SPOLNA REPRODUKCIJA: ZNAČILNOSTI, VRSTE, RASTLINE, ŽIVALI - BIOLOGIJA - 2025

Spolno razmnoževanje je množenje posameznikov iz dveh staršev različnega spola: moški in ženske - razen če se nanašajo na spolno razmnoževanje bakterij ali enoceliĖarje, kjer se ni razlikoval glede na spol. To je široko razširjen postopek pri evkariontskih organizmih.

Vsak posameznik, ki sodeluje pri spolnem razmnoževanju, proizvede vrsto specializiranih celic zarodnih linij: sperme in jajčeca. Te povzroči vrsta specializirane celične delitve, imenovane mejoza. Ta dogodek je ključna razlika med aseksualno in spolno reprodukcijo.

Vir: avtor Manojiritty, iz Wikimedia Commons

Postopek se začne z združitvijo dveh gameta, ki povzročata zigoto. Kasneje zigota rodi novega posameznika z lastnostmi obeh staršev in z nekaterimi edinstvenimi lastnostmi.

Zaradi vseprisotnosti postopka sklepamo, da spolno razmnoževanje vključuje vrsto prednosti pred aseksualno reprodukcijo. Vendar pa so možne pomanjkljivosti spolne reprodukcije bolj opazne: čas in energija, vložena v iskanje parčkov, tekmovanje za samice, stroški za proizvodnjo gameta, ki med drugim niso oplojene.

Zdi se, da so stroški zelo visoki, zato morajo imeti znatne prednosti, ki jih lahko poravnajo. Prednosti spolne reprodukcije so bile predmet polemik in razprav med evolucijskimi biologi.

Ena hipoteza kaže, da je spolno razmnoževanje koristno, saj daje sorte, ki bi v času okoljskih sprememb lahko bile koristne za vrsto. Pravzaprav je proizvodnja genetske spremenljivosti ena od prednosti, ki se pripisuje seksu.

Po drugi strani nekateri raziskovalci predlagajo, da je bila spolna reprodukcija, natančneje rekombinacija, izbrana kot mehanizem popravljanja DNK. Vendar razširjenost seksa kljub njegovim stroškom še vedno ni znana.

Splošne značilnosti

Seks je kompleksen pojav, ki se med evkariontskimi taksoni zelo razlikuje. Na splošno ga lahko razumemo kot postopek, ki vključuje tri korake: zlitje dveh haploidnih jeder, pojav rekombinacije, ki ustvarja nove genotipe, in delitev diploidnih celic, da nastanejo haploidna jedra.

S tega vidika je seks pri evkariotih odvisen od življenjskega cikla, v katerem se morajo diploidne celice deliti z mejozo. Ta postopek mejotske delitve je odgovoren za distribucijo genetskega materiala bodočih gameta.

Cilj mejoze je ločiti homologne kromosome tako, da ima vsaka gameta polovico somatskih kromosomov. Poleg zmanjšanja genske obremenitve pri mejozi pride tudi do izmenjave materiala med nesestrskimi kromatidami, kar povzroči popolnoma nove kombinacije.

Gamete

Gamete so spolne celice organizmov, ki nastanejo z mejozo in vsebujejo polovico genske obremenitve, torej so haploidne.

Gamete se razlikujejo tako pri rastlinah kot pri živalih in so razvrščene v tri temeljne kategorije, odvisno od njihove velikosti in relativne gibljivosti: izogamija, anigamija in oogamija.

Izogamija je oblika spolne reprodukcije, pri kateri so gamete, ki se zlijejo, da bi rodile novega posameznika, po velikosti, gibljivosti in zgradbi enake. Izogamija je zastopana predvsem v rastlinah.

Nasprotno je anisogamija sestavljena iz združitve dveh gameta, ki se razlikujeta po velikosti in strukturi. Ena posebna vrsta anisogamije je oogamija, kjer so moške gamete sorazmerno majhne in številčne. Ženske so veliko bolj opazne in nastajajo v manjši številki.

Spolna reprodukcija pri živalih

V živalskem kraljestvu je spolno razmnoževanje zelo razširjen pojav med člani skupine.

