинации генов, которые до этого принадлежали обоим родителям. За счет разнообразия генотипов особей, которые входят в состав вида, он быстрее и успешнее приспосабливается к изменениям в окружающей среде.

В процессе оплодотворения гаметы соединяются, и образуется диплоидная зигота. Из нее в дальнейшем формируется зрелая особь. Гаметы гаплоидны, то есть включают один набор хромосом. Зигота — диплоидна, то есть содержит двойной набор хромосом. Таким образом, формируется первая клетка будущего организма. Существует два типа гамет:

• мужские;
• женские.

Гаметы образуются в мужских и женских родительских особях в том случае, когда речь идет о раздельнополом виде, включая некоторые цветковые растения, большую часть животных и человека. Гаметы могут быть произведены только одной особью. Данный процесс называют гармафродитизмом. Мужские и женские особи характеризуются половым диморфизмом:

• различия в половом строении;
• отличия по внешнему облику, включая размеры, окрас и другие свойства;
• неодинаковое поведение.

Диморфизм можно наблюдать на низших ступенях развития эволюции. К примеру, данный процесс характерен для круглых гельминтов, членистоногих, а также ярко выражен у позвоночных животных с явными отличиями мужских организмов от женских. Растения с мужскими и женскими особями также могут отличаться половым диморфизмом, который незначительно выражен.

Как происходит размножение

Деление клетки является основой размножения и индивидуального развития особей. Этот процесс важен для жизни всех организмов. Новые клетки заменяют старые, что позволяет поддерживать структуру и нормальное функционирование особей. Деление эукариотических клеток реализуется тремя способами:

• амитоз в виде прямого деления;
• митоз, как непрямое деление;
• мейоз в форме редукционного деления.

В процессе амитоза происходит деление интерфазного ядра путем перетяжки. При этом наследственный материал не распределяется равномерно. Обычно деление ядра осуществляется путем образования двухъядерных клеток. Последующее распределение цитоплазмы не предусмотрено. После амитоза клетка утрачивает способность к нормальному митотическому циклу. В связи с этим, амитоз характерен для клеток и тканей, которые обречены на гибель. К примеру, процесс можно наблюдать в клетках зародышевых оболочек млекопитающих и опухолей.

Митоз протекает в клетках в течение примерно одного часа. Процесс отличается непрерывностью. Фазы митоза:

• профаза;
• метафаза;
• анафаза;
• телофаза.

Клеточный цикл включает три основные стадии:

• интерфаза, в виде интенсивного синтеза и роста, сопровождается репликацией ДНК;
• митоз, в процессе которого делится ядро (кариокинез) при отделении хроматид друг о друга и их перераспределении в форме хромосом между дочерними клетками;
• цитокинез, при котором цитоплазма делится между двумя дочерними клетками.

Клеточный цикл отличается по продолжительности, на что влияет тип клетки и внешние факторы, включая температуру, питательные вещества и кислород. Деление бактериальных клеток протекает каждые 20 минут, клеток кишечного эпителия — каждые 8-10 минут.

Митоз обладает определенным биологическим значением. Результатом процесса является образование клеток, имеющих наследственную информацию, которая по качественным и количественным характеристикам аналогична информации материнской клетки. Равномерность распределения наследственного материала достигается, благодаря следующим процессам:

• репликация ДНК;
• удвоение хромосом в процессе интерфазы митотического цикла;
• спирализация и равномерное распределение хроматид между новыми клетками.

С помощью митоза обеспечивается стабильность кариотипа, характерная для ряда поколений клеток. Митоз представляет собой специальный клеточный механизм, который составляет процессы роста и развития особи, необходим для регенерации и бесполого размножения. Схематично митоз представлен на рисунке.

Мейоз представляет собой центральное звено гаметогенеза у животных организмов и спорогенеза — у растительных организмов. Мейоз включает два последовательных процесса деления, протекающих после однократной редупликации ДНК. Деление реализуется за счет накопленных на этапе интерфазы I веществ и энергии. В процессе практически не наблюдается интерфаза II. Клетки делятся достаточно быстро. Деления мейоза состоят из четырех стадий:

• профаза;
• метафаза;
• анафаза;
• телофаза.

Благодаря мейозу, с точки зрения биологии, образуются клетки, для которых характерен редуцированный набор хромосом, стабилизируется кариотип для нескольких поколений особей, размножение которых происходит половым способом. Мейоз представляет собой основу комбинативной изменчивости. Таким образом, обеспечивается генетическое разнообразие гамет за счет кроссинговера, расхождений и комбинаторики родительских хромосом. Они могут менять структуру из-за неравного кроссинговера, сбоев в расхождении всех или конкретных хромосом на этапе анафазы I и II мейотических делений. В результате образуются аномальные гаметы. Процесс может стать причиной гибели организма или развития у потомства определенных хромосомных синдромов. Стадии мейоза представлены на схеме.

Оплодотворение и развитие зародыша у животных

Размножение половым путем обеспечивается, благодаря наличию особых половых клеток, называемых гаметами. Гаметы женского организма являются яйцеклетками, а мужского — сперматозоидами. Отличия гамет от соматических клеток заключаются в вдвое меньшем числе хромосом и низком уровне процессов обмена.

Ядра яйцеклеток насыщены копиями рибосомальных генов и мРНК. За счет этого синтезируются важные белки будущего зародыша. Яйцеклетки неодинаковы по количеству и характеру распределения желтка.

