Biologia dla kierunków i
efekty uczenia się
- zrozumieć, w jaki sposób rozmnażanie płciowe prowadzi do różnych cykli życia seksualnego
rozmnażanie płciowe było wczesną innowacją ewolucyjną po pojawieniu się komórek eukariotycznych. Wydaje się, że był bardzo udany, ponieważ większość eukariotów jest w stanie rozmnażać się seksualnie, a u wielu zwierząt jest to jedyny sposób rozmnażania. A jednak naukowcy uznają pewne prawdziwe wady reprodukcji seksualnej. Z pozoru tworzenie potomstwa będącego genetycznymi klonami rodzica wydaje się lepszym systemem. Jeśli organizm macierzysty z powodzeniem zajmuje siedlisko, potomstwo o tych samych cechach odniosłoby podobny sukces. Istnieje również oczywistą korzyść dla organizmu, który może produkować potomstwo, gdy okoliczności są korzystne przez bezpłciowe pączkowanie, fragmentację lub bezpłciowe jaja. Te metody rozmnażania nie wymagają innego organizmu płci przeciwnej. Rzeczywiście, niektóre organizmy prowadzące samotny tryb życia zachowały zdolność do rozmnażania się bezpłciowo. Ponadto w populacjach bezpłciowych każdy osobnik jest zdolny do reprodukcji. W populacjach płciowych samce nie produkują potomstwa, więc teoretycznie populacja aseksualna może rosnąć dwa razy szybciej.
jednak organizmy wielokomórkowe, które zależą wyłącznie od rozmnażania bezpłciowego, są niezwykle rzadkie. Dlaczego seksualność (i mejoza) jest tak powszechna? Jest to jedno z ważnych pytań bez odpowiedzi w biologii i było przedmiotem wielu badań rozpoczynających się w drugiej połowie XX wieku. Istnieje kilka możliwych wyjaśnień, z których jednym jest to, że zmienność, jaką rozmnażanie seksualne tworzy wśród potomstwa, jest bardzo ważna dla przetrwania i reprodukcji populacji. Tak więc, średnio populacja rozmnażająca się płciowo pozostawi więcej Potomków niż podobna populacja rozmnażająca się aseksualnie. Jedynym źródłem zmienności organizmów bezpłciowych jest mutacja. Jest to ostateczne źródło zmienności w organizmach płciowych, ale w dodatku, te różne mutacje są nieustannie przetasowywane z pokolenia na pokolenie, kiedy różni rodzice łączą swoje unikalne genomy, a geny są mieszane w różne kombinacje przez crossovery podczas profazy I i losowego asortymentu w metafazie I.
hipoteza Czerwonej Królowej
nie ulega wątpliwości, że rozmnażanie seksualne zapewnia ewolucyjne korzyści organizmom, które wykorzystują ten mechanizm do produkcji potomstwa. Ale dlaczego, nawet w obliczu dość stabilnych warunków, rozmnażanie płciowe utrzymuje się, gdy jest trudniejsze i bardziej kosztowne dla poszczególnych organizmów? Zmienność jest wynikiem rozmnażania płciowego, ale dlaczego ciągłe zmiany są konieczne? Hipoteza Czerwonej Królowej, po raz pierwszy zaproponowana przez Leigh Van Valena w 1973 roku. Koncepcja została nazwana w nawiązaniu do rasy Czerwonej Królowej w książce Lewisa Carrolla, Through the Looking-Glass.
wszystkie gatunki współwystępują z innymi organizmami; na przykład drapieżniki ewoluują wraz ze swoją zdobyczą, a pasożyty ewoluują wraz z żywicielami. Każda drobna przewaga uzyskana dzięki korzystnej zmienności daje gatunkowi przewagę nad bliskimi konkurentami, drapieżnikami, pasożytami, a nawet zdobyczą. Jedyną metodą, która pozwoli współwystępującemu gatunkowi na utrzymanie własnego udziału w zasobach, jest ciągłe doskonalenie jego kondycji. W miarę jak jeden gatunek zyskuje przewagę, Zwiększa to selekcję na innych gatunkach; muszą one również rozwinąć przewagę lub zostaną wykluczone. Żaden gatunek nie postępuje zbyt daleko, ponieważ genetyczna zmienność wśród potomstwa rozmnażania płciowego zapewnia wszystkim gatunkom mechanizm szybkiej poprawy. Gatunki, które nie nadążają, wyginęły. Hasło Red Queen brzmiało: „potrzeba wszystkiego, co możesz zrobić, aby pozostać w tym samym miejscu.”Jest to trafny opis koewolucji między konkurującymi gatunkami.