Skoraj vsi nevretenčarji in vretenčarji imajo polove v ločenih organizmih - torej lahko v vrsti ločimo moškega in žensko. Ta pogoj se imenuje dioecious, izraz, ki izhaja iz grških korenin "dve hiši"

Nasprotno pa obstajajo nekatere manj številčne vrste, katerih spoli so prisotni v isti osebi, imenovani monoecious: "hiša". Te živali so znane tudi kot hermafroditi.

Razlika med spoloma ni dana po morfoloških značilnostih velikosti ali obarvanosti, temveč po vrsti gameta, ki jih proizvaja vsak spol.

Samice proizvajajo ovule, za katere je značilna velika velikost in nepremičnost. Sperme na drugi strani proizvajajo samci v večji količini, so veliko manjši in imajo posebne strukture za premikanje in oploditev jajčne celice.

Nato bomo opisali značilne spolne organe živali in nato podrobno opisali postopek razmnoževanja v vsaki skupini živali.

Strukture, povezane z razmnoževanjem

Specializirane celice za spolno razmnoževanje - jajčeca in semenčice - se proizvajajo v specifičnih tkivih, imenovanih žleze.

Pri samcih so testisi odgovorni za proizvodnjo semenčic, ženske jajčece pa se tvorijo v jajčnikih.

Gonade se štejejo za primarne spolne organe. Dopolnilni spolni organi so prisotni v pomembni skupini metazoanov, ki so odgovorni za sprejem in prenos jajčec in semenčic. Pri samicah najdemo nožnico, maternične cevi ali jajcevod in maternico, pri samcih pa penis.

Poriferous

Poriferji so splošno znani kot gobice in se lahko razmnožujejo tako spolno kot tudi aseksualno. Pri večini vrst se proizvodnja moških in ženskih gameta pojavlja v enem posamezniku.

Hoanociti so posebna vrsta celic te rodu, ki se lahko spremenijo v spermo. V drugih skupinah lahko gamete izhajajo iz arheocitov.

Mnoge vrste so živahne, kar kaže na to, da po pojavu oploditve zigoto starševski organizem zadrži, dokler ne pride do izločanja ličinke. Pri teh vrstah se sperma sprosti v vodo in jo prevzame druga goba.

Cnidarijci

Cnidarijci so morski organizmi, ki vključujejo meduze in podobno. Te živali imajo dve morfologiji: prva je polip in je značilen za sedeč življenjski slog, za drugo pa so meduze, ki se lahko premikajo in plavajo.

Polipi se na splošno razmnožujejo aseksualno s postopki brstenja ali cepitve. Meduze so dvolične in se razmnožujejo spolno. Življenjski cikel v tej skupini je zelo spremenljiv.

Acelomorfi in ploskev

Pločevinji, kot so plavarji, so znani predvsem po svoji sposobnosti regeneracije in tvorjenja več klonov aseksualno od enega samega posameznika.

Večina teh vermiformnih živali je samostojnih. Vendar pa iščejo partnerja, ki bi opravil navzkrižno oploditev.

Moški reproduktivni sistem vključuje več testisov in strukturo v obliki papile, podobne penisom zapletenih vretenčarjev.

Mehkužci in koprive

Večina mehkužcev je dvorodnih, njihovo razmnoževanje pa povzroča prosto plavajočo ličinko, imenovano trocófera (zelo podobna ličinkam v kokoši) in se razlikuje glede na vrsto mehkužcev.

Podobno imajo koprive ločen spol, v nekaterih pa imajo spolne žleze, ki se pojavijo začasno.

Členonožci

Členonožci so izjemno raznolika skupina živali, za katero je značilen eksoskelet, sestavljen iz hitina in spojenih prilog. V to vrsto spadajo myriapods, kelicerati, raki in hexapods.

Spol je na splošno ločen, organi, specializirani za razmnoževanje, se pojavljajo v parih. Večina vrst ima notranje oploditev. Lahko so oviparous, ovoviviparous ali viviparous.

Ehinoderme

Ehinoderme vključujejo morske zvezde, morske kumare, morske ježke in podobno. Čeprav obstaja nekaj hermafroditnih vrst, je za večino značilnih ločen spol. Gonade so velike strukture, kanali so preprosti in ni natančno kopulacijskih organov.

