1. Бесполое размножение

Ключевые вопросы

Каковы основные формы бесполого размножения?

Чем отличаются процессы размножения у простейших одноклеточных организмов и плоских червей?

Какие преимущества дает организму образование большого количества спор?

Чем отличается процесс почкования от размножения путем деления клеток?

Как размножаются губки?

Какие существуют примеры вегетативного размножения у растений и животных?

Каковы недостатки и преимущества бесполого размножения?

Размножение представляет собой процесс, благодаря которому жизнь продолжается из поколения в поколение. Другими словами, во всех случаях это сводится к отделению жизнеспособной части генетического материала (ДНК) от родительского организма, для того чтобы новый организм мог развиваться согласно данной генетической программе.

При бесполом размножении генетический материал от одного родителя передается одной или нескольким дочерним клеткам. Это происходит без слияния специализированных половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов) и, следовательно, без объединения генетического материала. Поэтому поколения клеток и организмов, которые размножаются бесполым путем, очень сходны друг с другом.

Существует ряд типов бесполого (вегетативного) размножения, включающих деление клеток, почкование, спорообразование и т. д.

1.1. Деление - это процесс образования двух идентичных особей из одной родительской

Деление - наиболее простая форма бесполого размножения, широко распространенного у бактерий и простейших (одноклеточных эукариотических организмов). В зависимости от вида простейшие могут подвергаться либо поперечному бинарному делению, если разделение на две клетки происходит вдоль короткой оси родительской клетки, либо продольному бинарному делению, если разделение происходит вдоль длинной оси (рис. 1-1), либо шизогонии - дроблению на ряд дочерних Клеток. У всех организмов за исключением прокариот, деление можно определить как результат протекания процессов митоза и цитокинеза. Деление является механизмом размножения. Некоторые многоклеточные организмы также размножаются делением, но оно происходит не во всех клетках. Например, у свободноживущих планарий (ленточные черви) происходит поперечное деление. У некоторых таких животных перед делением в задней части тела образуются добавочные глаза и пищеварительные структуры (рис. 1-2).

Рис. 1-1. Деление при бесполом размножении. A. Поперечное деление у бактерии. Б. Поперечное деление у Рагатесшт: микронуклеус делится митотически, а макронуклеус - простым делением на две части B. Продольное деление у Euglеna

Деление может быть частью процесса полового размножения у простейших и у некоторых более сложных организмов. У человека и большинства животных однояйцевые близнецы образуются, когда продукты деления одной оплодотворенной яйцеклетки полностью обосабливаются друг от друга. Каждая из таких разделившихся клеток содержит всю информацию, необходимую для формирования новой особи.

Рис. 1-2. Деление плоеного червя Stenostomum. Последовательность делений отмечена номерами

1.2. Почкование представляет собой процесс отщепления небольшой части родительского организма, из которой формируется новая особь

Почкование - относительно простая форма бесполого размножения, наблюдающаяся как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Например, у многих дрожжей, которые представляют собой одноклеточные грибы, почкование происходит в течение одной фазы жизненного цикла (рис. 1-3). Перед началом процесса почкования ДНК ядер удваивается (реплицируется). Сразу после этого на одном конце клетки образуется небольшая почка. Ядро начинает делиться и перемещаться к почке, пока не достигнет плоскости перетяжки. Цитоплазма наполняет почку до тех пор, пока ее объем не сравняется с объемом материнской клетки. В это же время происходит митотическое деление ядра. Затем две части дрожжевой клетки отделяются друг от друга, и каждая растет, пока не достигнет размера материнской клетки.

Рис. 1-3. Стадии почкования дрожжей

Почкование очень эффективная форма размножения. Воспроизведение потомства при почковании может занимать всего 30 мин.

Почкование наблюдается также у многоклеточных организмов, таких как гидра (Hydra). Это животное получило свое название по имени мифологической змеи, у которой вырастали две головы взамен одной отрубленной. У гидры процесс почкования начинается с появления небольшого скопления делящихся клеток на поверхности ее мешкообразного тела. По мере увеличения количества клеток почка удлиняется и на ее конце отрастают щупальца (рис. 1-4). В почке развиваются все части организма, присущие взрослой гидре, и, оставаясь прикрепленной, почка может самостоятельно захватывать и переваривать мелких животных. Наконец, развившаяся гидра отделяется от материнского организма.

