Biologie voor Majors I
leerresultaten
- begrijpen hoe seksuele reproductie leidt tot verschillende seksuele levenscycli
seksuele reproductie was een vroege evolutionaire innovatie na het verschijnen van eukaryotische cellen. Het lijkt zeer succesvol te zijn geweest omdat de meeste eukaryoten in staat zijn om zich seksueel voort te planten, en bij veel dieren is het de enige manier van voortplanting. En toch erkennen wetenschappers een aantal echte nadelen aan seksuele voortplanting. Op het oppervlak lijkt het creëren van nakomelingen die genetische klonen van de ouder zijn een beter systeem. Als het ouderorganisme met succes een habitat bezet, zouden nakomelingen met dezelfde eigenschappen eveneens succesvol zijn. Er is ook het duidelijke voordeel voor een organisme dat nakomelingen kan produceren wanneer de omstandigheden gunstig zijn door aseksuele ontluiking, fragmentatie, of aseksuele eieren. Deze voortplantingsmethoden vereisen geen ander organisme van het andere geslacht. Inderdaad, sommige organismen die een solitaire levensstijl leiden hebben de mogelijkheid behouden om zich ongeslachtelijk voort te planten. Bovendien is in aseksuele populaties elk individu in staat tot voortplanting. In seksuele populaties produceren de mannetjes de nakomelingen niet zelf, dus in theorie kan een aseksuele populatie twee keer zo snel groeien.
echter, meercellige organismen die uitsluitend afhankelijk zijn van aseksuele voortplanting zijn uiterst zeldzaam. Waarom komt seksualiteit (en meiose) zo vaak voor? Dit is een van de belangrijke onbeantwoorde vragen in de biologie en is de focus geweest van veel onderzoek te beginnen in de tweede helft van de twintigste eeuw. Er zijn verschillende mogelijke verklaringen, waarvan er één is dat de variatie die seksuele voortplanting creëert bij nakomelingen zeer belangrijk is voor het overleven en de voortplanting van de populatie. Dus, gemiddeld, zal een seksueel reproducerende populatie meer afstammelingen achterlaten dan een anderszins vergelijkbare aseksueel reproducerende populatie. De enige bron van variatie in aseksuele organismen is mutatie. Dit is de ultieme bron van variatie in seksuele organismen, maar bovendien worden deze verschillende mutaties voortdurend van generatie op generatie herschikt wanneer verschillende ouders hun unieke genomen combineren en de genen in verschillende combinaties worden gemengd door crossovers tijdens profase I en willekeurig assortiment bij metafase I.
de Red Queen hypothese
Het staat niet ter discussie dat seksuele voortplanting evolutionaire voordelen biedt aan organismen die dit mechanisme gebruiken om nakomelingen te produceren. Maar waarom, zelfs in het licht van vrij stabiele omstandigheden, blijft seksuele voortplanting bestaan als het moeilijker en duurder is voor individuele organismen? Variatie is het resultaat van seksuele voortplanting, maar waarom zijn voortdurende variaties nodig? Voer de Red Queen hypothese in, voor het eerst voorgesteld door Leigh van Valen in 1973. Het concept is vernoemd naar de race van de Rode Koningin in Lewis Carroll ‘ s boek, Through the Looking-Glass.
alle soorten evolueren samen met andere organismen; bijvoorbeeld roofdieren evolueren met hun prooi, en parasieten evolueren met hun gastheer. Elk klein voordeel verkregen door gunstige variatie geeft een soort een voorsprong op naaste concurrenten, roofdieren, parasieten, of zelfs prooi. De enige methode die een mee evoluerende soort in staat zal stellen zijn eigen aandeel in de hulpbronnen te behouden, is ook zijn conditie voortdurend te verbeteren. Als een soort een voordeel verkrijgt, vergroot dit de selectie op de andere soorten; zij moeten ook een voordeel ontwikkelen of zij zullen worden overtroffen. Geen enkele soort gaat te ver vooruit omdat genetische variatie onder het nageslacht van seksuele voortplanting alle soorten voorziet van een mechanisme om snel te verbeteren. Soorten die niet bij kunnen blijven, worden uitgestorven. De slogan van de Rode Koningin was: “het kost al het rennen dat je kunt doen om op dezelfde plaats te blijven.”Dit is een passende beschrijving van co-evolutie tussen concurrerende soorten.