Gnojenje se pojavi zunaj in razvije se dvostranska ličinka, ki se lahko prosto giblje po vodnem telesu. Nekatere vrste imajo neposreden razvoj.

Hordati

Večina spolov je ločenih. V tej skupini najdemo bolj zapletene organe za razmnoževanje. Vsak spol ima spolne žleze s kanali, ki svoje izdelke usmerjajo v kloako ali v kakšno posebno odprtino, ki se nahaja blizu anusa. Gnojenje je lahko zunanje ali notranje, odvisno od skupine.

Partenogeneza pri živalih

Partenogeneza je pojav, ki je široko zastopan v živalskem kraljestvu, predvsem pri nevretenčarjih in nekaterih vretenčarjih, kar omogoča rojstvo novega posameznika, ki ima samo enega starša. Čeprav gre za obliko aseksualne reprodukcije, nekatere vrste partenogeneze veljajo za vrste spolne reprodukcije.

V mejotični partenogenezi se jajčece oblikuje z mejozo in ga moški ne sme oploditi s semenčicami.

V nekaterih primerih mora jajčeca aktivirati moška spolna gameta. V tem primeru ne pride do zlitja obeh jeder, saj se genetski material iz sperme zavrže.

Vendar se pri nekaterih vrstah jajčne celice lahko razvijejo spontano, brez potrebe po aktivaciji.

Spolno razmnoževanje v rastlinah

Po analogiji z živalmi lahko rastline doživljajo spolno razmnoževanje. Sestavljen je iz združitve dveh haploidnih gameta, ki bosta rodila novega posameznika z edinstvenimi genetskimi lastnostmi.

Rastlina ima lahko moške in ženske organe v enem posamezniku ali pa jih lahko ločimo. Pri kumarah in mleku sta spola ločena, pri vrtnicah in petunijah pa sta spola skupaj.

Roža

Organ, ki je odgovoren za procese spolne reprodukcije, so cvetovi. Te specializirane strukture imajo regije, ki ne sodelujejo neposredno pri razmnoževanju: kaliks in venček ter spolno aktivne strukture: androecijev in ginekecij.

Androecij je moški reproduktivni organ, sestavljen iz prašnikov, ki pa je razdeljen na nitko in pentljo. Ta zadnja regija je odgovorna za proizvodnjo cvetnega prahu.

Gynoecium je ženski cvetni organ in ga sestavljajo enote, imenovane carpels. Struktura je podobna podolgovati "kapljici" in je razdeljena na stigmo, slog in na koncu jajčnik.

Opraševanje

Proces spolnega razmnoževanja pri rastlinah se dogaja predvsem s opraševanjem, ki je sestavljeno iz prevoza cvetnega prahu iz prašnika do stigme.

Opraševanje se lahko pojavi v isti roži (cvetni prah gredo v ženski organ iste rastline) ali je lahko križno, kjer cvetni prah gnojijo drugačnega posameznika.

V večini rastlin je poseg živali potreben za opraševanje. To so lahko nevretenčarji, kot so čebele ali druge žuželke ali vretenčarji, kot so ptice in netopirji. Rastlina nudi opraševalcu nektar kot nagrado in zadolžena je za razprševanje cvetnega prahu.

Cvetne strukture, ki pri razmnoževanju ne sodelujejo neposredno, sta venček in petelin. To so spremenjeni listi, v mnogih primerih s svetlimi in živimi barvami, ki so odgovorni za vizualno ali kemično privabljanje potencialnega opraševalca.

Podobno nekatere rastline ne potrebujejo opraševalcev živali in uporabljajo veter ali vodo za razprševanje cvetnega prahu.

Gnojenje, semena in plodovi

Postopek se začne s prihodom cvetnega prahu v stigmo rože. Te potujejo po slogu, dokler ne najdejo jajčnika.

Dvojno gnojenje je značilno za cvetoče rastline in edinstveno med vsemi organizmi. Pojav se pojavlja na naslednji način: jedro sperme se združi z jajčno celico, drugo jedro sperme pa se zlije z diploidnim zarodkom sporofita.

