Размножение организмов

Размножение — одно из основных свойств живого, под которым понимают способность живых организмов воспроизводить себе подобных, обеспечивая непрерывность и преемственность жизни в ряду поколений. Существование целостного организма поддерживается делением его составляющих дискретных единиц — клеток, так как продолжительность жизни большинства клеток короче жизни особи. В свою очередь существование вида поддерживается размножением составляющих его особей, продолжительность жизни которых ограниченна. Размножение обеспечивает длительное сохранение видов и непрерывность самой жизни.

Различают два основных вида размножения: бесполое и половое.

При бесполом размножении в воспроизведении себе подобного участвует только одна родительская особь, из части тела которой развиваются дочерние организмы. Их генотипы совершенно идентичны родительскому. Бесполое размножение позволяет быстро увеличивать число особей. Различают два вида бесполого размножения: вегетативное и спорообразование.

Вегетативное размножение осуществляется вегетативными частями тела организмов. У одноклеточных (бактерии, простейшие, водоросли) размножение осуществляется путем деления клеток на две или множество (шизогония) частей. У многоклеточных растений возможно развитие нового организма из обрывков нити (водоросли), мицелия (грибы), кусочков слоевища (лишайники). Одним из способов вегетативного размножения является почкование: на материнском организме первоначально появляется небольшой бугорок, который, постепенно увеличиваясь, достигает размеров материнского организма и отделяется от него (дрожжи, гидра).

У цветковых растений новые особи могут образовываться из вегетативных органов: стебля (ива, смородина), листьев (фиалка, бегония), корней (вишня, осот), клубней (картофель), луковиц (лук, тюльпан), корневищ (пырей, ландыш), усов (земляника) и др.

Вегетативное размножение у животных вследствие высокой специализации клеток наблюдается реже и происходит путем почкования (описано выше) и фрагментации. При фрагментации исходная особь делится на несколько частей и каждая из них постепенно развивается в самостоятельный организм. Этот способ размножения наблюдается у молочной планарии и кольчатых червей.

Спорообразование — это вид бесполого размножения, при котором на материнском организме образуются специализированные клетки — споры, прорастающие в новые особи. При этом обеспечивается быстрое увеличение численности организмов. У водорослей и грибов споры могут образовываться из любой клетки организма путем митоза, а у высших споровых — из диплоидных клеток в специализированных органах (спорангиях) путем мейоза. В животном мире спорогония с образованием спорозоитов происходит у представителей класса споровиков (малярийный плазмодий).

При половом размножении происходит объединение генетической информации двух родительских организмов в одной особи, что обусловливает значительную комбинативную изменчивость, позволяющую новым организмам быстрее и лучше приспосабливаться к изменяющимся условиям среды. В основе полового размножения лежит половой процесс, т. е. обмен генетической информацией между особями одного вида (конъюгация) или объединение ее (копуляция). Исторически сначала появился половой процесс, который позже объединился с размножением.

Типичный половой процесс (конъюгация) протекает у инфузорий, бактерий и некоторых других организмов. Суть процесса конъюгации у инфузорий туфелек заключается в следующем. Две особи сближаются, между ними возникает цитоплазматический мостик, и после сложного преобразования микронуклеусов происходит обмен блуждающими ядрами, содержащими генетическую информацию. После конъюгации туфельки расходятся и начинают размножаться бесполым путем. Таким образом, при конъюгации две особи обмениваются генетической информацией, но увеличения их числа не происходит.

При половом размножении происходит образование специализированных половых клеток (гамет) и последующее их слияние. Таким образом половой процесс и половое размножение совмещаются. При слиянии зрелых половых клеток образуется зигота, из которой развивается новый дочерний организм. По достижении половой зрелости новый организм, в свою очередь, продуцирует гаметы, которые дают начало следующим потомкам. Так осуществляется преемственность поколений.

Процесс образования половых клеток называется гаметогенезом. Формирование сперматозоидов (сперматогенез) происходит в мужских половых железах — семенниках, а яйцеклеток (овогенез) — в женских половых железах — яичниках. Образование сперматозоидов начинается в период полового созревания организма с интенсивного митотического деления первичных половых клеток — сперматогоний, содержащих диплоидный набор хромосом. Далее сперматогоний вступают в период роста (увеличиваются их размеры) и превращаются в сперматоциты I порядка. Затем наступает период созревания — мейотическое деление. В результате его первого деления образуются два сперматоцита II порядка, а в результате второго — 4 сперматиды. Сперматиды — это гаплоидные клетки, каждая хромосома которых состоит из одной хроматиды (1n1хр). Сперматиды в стадии формирования преобразуются в зрелые половые клетки — сперматозоиды.