cykle życia organizmów rozmnażających się płciowo
zapłodnienie i mejoza zmieniają się w cyklach życia seksualnego. To, co dzieje się między tymi dwoma zdarzeniami, zależy od organizmu. Proces mejozy zmniejsza liczbę chromosomów o połowę. Zapłodnienie, połączenie dwóch gamet haploidalnych, przywraca stan diploidalny. Istnieją trzy główne kategorie cykli życiowych w organizmach wielokomórkowych: diploidalny-dominujący, w którym etap wielokomórkowy diploidalny jest najbardziej oczywistym etapem życia, takim jak u większości zwierząt, w tym ludzi; haploidalny-dominujący, w którym etap wielokomórkowy haploidalny jest najbardziej oczywistym etapem życia, takim jak u wszystkich grzybów i niektórych glonów; i alternacja pokoleń, w której dwa etapy są widoczne w różnym stopniu w zależności od grupy, jak u roślin i niektórych glonów.
diploidalny dominujący cykl życia
prawie wszystkie zwierzęta stosują strategię diploidalnego dominującego cyklu życia, w której jedynymi haploidalnymi komórkami produkowanymi przez organizm są gamety. Na wczesnym etapie rozwoju zarodka, wyspecjalizowane diploidalne komórki, zwane komórkami zarodkowymi, są wytwarzane w obrębie gonad, takich jak jądra i jajniki. Komórki zarodkowe są zdolne do mitozy w celu utrwalenia linii komórkowej i mejozy w celu wytworzenia GAMET. Po utworzeniu GAMET haploidalnych tracą one zdolność do ponownego podziału. Nie ma wielokomórkowego haploidalnego stadium życia. Zapłodnienie następuje poprzez fuzję dwóch gamet, zwykle od różnych osobników, przywracając stan diploidalny (ryc. 1).
Rysunek 1. U zwierząt rozmnażające się płciowo osoby dorosłe tworzą gamety haploidalne z diploidalnych komórek zarodkowych. Fuzja GAMET powoduje powstanie zapłodnionej komórki jajowej lub zygoty. Zygota przechodzi wiele rund mitozy w celu wytworzenia wielokomórkowego potomstwa. Komórki zarodkowe powstają na wczesnym etapie rozwoju zygoty.
haploidalny-dominujący cykl życia
większość grzybów i glonów stosuje Typ cyklu życia, w którym „ciało” organizmu-ekologicznie ważna część cyklu życia—jest haploidalne. Komórki haploidalne, które tworzą tkanki dominującego Stadium wielokomórkowego, powstają w wyniku mitozy. Podczas rozmnażania płciowego wyspecjalizowane haploidalne komórki dwóch osobników, oznaczonych ( + ) i ( − ) typami godowymi, łączą się tworząc diploidalną zygotę. Zygota natychmiast ulega mejozie tworząc cztery haploidalne komórki zwane zarodnikami. Chociaż haploidalne jak” rodzice”, zarodniki te zawierają nową kombinację genetyczną od dwóch rodziców. Zarodniki mogą pozostać uśpione przez różne okresy czasu. Ostatecznie, gdy warunki sprzyjają, zarodniki tworzą wielokomórkowe struktury haploidalne przez wiele rund mitozy (przykład 1).
pytanie praktyczne
Rysunek 2. Grzyby, takie jak plecha czarna (Rhizopus nigricans), mają haploidalny dominujący cykl życiowy. Haploidalne Stadium wielokomórkowe wytwarza wyspecjalizowane haploidalne komórki przez mitozę, które łączą się tworząc diploidalną zygotę. Zygota ulega mejozie w celu wytworzenia zarodników haploidalnych. Każdy zarodnik powoduje powstanie wielokomórkowego haploidalnego organizmu w wyniku mitozy. (kredyt „zygomycota” micrograph: modyfikacja pracy „Fanaberka”/Wikimedia Commons)
jeśli dojdzie do mutacji tak, że grzyb nie jest już w stanie wytworzyć minusa, czy nadal będzie w stanie się rozmnażać?