Rezultat tega nenavadnega gnojilnega dogodka je trioploidni endosperm, ki bo deloval kot hranilno tkivo za razvoj organizma. Ko pride do uspešnega zorenja ovulov, se spremenijo v seme. Plod po drugi strani tvorijo zreli jajčniki.

Plod lahko označimo kot preprost, če izhaja iz zrelega jajčnika in ga lahko dodamo, če se razvije iz več jajčnikov, kot je na primer jagoda.

Spolno razmnoževanje v bakterijah

Bakterije so znane predvsem po sposobnosti, da se razmnožujejo aseksualno.

V tej prokariotski rodu se posameznik lahko razdeli na dva dela s postopkom, imenovanim binarna cepitev. Vendar obstaja vrsta mehanizmov v bakterijah, ki spominjajo na spolno razmnoževanje, saj obstaja izmenjava genskega materiala.

Do sredine 40. let prejšnjega stoletja je veljalo, da se bakterije razmnožujejo izključno aseksualno. Vendar sta raziskovalca Joshua Lederberg in Edward Tatum to prepričanje ovrgla z iznajdljivim eksperimentom, ki je za vzor uporabljal bakterije E. coli z različnimi prehranskimi potrebami.

Poskus je bil sestavljen iz seva A, ki se je v minimalnem gojišču zmešal z metioninom in biotinom, in seva B, ki je rastel le v okolju s treoninom, levcinom in tiaminom. Z drugimi besedami, vsak sev je nosil mutacijo, ki mu ni mogla sintetizirati teh spojin, zato jih je bilo treba sintetizirati v gojišču.

Ko so bile kolonije nekaj ur v stiku, so posamezniki pridobili sposobnost sinteze hranil, ki jih prej niso mogli. Tako sta Lederberg in Tatum dokazala, da obstaja postopek izmenjave DNK, podobna spolni reprodukciji, in to poimenovala konjugacija.

Konjugacija

Postopek konjugacije poteka skozi mostu podobno strukturo, imenovano spolni pili, ki fizično veže dve bakteriji skupaj in jim omogoča izmenjavo DNK.

Ker bakterije nimajo spolnega dimorfizma, ne moremo govoriti o samcih in samicah. Vendar lahko samo ena vrsta ustvari pili in imajo posebne fragmente DNK, imenovane faktor F, za "plodnost". Faktor F ima gene za nastanek pilijev.

DNK, ki sodeluje pri izmenjavi, ni del enega samega bakterijskega kromosoma. Namesto tega gre za izoliran krožni del, imenovan plazmid, ki ima svoj replikacijski sistem.

Transformacija

Poleg konjugacije obstajajo še drugi procesi, pri katerih bakterije lahko pridobijo dodatno DNK in za katere je značilno, da so preprostejše od konjugacije. Ena izmed njih je transformacija, ki je sestavljena iz odvzema gole DNK iz zunanjega okolja. Ta eksogeni fragment DNA se lahko vključi v bakterijski kromosom.

Mehanizem transformacije vstopa v koncept spolne reprodukcije. Čeprav so bakterije odvzele brezplačno DNK, je ta genetski material moral izvirati iz drugega organizma - na primer bakterije, ki je umrla in svojo DNK spustila v okolje.

Transdukcija

Tretji in zadnji znani mehanizem bakterij za pridobivanje tuje DNK je transdukcija. To pomeni sodelovanje virusa, ki okuži bakterije: bakteriofage.

Pri transdukciji virus odvzame del bakterijske DNK in ko okuži bakterijo, lahko razlika prenese ta fragment vanj. Nekateri avtorji uporabljajo izraz "paraseksualni dogodki" za sklicevanje na te tri mehanizme.

Evolucijska perspektiva

Vseprisotnost spolne reprodukcije v organizmih je izjemno dejstvo. Tako je eno največjih vprašanj v evolucijski biologiji, zakaj je seks razširjen na toliko rodov, če gre za energetsko drago dejavnost - in v nekaterih primerih celo nevarno.

Domnevajo, da so selektivne sile, ki so pri evkariotih nastale pri spolni reprodukciji, iste, ki vzdržujejo paraseksualne procese, opisane za bakterije.