levenscycli van seksueel voortplantende organismen
bevruchting en meiose wisselen elkaar af in seksuele levenscycli. Wat er gebeurt tussen deze twee gebeurtenissen hangt af van het organisme. Het proces van meiosis vermindert het chromosoomaantal met de helft. Bevruchting, het samenvoegen van twee haploïde gameten, herstelt de diploïde conditie. Er zijn drie hoofdcategorieën van levenscycli in meercellige organismen: diploïd-dominant, waarin het meercellige diploïde stadium de meest voor de hand liggende levensfase is, zoals bij de meeste dieren, inclusief mensen; haploïd-dominant, waarin het meercellige haploïde stadium de meest voor de hand liggende levensfase is, zoals bij alle schimmels en sommige algen; en generatiewisseling, waarin de twee stadia in verschillende mate zichtbaar zijn, afhankelijk van de groep, zoals bij planten en sommige algen.
diploïd-dominante levenscyclus
bijna alle dieren maken gebruik van een diploïd-dominante levenscyclusstrategie waarbij de enige haploïde cellen die door het organisme worden geproduceerd, de gameten zijn. Vroeg in de ontwikkeling van het embryo, worden gespecialiseerde diploïde cellen, genoemd geslachtscellen, geproduceerd binnen de gonaden, zoals de testes en eierstokken. De kiemcellen kunnen mitose de cellijn en meiosis bestendigen om gameten te produceren. Zodra de haploïde gameten gevormd zijn, verliezen ze het vermogen om zich opnieuw te delen. Er is geen meercellige haploïde levensfase. Bevruchting vindt plaats met de fusie van twee gameten, meestal van verschillende individuen, het herstellen van de diploïde toestand (figuur 1).
figuur 1. Bij dieren vormen seksueel reproducerende volwassenen haploïde gameten uit diploïde kiemcellen. Fusie van de gameten geeft aanleiding tot een bevruchte eicel, of zygote. De zygote zal meerdere rondes van mitose ondergaan om een meercellige nakomelingen te produceren. De kiemcellen worden vroeg in de ontwikkeling van de zygote gegenereerd.
haploïd-dominante levenscyclus
De meeste schimmels en algen maken gebruik van een levenscyclustype waarin het “lichaam” van het organisme-het ecologisch belangrijke onderdeel van de levenscyclus—haploïd is. De haploïde cellen die omhoog de weefsels van het dominante meercellige Stadium maken worden gevormd door mitose. Tijdens de seksuele voortplanting voegen gespecialiseerde haploïde cellen van twee individuen, aangeduid als de (+) en (−) paringstypes, zich samen om een diploïde zygote te vormen. De zygote ondergaat onmiddellijk meiosis om vier haploïde cellen te vormen die sporen worden genoemd. Hoewel haploïde zoals de “ouders”, bevatten deze sporen een nieuwe genetische combinatie van twee ouders. De sporen kunnen verschillende perioden inactief blijven. Uiteindelijk, wanneer de omstandigheden gunstig zijn, vormen de sporen meercellige haploïde structuren door vele rondes van mitose (Voorbeeld 1).
oefenvraag
Figuur 2. Schimmels, zoals zwarte broodschimmel (Rhizopus nigricans), hebben haploïd-dominante levenscycli. Het haploïde meercellige Stadium produceert gespecialiseerde haploïde cellen door mitose die smelten om een diploïde zygote te vormen. De zygote ondergaat meiose om haploïde sporen te produceren. Elke spore geeft aanleiding tot een meercellig haploïde organisme door mitose. (credit “zygomycota” micrograph: modification of work by “Fanaberka”/Wikimedia Commons)
als er een mutatie optreedt zodat een schimmel niet langer in staat is om een min paartype te produceren, zal het dan nog in staat zijn om zich voort te planten?