Типы яйцеклеток:

• изолецитальные, характерны для червей, двустворчатых и брюхоногих моллюсков, иглокожих, ланцетника;
• умеренно телолецитальные, у осетровых рыб, земноводных;
• резко телолецитальные, такими яйцеклетками обладают некоторые рыбы, пресмыкающиеся, птицы, яйцекладущие млекопитающие;
• алецитальные, характерны для плацентарных млекопитающих, включая человека.

Спермии в зависимости от вида животных отличаются формой и размерами, но имеют однотипное строение. Большинство спермий состоят из головки и шейки. Головка сперматозоида включает ядро с определенным содержанием гаплоидного числа хромосом, которое прикрывает акросома.

Акросома представляет собой особую структуру и является видоизмененным комплексом Гольджи, содержащим ферменты. За счет них растворяется оболочка яйцеклетки в процессе оплодотворения. Шейка спермий содержит большую концентрацию митохондрий и пару центриоль. От шейки выходит хвост в виде специального отростка. Он образован с помощью микротрубочек и обеспечивает подвижность сперматозоидов.

Посередине мужские гаметы обладают расширением, в котором сконцентрированы митохондрии, объединенные в спираль около жгутика. За счет этих митохондрий происходит транспортировка энергии в сократительные механизмы, благодаря чему жгутик может двигаться. Строение главной и хвостовой частей спермия аналогично составу жгутика. Локомоторной задачей сперматозоидов является скопление вокруг ооцита и ориентация на проникновение через мембрану ооцита.

Мужские и женские половые железы в виде гонад содержат клетки зачаткового эпителия, которые последовательно изменяются. В процессе происходят митотические и мейотические деления, в комплексе называемые гаметогенез. В результате происходит образование зрелых мужских гамет (сперматогенез) и женских гамет (оогенез).

Процесс включает несколько фаз:

• фаза размножения, путем многократных митотических делений для образования множества сперматогоний или оогоний;
• фаза роста, как подготовительный этап к начальному делению мейоза и последующему цитокинезу;
• фаза созревания, включает первое и второе деления мейоза, завершается дифференцировкой гаплоидных клеток и образованием зрелых гамет.

Сперматозоиды формируются по итогам нескольких последовательных делений клеток, что в комплексе носит название сперматогенез. Данный процесс сменяется сложной дифференцировкой в форме спермиогенеза. Весь процесс длится около 70 дней. На 1 грамм массы яичка формируется 107 спермиев в течение 24 часов.

Женский организм формирует яйцеклетки еще до момента рождения. Процесс заканчивается для каждой определенной яйцеклетки после ее оплодотворения. Схематично оогенез представлен на рисунке.

Когда плод развивается, происходит многократное деление половых клеток с помощью митоза. В результате формируется множество крупных клеток в виде оогоний. Затем они вновь подвергаются митозу и формируют ооцигы первого порядка, сохраняющие стадию профазы практически до начала овуляции.

Ооциты первого порядка окружены одним слоем клеток-гранулезной оболочкой. Из них образуются примордиальные фолликулы. Перед началом овуляции ооцит первого порядка проходит через процесс первого деления мейоза, формируя гаплоидный ооцит второго порядка и первое полярное тельце.

Второе деление мейоза длится до метафазы и прекращается с началом слияния ооцита со сперматозоидом. При оплодотворении ооцит второго порядка проходит через второе деление мейоза. В результате формируется крупная клетка в виде яйца, а также второе полярное тельце. Все полярные тельца являются мелкими клетками, не играющими роль в оогенезе, поэтому в конце разрушаются.

В течение эмбрионального этапа зигота преобразуется, в результате чего формируется многоклеточный организм. Выделяют несколько стадий эмбриогенеза у животных:

• дробление;
• гаструляция;
• гисто- и органогенез.

При дроблении зигота делиться многократно и последовательно. При этом образуются бластомеры. Новое поколение характеризуется более мелкими клетками. При высокой концентрации бластомеров происходит их смещение к периферии, формируется однослойная стенка или бластодерма. Внутренняя полость зародыша заполняется жидкостью и преобразуется в бластоцель. Когда многоклеточный однослойный зародыш сформирован, дробление завершается.

Во время гаструляции эмбриональный материал перемещается. В результате формируются два или три зародышевых листка. Данный процесс может быть завершен на стадии двухслойного или трехслойного зародыша. Способы гаструляции:

• впячивание (инвагинация);
• обрастание (эпиболия);
• проникновение клеток внутрь (иммиграция);
• расслоение (деламинация).

На стадии гисто- и органогенеза формируются морфологические и биохимические отличия между клетками. Данный процесс определяет образование тканей и органов. В начале происходит нейруляция, то есть образуется нейрула. Эта стадия характеризуется зародышем с совокупностью осевых органов, включая нервную трубку, хорду, пищеварительную трубку. Далее активно формируются все остальные ткани и органы из зародышевых листков.

На каждый зародышевый листок оказывают влияние другие листки, что приводит к развитию определенного комплекса тканей и органов. Развитие зародыша представляет собой целостную систему. Благодаря клеточному взаимодействию, формируются конкретные части тела. Однако на процессы гисто- и органогенеза зародыша могут оказывать существенное влияние факторы внешней среды, включая пестициды, радиоактивность, ультрафиолет.