zmiana pokoleń
trzeci typ cyklu życia, stosowany przez niektóre glony i wszystkie rośliny, jest mieszanką skrajności haploidalno-dominującej i diploidalno-dominującej. Gatunki z naprzemiennymi pokoleniami mają zarówno haploidalne, jak i diploidalne organizmy wielokomórkowe w ramach swojego cyklu życiowego. Haploidalne rośliny wielokomórkowe nazywane są gametofitami, ponieważ wytwarzają gamety z wyspecjalizowanych komórek. Mejoza nie jest w tym przypadku bezpośrednio zaangażowana w produkcję GAMET, ponieważ organizm, który produkuje gamety, jest już haploidalny. Zapłodnienie między gametami tworzy diploidalną zygotę. Zygota przechodzi wiele rund mitozy i daje początek diploidalnej wielokomórkowej roślinie zwanej sporofitem. Wyspecjalizowane komórki sporofitu ulegają mejozie i wytwarzają haploidalne zarodniki. Zarodniki rozwijają się następnie w gametofity (ryc. 3).
Rysunek 3. Rośliny mają cykl życiowy, który zmienia się między wielokomórkowym organizmem haploidalnym a wielokomórkowym organizmem diploidalnym. U niektórych roślin, takich jak paprocie, zarówno haploidalne, jak i diploidalne stadia roślin są wolnożyjące. Diploidalna roślina nazywana jest sporofitem, ponieważ wytwarza haploidalne zarodniki w wyniku mejozy. Zarodniki rozwijają się w wielokomórkowe, haploidalne rośliny zwane gametofitami, ponieważ wytwarzają gamety. Gamety dwóch osobników łączą się tworząc diploidalną zygotę, która staje się sporofitem. (kredyt „fern”: modyfikacja pracy Cory 'ego Zankera; kredyt” sporangia”: modyfikacja pracy”Obsidian Soul „/Wikimedia Commons; kredyt”gametophyte and sporophyte”: modyfikacja pracy „Vlmastra”/Wikimedia Commons)
chociaż wszystkie rośliny wykorzystują pewną wersję alternacji pokoleń, względna wielkość sporofitu i gametofitu oraz relacje między nimi są bardzo zróżnicowane. U roślin takich jak mchy organizm gametofitu jest rośliną wolnożyjącą, a sporofit jest fizycznie zależny od gametofitu. U innych roślin, takich jak paprocie, zarówno gametofity, jak i sporofity są wolnożyjące, jednak sporofity są znacznie większe. U roślin nasiennych, takich jak drzewa magnolii i stokrotki, gametofit składa się tylko z kilku komórek, a w przypadku gametofitu żeńskiego jest całkowicie zachowany w sporofitach.
rozmnażanie płciowe w organizmach wielokomórkowych przybiera wiele form. Jednak w pewnym momencie każdego typu cyklu życiowego mejoza wytwarza haploidalne komórki, które łączą się z haploidalną komórką innego organizmu. Mechanizmy zmienności-crossover, losowy wybór homologicznych chromosomów i przypadkowe zapłodnienie-są obecne we wszystkich wersjach rozmnażania płciowego. Fakt, że prawie każdy wielokomórkowy organizm na Ziemi wykorzystuje rozmnażanie płciowe jest silnym dowodem na korzyści z produkcji potomstwa z unikalnymi kombinacjami genów, choć istnieją również inne możliwe korzyści.
Podsumowując: rozmnażanie płciowe
prawie wszystkie eukarioty przechodzą rozmnażanie płciowe. Zmiana wprowadzona do komórek rozrodczych przez mejozę wydaje się być jedną z zalet rozmnażania płciowego, która sprawiła, że jest tak skuteczna. Mejoza i zapłodnienie naprzemiennie w cyklach życia seksualnego. Proces mejozy wytwarza unikalne komórki rozrodcze zwane gametami, które mają połowę liczby chromosomów jako komórki macierzystej. Zapłodnienie, fuzja GAMET haploidalnych od dwóch osobników, przywraca stan diploidalny. W ten sposób organizmy rozmnażające się płciowo zmieniają się pomiędzy etapami haploidalnymi i diploidalnymi. Jednak sposoby produkcji komórek rozrodczych i czas między mejozą a zapłodnieniem są bardzo zróżnicowane. Istnieją trzy główne kategorie cykli życiowych: dominujący diploid, wykazywany przez większość zwierząt; dominujący haploidalny, wykazywany przez wszystkie grzyby i niektóre glony; i naprzemienne pokolenia, wykazywane przez rośliny i niektóre glony.
spróbuj
popraw tę stronęucz się więcej