Stroški seksa

Glede na evolucijo se izraz "uspeh" nanaša na sposobnost posameznika, da svoje gene prenese na naslednjo generacijo. Paradoksalno je, da je seks proces, ki tej definiciji ne ustreza v celoti, saj ima niz stroškov, povezanih z razmnoževanjem.

Spolna reprodukcija vključuje iskanje partnerja in v večini primerov ta naloga ni nepomembna. V to prizadevanje je treba vložiti ogromno časa in energije, ki bo določila uspeh potomcev - v smislu iskanja "idealnega para".

Živali prikazujejo vrsto ritualov, s katerimi preganjajo svoje potencialne sorodnike, v nekaterih primerih pa se morajo boriti z izpostavljanjem svojega življenja, da bi dosegle kopulacijo.

Tudi na celični ravni je seks drag, saj delitev po mejozi traja veliko dlje kot mitoza. Zakaj se torej večina evkariontov razmnožuje spolno?

Obstajata dve temeljni teoriji. Ena je povezana s celično fuzijo kot mehanizmom za horizontalni prenos "sebičnega" genskega elementa, druga teorija pa predlaga rekombinacijo kot mehanizem popravljanja DNK. Spodaj bomo opisali prednosti in slabosti vsake teorije:

Prednosti za seks

Za odgovor na to vprašanje se moramo osredotočiti na možne koristi spolne reprodukcije pri prvih evkariotih.

Zlivanje gameta v tvorbo zigote vodi do kombinacije dveh različnih genomov, ki sta sposobna kompenzirati morebitne okvarjene gene v enem genomu z normalno kopijo drugega.

Na primer pri ljudeh podedujemo po en izvod od vsakega starša. Če od matere podedujemo pokvarjen gen, lahko običajni gen našega očeta to nadomesti (v takšnem primeru, da je patologija ali bolezen le homozigotična recesija).

Druga teorija - ne tako intuitivna kot prva - predlaga, da mejoza deluje kot mehanizem popravljanja v DNK. Poškodba genskega materiala je težava, s katero se morajo spoprijeti vsi organizmi. Vendar obstajajo organizmi, ki se razmnožujejo le aseksualno in njihova DNK ni posebej poškodovana.

Druga hipoteza pravi, da se je seks morda razvil kot parazitska prilagoditev med sebičnimi genetskimi elementi, da bi se razdelil na druge genetske rodove. Podoben mehanizem je bil dokazan pri E. coli.

Čeprav obstajajo možne razlage, je evolucijski biolog predmet razburjene razprave med evolucijskimi biologi.

Seksualna izbira

Seksualna selekcija je koncept, ki ga je predstavil Charles Darwin in je uporaben le za spolno reproduktivno populacijo. Uporablja se za razlago prisotnosti vedenj, struktur in drugih lastnosti, katerih obstoja ni mogoče zamisliti z naravno selekcijo.

Na primer, zelo barvita in nekoliko »pretirana« pavša pava posamezniku ne prinaša neposredne koristi, saj jo naredi bolj vidno za potencialne plenilce. Poleg tega je prisoten le pri samcih.

Reference

1. Colegrave, N. (2012). Evolucijski uspeh seksa: Serija Science & Society o seksu in znanosti. EMBO Poročila, 13 (9), 774–778.
2. Vrana, JF (1994). Prednosti spolne reprodukcije. Razvojna genetika, 15 (3), 205-213.
3. Freeman, S., & Herron, JC (2002). Evolucijska analiza Dvorana Prentice.
4. Goodenough, U., in Heitman, J. (2014). Izvori evkariontske spolne reprodukcije. Perspektive hladne pomladne luke v biologiji, 6 (3), a016154.
5. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Integrirana načela zoologije. New York: McGraw-Hill.
6. Leonard, J., in Córdoba-Aguilar, A. (ur.). (2010). Evolucija primarnih spolnih likov pri živalih. Oxford University Press.
7. Sawada, H., Inoue, N., & Iwano, M. (2014). Spolna reprodukcija pri živalih in rastlinah. Springer-Verlag GmbH.