Схема гаметогенеза
Схема гаметогенеза:
I — Сперматогенез, II — Овогенез, 1 — Первое митотическое деление, 2 — Второе митотическое деление, 3,4 — Первичные половые клетки, 5 — Сперматогонии, 6 — Овогонии, 7 — Полярное тело, 8 — Сперматоциты I-го порядка, 9 — Овоциты I-го порядка, 10 — Сперматоциты II-го порядка, 11 — Овоциты II-го порядка, 12 — Сперматиды, 13 — Овотиды, 14 — Сперматозоиды, 15 — Фертилизация, 16 — Зигота

Сперматогенез и овогенез протекают сходно, однако каждый из них имеет и определенные особенности. При сперматогенезе более интенсивно и более продолжительно идет размножение первичных половых клеток, так как сперматозоидов всегда образуется намного больше, чем яйцеклеток. Стадия роста лучше выражена при овогенезе, в связи с тем что величина яйцеклеток значительно превышает размеры сперматозоидов. В стадии созревания (мейоз) при сперматогенезе из одной исходной клетки образуются четыре, которые в стадии формирования превращаются в 4 сперматозоида. При овогенезе из одной исходной клетки (овогонии) образуется одна яйцеклетка и три направительных (редукционных) тельца. Последние содержат ядро и небольшое количество цитоплазмы. Они «забирают» на себя излишки генетической информации и в дальнейшем погибают. Стадия формирования выражена только при сперматогенезе: незрелые половые клетки приобретают форму, характерную для сперматозоидов данного вида.

Сперматозоиды всегда меньше яйцеклеток и подвижны. Как правило, они состоят из головки, шейки и хвоста. В головке находится ядро с гаплоидным набором хромосом (1n1хр) и небольшое количество цитоплазмы с комплексом Гольджи. В цитоплазме шейки сосредоточены центросома и митохондрии, вырабатывающие энергию для движения хвоста.

Яйцеклетка обычно крупная, круглая и неподвижная, имеет оболочку, большое количество цитоплазмы и ядро. В цитоплазме содержится определенное количество питательных веществ в виде желтка, необходимого для развития зародыша. У млекопитающих и человека яйцеклетки содержат мало желтка, так как развитие зародыша идет в матке за счет питательных веществ материнского организма. У рыб, земноводных, пресмыкающихся и птиц развитие зародыша происходит во внешней среде, и их яйцеклетки содержат большое количество желтка.

Половые клетки неравноценны с точки зрения «вклада» в обеспечение развития будущего организма. Сперматозоид вносит в яйцеклетку генетическую информацию и центросому и активирует ее развитие. Яйцеклетка помимо генетической информации содержит все основные факторы, позволяющие организму развиваться, в том числе все органоиды (кроме центросомы) и запас питательных веществ.

Процесс, обеспечивающий встречу сперматозоидов и яйцеклеток, называется осеменением. У большинства первично водных животных (рыб и земноводных) сперматозоиды и яйцеклетки выбрасываются в воду, где и происходит их встреча. Такое осеменение называется наружным. Для наземных животных (пресмыкающихся, птиц и млекопитающих) характерно внутреннее осеменение, при котором самцы с помощью копулятивных органов вводят сперматозоиды в половые пути самки.

После осеменения происходит оплодотворение, т. е. слияние мужской и женской гамет с образованием диплоидной зиготы (1n1хр+1n1хр —> 2n1хр), в которой каждая пара гомологичных хромосом представлена одной материнской и одной отцовской, состоящими из одной хроматиды.

У некоторых животных (черви, низшие ракообразные, насекомые) яйцеклетки могут развиваться без оплодотворения. Такое развитие называется партеногенезом. При партеногенезе развиваются особи только одного пола (у пчел из неоплодотворенных яиц развиваются трутни), причем их соматические клетки могут быть как гаплоидными (осы, пчелы), так и диплоидными (тли, ракообразные). Восстановление диплоидности может происходить за счет редукционных телец.