Biologi för Majors i
lärandemål
- förstå hur sexuell reproduktion leder till olika sexuella livscykler
sexuell reproduktion var en tidig evolutionär innovation efter utseendet av eukaryota celler. Det verkar ha varit mycket framgångsrikt eftersom de flesta eukaryoter kan reproducera sexuellt, och hos många djur är det det enda reproduktionssättet. Och ändå erkänner forskare några verkliga nackdelar med sexuell reproduktion. På ytan verkar det vara ett bättre system att skapa avkommor som är genetiska kloner hos föräldern. Om moderorganismen framgångsrikt upptar en livsmiljö, skulle avkommor med samma egenskaper vara lika framgångsrika. Det finns också den uppenbara fördelen för en organism som kan producera avkommor när omständigheterna är gynnsamma genom asexuell spirande, fragmentering eller asexuella ägg. Dessa reproduktionsmetoder kräver inte en annan organism av motsatt kön. Faktum är att vissa organismer som leder en ensam livsstil har behållit förmågan att reproducera asexuellt. Dessutom, i asexuella populationer, kan varje individ reproducera. I sexuella populationer producerar männen inte avkomman själva, så i teorin kan en asexuell befolkning växa dubbelt så snabbt.
multicellulära organismer som uteslutande är beroende av asexuell reproduktion är emellertid ytterst sällsynta. Varför är sexualitet (och meios) så vanligt? Detta är en av de viktiga obesvarade frågorna i biologi och har varit i fokus för mycket forskning som börjar under senare hälften av det tjugonde århundradet. Det finns flera möjliga förklaringar, varav en är att variationen som sexuell reproduktion skapar bland avkommor är mycket viktig för befolkningens överlevnad och reproduktion. Således, i genomsnitt, en sexuellt reproducerande population kommer att lämna fler Ättlingar än en annars liknande asexuellt reproducerande population. Den enda källan till variation i asexuella organismer är mutation. Detta är den ultimata källan till variation i sexuella organismer, men dessutom blandas de olika mutationerna kontinuerligt från en generation till nästa när olika föräldrar kombinerar sina unika genom och generna blandas i olika kombinationer genom övergångar under profas i och slumpmässigt sortiment vid metafas I.
den röda drottningens hypotes
det är inte ifrågasatt att sexuell reproduktion ger evolutionära fördelar för organismer som använder denna mekanism för att producera avkommor. Men varför, även mot bakgrund av ganska stabila förhållanden, kvarstår sexuell reproduktion när det är svårare och dyrare för enskilda organismer? Variation är resultatet av sexuell reproduktion, men varför är pågående variationer nödvändiga? Ange den röda drottningens hypotes, som först föreslogs av Leigh Van Valen 1973. Konceptet namngavs med hänvisning till den röda drottningens lopp i Lewis Carrolls bok, Through the Looking-Glass.
alla arter utvecklas tillsammans med andra organismer; till exempel rovdjur utvecklas med sitt byte och parasiter utvecklas med sina värdar. Varje liten fördel som uppnås genom gynnsam variation ger en art en fördel gentemot nära konkurrenter, rovdjur, parasiter eller till och med byte. Den enda metoden som gör det möjligt för en samutvecklande art att behålla sin egen andel av resurserna är att också ständigt förbättra sin kondition. Eftersom en art får en fördel ökar detta urvalet på den andra arten; de måste också utveckla en fördel eller de kommer att bli utkonkurrerade. Ingen enskild art utvecklas för långt framåt eftersom genetisk variation bland avkomman till sexuell reproduktion ger alla arter en mekanism för att snabbt förbättra sig. Arter som inte kan hålla sig utrotade. Den röda drottningens slagord var, ” det tar allt du kan göra för att stanna på samma plats.”Detta är en lämplig beskrivning av samutveckling mellan konkurrerande arter.
livscykler av sexuellt reproducerande organismer
befruktning och meios växlar i sexuella livscykler. Vad som händer mellan dessa två händelser beror på organismen. Processen med meios minskar kromosomantalet med hälften. Befruktning, sammanfogning av två haploida gameter, återställer det diploida tillståndet. Det finns tre huvudkategorier av livscykler i flercelliga organismer: diploiddominerande, där det flercelliga diploidstadiet är det mest uppenbara livsstadiet, såsom med de flesta djur inklusive människor; haploiddominerande, där det flercelliga haploidstadiet är det mest uppenbara livsstadiet, såsom med alla svampar och vissa alger; och generationsväxling, där de två stadierna är uppenbara i olika grad beroende på grupp, som med växter och vissa alger.
diploid-dominerande livscykel
nästan alla djur använder en diploid-dominerande livscykelstrategi där de enda haploida cellerna som produceras av organismen är könscellerna. Tidigt i utvecklingen av embryot produceras specialiserade diploida celler, kallade bakterieceller, inom gonaderna, såsom testiklarna och äggstockarna. Germceller kan mitos för att upprätthålla cellinjen och meios för att producera gameter. När de haploida gameten bildas förlorar de förmågan att dela igen. Det finns inget multicellulärt haploid livsstadium. Befruktning sker med fusion av två gameter, vanligtvis från olika individer, vilket återställer det diploida tillståndet (Figur 1).