afwisseling van generaties
het derde levenscyclustype, gebruikt door sommige algen en alle planten, is een mix van de haploïd-dominante en diploïd-dominante extremen. Soorten met afwisseling van generaties hebben zowel haploïde als diploïde meercellige organismen als onderdeel van hun levenscyclus. De haploïde meercellige planten worden gametofyten genoemd, omdat ze gameten produceren uit gespecialiseerde cellen. Meiosis is in dit geval niet direct betrokken bij de productie van gameten, omdat het organisme dat de gameten produceert al haploïde is. Bevruchting tussen de gameten vormt een diploïde zygote. De zygote zal vele rondes van mitose ondergaan en leiden tot een diploïde meercellige plant genaamd een sporofyt. Gespecialiseerde cellen van de sporofyt zullen meiosis ondergaan en haploïde sporen produceren. De sporen ontwikkelen zich vervolgens tot gametofyten (Figuur 3).
Figuur 3. Planten hebben een levenscyclus die afwisselt tussen een meercellig haploïd organisme en een meercellig diploïd organisme. In sommige planten, zoals varens, zijn zowel de haploïde als diploïde plant stadia vrijlevend. De diploïde plant wordt een sporofyt genoemd omdat ze door meiose haploïde sporen produceert. De sporen ontwikkelen zich tot meercellige, haploïde planten die gametofyten worden genoemd omdat ze gameten produceren. De gameten van twee individuen fuseren tot een diploïde zygote die de sporofyt wordt. (credit “fern”: wijziging van het werk van Cory Zanker; credit “sporangia”: wijziging van het werk van “Obsidian Soul” /Wikimedia Commons; credit “gametophyte and sporophyte”: modification of work by “Vlmastra”/Wikimedia Commons)
hoewel alle planten een bepaalde versie van de generatiewisseling gebruiken, verschillen de relatieve grootte van de sporofyt en de gametofyt en de relatie tussen beide sterk. In planten zoals mos is het gametofyt-organisme de vrij levende plant, en de sporofyt is fysiek afhankelijk van de gametofyt. In andere planten, zoals varens, zijn zowel de gametofyte als sporofyte planten vrijlevend; de sporofyte is echter veel groter. Bij zaadplanten, zoals magnolia ‘ s en madeliefjes, bestaat de gametofyt uit slechts een paar cellen en wordt, in het geval van de vrouwelijke gametofyt, volledig binnen de sporofyt gehouden.
seksuele voortplanting neemt vele vormen aan in meercellige organismen. Nochtans, op één of ander punt in elk type van levenscyclus, produceert meiosis haploid cellen die met de haploid cel van een ander organisme zullen fuseren. De mechanismen van variatie-crossover, willekeurig assortiment van homologe chromosomen en willekeurige bevruchting-zijn aanwezig in alle versies van seksuele reproductie. Het feit dat bijna elk meercellig organisme op aarde seksuele reproductie gebruikt is sterk bewijs voor de voordelen van het produceren van nakomelingen met unieke gencombinaties, hoewel er ook andere mogelijke voordelen zijn.
samengevat: seksuele reproductie
bijna alle eukaryoten ondergaan seksuele reproductie. De variatie die door meiose in de voortplantingscellen wordt geïntroduceerd, blijkt een van de voordelen van seksuele voortplanting te zijn die het zo succesvol heeft gemaakt. Meiose en bevruchting wisselen elkaar af in seksuele levenscycli. Het proces van meiosis produceert unieke reproductieve cellen genoemd gameten, die de helft van het aantal chromosomen als oudercel hebben. Bevruchting, de fusie van haploïde gameten van twee individuen, herstelt de diploïde toestand. Dus, seksueel reproducerende organismen afwisselen tussen haploïde en diploïde stadia. Echter, de manieren waarop voortplantingscellen worden geproduceerd en de timing tussen meiose en bevruchting variëren sterk. Er zijn drie hoofdcategorieën van levenscycli: diploïd-dominant, gedemonstreerd door de meeste dieren; haploïd-dominant, gedemonstreerd door alle schimmels en sommige algen; en de afwisseling van generaties, gedemonstreerd door planten en wat algen.
probeer het
bijdragen!
verbeter deze pagina leer meer