Рис. 1-4. Почкование у Hydra

Бесполое размножение растений также происходит путем почкования. Многие растения имеют локализованные узелки или группы клеток, из которых могут образоваться новые растения. Ярким примером этого является род Kalenchoe, именуемый также "воздушным растением". Листья этих растений имеют зазубренные края, в основании которых находятся небольшие группы специализированных клеток. По мере роста листа или даже после его опадания эти клетки дифференцируются и из них развиваются маленькие растения, имеющие корень, ртебель и листья (рис. 1-5).

Рис. 1-5. Растение Kalenchoe, на листьях которого расположены маленькие проростки (1) будущих растений. Видно, что два упавших проростка укоренились в землю (2). (С разрешения R. Specn.)

1.3. Образование спор - споруляция - является разновидностью бесполого размножения у бактерий, грибов и некоторых простейших

Споры - это особый тип клеток, обычно с плотной оболочкой, которые могут сохраняться в состоянии покоя, если условия среды неблагоприятны для их роста. Когда эти условия изменяются, спора активи руется и развивается в новую особь. У некоторых организмов споры образуются в специализированных структурах, называемых спорангиями.

Высвобождаясь из этих структур, созревшие споры могут распространяться вместе с потоками воды и воздуха. Зооспоры (подвижные сцоры) имеют жгутики, с помощью которых они передвигаются в воде.

На рисунке 1-6 представлен процесс споруляции у гриба хлебной плесени, Rhizopus.

Рис. 1-6. Споруляция хлебной плесени

Эти грибы, так же как и большинство других, образуют пышно растущие ризоиды и спорангиофоры, покрытые маленькими пузырьками - спорангиями, из которых выбрасываются споры.

Рассеиваясь потоками воздуха и попадая в подходящую среду, они вновь прорастают.

1.4. Вегетативное размножение у растений - это процесс развития нового организма из стеблей, ветвей, корней и листьев

Большинство примеров бесполого размножения у растений относится к вегетативному типу размножения (рис. 1-7). Этот процесс может осуществляться различными путями. Например, у земляники (рис. 1-7, А) размножение происходит при помощи стелющегося побега, или столона, который представляет собой сильно удлиненный стебель. Стелющийся побег растет близко к поверхности земли и на некотором расстоянии от родительского растения образует корни и листья. В результате развивается новое сателлитное растение, которое может существовать, даже если столон поврежден. Многие травы (рис. 1-7, Б) также размножаются в результате прорастания стебля, но такие стебли, называемые корневищами, развиваются горизонтально под землей. При другом способе вегетативного размножения на побегах под землей образуются клубни (подобные картофельным), которые представляют собой увеличенную часть подземного стебля или столона. На клубнях имеется ряд глазков, или почек, каждый из которых способен дать начало новому растению (рис. 1-7, В). Вертикально растущие стебли или ветви также используются некоторыми растениями для образования новых. Этот процесс называется размножением отводками (рис. 1-7, Г). Ветви или стебли, сгибаясь, касаются земли, образуют корневую систему и в конечном итоге новое растение. Точно так же при вегетативном размножении может быть использовано распространение и значительное удлинение корней. Так, например, размножаются серебристые тополя и некоторые другие деревья.

Рис. 1-7. Некоторые примеры вегетативного размножения растений. А. Столон, образующий новое земляничное растение. Б. Размножение травянистого растения с помощью корневища. В. Размножение корневыми клубнями (картофель). Г. Размножение отводками: новое растение образуется при укоренении ветвей

Сидячие животные (особенно постоянно прикрепленные) размножаются вегетативно. Например, некоторые водные организмы, в частности медузы, кораллы, гидры и другие относительно простые многоклеточные животные, выбрасывают столоны, на которых развиваются небольшие почки. Из каждой такой почки вырастает животное, сходное с родительским организмом. Потомки и родители в дальнейшем образуют колонию.

1.5. Некоторые организмы используют помощников для осуществления бесполого размножения

Известны растения и животные, которые размножаются путем регенерации фрагментов родительского организма. Морская звезда способна к регенерации из любого фрагмента, который содержит щупальце и кусочек тела. Ловцы устриц с неприязнью относятся к морским звездам за то, что они истребляют устриц. Поэтому издавна попавшихся в сеть морских звезд рыбаки разрубали на куски и выбрасывали за борт. Теперь, узнав, что это приводит только к увеличению численности морских звезд, рыбаки бросают их в кипяток.

Бесполое размножение распространено у многих организмов и является надежным способом воспроизведения потомства, генетически полностью сходного с родителями. В известном смысле это является недостатком, поскольку, хотя бесполое размножение - успешный и продуктивный метод, ему не хватает лабильности. Поколения, генетически идентичные с предшествующими, обладают пониженной способностью адаптироваться к изменениям среды.