Figur 1. Hos djur bildar sexuellt reproducerande vuxna haploida gameter från diploida bakterieceller. Fusion av könscellerna ger upphov till en befruktad äggcell eller zygote. Zygoten kommer att genomgå flera omgångar av mitos för att producera en multicellulär avkomma. Bakteriecellerna genereras tidigt i utvecklingen av zygoten.
haploid-dominerande livscykel
de flesta svampar och alger använder en livscykeltyp där organismens ”kropp” —den ekologiskt viktiga delen av livscykeln-är haploid. De haploida cellerna som utgör vävnaderna i det dominerande multicellulära steget bildas av mitos. Under sexuell reproduktion, specialiserade haploida celler från två individer, betecknade ( + ) och ( − ) parningstyper, gå med för att bilda en diploid zygote. Zygoten genomgår omedelbart meios för att bilda fyra haploida celler som kallas sporer. Även om haploida som ”föräldrarna” innehåller dessa sporer en ny genetisk kombination från två föräldrar. Sporerna kan förbli vilande under olika tidsperioder. Så småningom, när förhållandena bidrar, bildar sporerna multicellulära haploida strukturer genom många mitosomgångar (exempel 1).
Övningsfråga
Figur 2. Svampar, såsom svartbrödmögel (Rhizopus nigricans), har haploida dominerande livscykler. Det haploida multicellulära steget producerar specialiserade haploida celler genom mitos som smälter samman för att bilda en diploid zygot. Zygoten genomgår meios för att producera haploida sporer. Varje spore ger upphov till en multicellulär haploid organism genom mitos. (kredit ”zygomycota” mikrograf: modifiering av arbete av ”Fanaberka”/Wikimedia Commons)
om en mutation inträffar så att en svamp inte längre kan producera en minus parningstyp, kommer den fortfarande att kunna reproducera?
generationsväxling
den tredje livscykeltypen, som används av vissa alger och alla växter, är en blandning av de haploida dominerande och diploida dominerande ytterligheterna. Arter med generationsväxling har både haploida och diploida multicellulära organismer som en del av deras livscykel. De haploida multicellulära växterna kallas gametofyter, eftersom de producerar gameter från specialiserade celler. Meios är inte direkt involverad i produktionen av gameter i detta fall, eftersom organismen som producerar gameten redan är en haploid. Befruktning mellan könscellerna bildar en diploid zygote. Zygoten kommer att genomgå många omgångar av mitos och ge upphov till en diploid multicellulär växt som kallas sporofyt. Specialiserade celler i sporofyten kommer att genomgå meios och producera haploida sporer. Sporerna kommer därefter att utvecklas till gametofyterna (Figur 3).
Figur 3. Växter har en livscykel som växlar mellan en multicellulär haploid organism och en multicellulär diploid organism. I vissa växter, såsom ormbunkar, är både haploida och diploida växtstadier fritt levande. Den diploida växten kallas en sporofyt eftersom den producerar haploida sporer av meios. Sporerna utvecklas till flercelliga, haploida växter som kallas gametofyter eftersom de producerar könsceller. Könscellerna hos två individer kommer att smälta samman för att bilda en diploid zygot som blir sporofyten. (kredit ”fern”: modifiering av arbete av Cory Zanker; kredit ”sporangia”: modifiering av arbete av ”Obsidian Soul” / Wikimedia Commons; kredit ”gametofyte och sporophyte”: ändring av arbete av ”Vlmastra” /Wikimedia Commons)
även om alla växter använder någon version av generationsväxlingen, varierar den relativa storleken på sporofyten och gametofyten och förhållandet mellan dem mycket. I växter som mossa är gametofytorganismen den fritt levande växten, och sporofyten är fysiskt beroende av gametofyten. I andra växter, såsom ormbunkar, är både gametofyt-och sporofytplantorna fritt levande; sporofyten är dock mycket större. I fröplantor, såsom magnoliaträd och tusenskönor, består gametofyten av endast några få celler och, i fallet med den kvinnliga gametofyten, behålls helt inom sporofyten.
sexuell reproduktion har många former i flercelliga organismer. Men vid någon tidpunkt i varje typ av livscykel producerar meios haploida celler som smälter samman med en annan organisms haploida cell. Mekanismerna för variation—crossover, slumpmässigt sortiment av homologa kromosomer och slumpmässig befruktning-finns i alla versioner av sexuell reproduktion. Det faktum att nästan alla multicellulära organismer på jorden använder sexuell reproduktion är starka bevis för fördelarna med att producera avkommor med unika genkombinationer, även om det finns andra möjliga fördelar också.
Sammanfattningsvis: sexuell reproduktion
nästan alla eukaryoter genomgår sexuell reproduktion. Variationen som introduceras i reproduktionscellerna genom meios verkar vara en av fördelarna med sexuell reproduktion som har gjort den så framgångsrik. Meios och befruktning växlar i sexuella livscykler. Processen med meios producerar unika reproduktionsceller som kallas gameter, som har hälften av antalet kromosomer som modercell. Befruktning, fusion av haploida gameter från två individer, återställer det diploida tillståndet. Således växlar sexuellt reproducerande organismer mellan haploida och diploida stadier. Men de sätt på vilka reproduktionsceller produceras och tidpunkten mellan meios och befruktning varierar mycket. Det finns tre huvudkategorier av livscykler: diploiddominerande, demonstrerad av de flesta djur; haploiddominerande, demonstrerad av alla svampar och vissa alger; och generationsväxlingen, demonstrerad av växter och vissa alger.
prova det
bidra!
förbättra denna sidalär dig mer