Роль статевого розмноження в еволюції

Сергій Сенінський: . Природа наділила живі організми різними можливостями продовження роду. Серед нижчих форм життя широко поширене безстатеве розмноження - наприклад, поділ або брунькування. Однак серед вищих організмів переважає статеве розмноження.

Багато біологів вважають, що головна перевага статевого розмноження полягає в тому, що потомство виходить різноманітнішим, і це створює матеріал для природного відбору і сприяє прискоренню еволюції. Але є й інша точка зору, згідно з якою статеве розмноження підвищує стійкість видів та допомагає їм чинити опір еволюційним змінам. Про роль статевого розмноження в еволюції розповідає завідувач лабораторії молекулярної генетики Інституту проблем хімічної фізики РАН, доктор біологічних наук Віктор Щербаков. З ним розмовляє Олександр Марков.

Олександр Марков: Вікторе Прохоровичу, ваша точка зору, в чому ж сенс статевого розмноження і навіщо воно потрібне?

Віктор Щербаков: Ми говорили про те, що для організмів зі складним геномом, складним розвитком існує велика проблема мутаційних перешкод. Точність реплікацій досягає межі.

Олександр Марков: Тобто, точніше копіювати ДНК неможливо.

Віктор Щербаков: Копіювати ДНК неможливо просто з енергетичних міркувань, не під силу, організм не впорається енергетично з більш точним копіюванням. Звичайно, еволюція завжди йде наосліп, вона пробує різні варіанти, і один з її винаходів – це статеве розмноження. Статеве розмноження виглядає надмірною річчю, воно все ускладнює.Коли особина розмножується сама собою розподілом навпіл чи брунькуванням, вона виробляє собі подібну особину і їй передає всю свою спадковість, весь свій геном. Їй не потрібно шукати партнера для того, щоб зробити потомство. Більше того, коли в еволюції такого безстатевого організму випадково утворюється дуже досконалий геном, він так і передасться цілком, незміненим всім нащадкам. Це переваги безстатевого розмноження. А при статевому розмноженні, по-перше, будь-яка особина передає своїм нащадкам лише половину своєї генетичної інформації. Тобто вона взагалі втрачає можливість відтворення, зробити свою точну копію вона не може. І це найголовніше, що відбувається при статевому розмноженні – це відмова індивідів розмножуватись у чистому вигляді.

Олександр Марков: Тобто те, що зараз роблять досліди щодо клонування – це якраз спроба змінити ситуацію, зробити точну копію.

Віктор Щербаков: Хочуть повернути назад. Еволюція йшла все-таки цим шляхом - шляхом переходу до статевого розмноження. Безстатеві розмножуються найпростіші організми і з еукаріотів теж найнижчі, для вищих організмів і, зокрема, ссавців безстатеве розмноження взагалі виключено, неможливо. Все це надає очевидної складності в розмноженні. Але досить сказати, що особливо при падінні виду зустріч статевих партнерів стає дуже скрутною та ризикованою. І тим не менш, розмножуються статевим шляхом. Значить, це життєво необхідно. Але одна перевага цілком очевидна. Власне, що відбувається при статевому розмноженні, яка головна відмінність? Головна відмінність полягає в тому, що кожна клітина диплоїдного організму має батьківський набір хромосом та материнський.Ось ці батьківські хромосоми зустрічаються між собою та починають обмінюватися між собою своїми шматками. І що суттєво теж, що вони перемішуються цілком випадковим чином, що кожен нащадок отримує абсолютно унікальний набір генів. Кожен нащадок має свою комбінацію. Завжди береться 50% одного батька, 50% іншого батька, але ці 50% беруться випадковим чином. Тому кожен індивід, він справді індивідуальний і неповторний. Але це відразу показує, що особини, які розмножуються статевим шляхом, дають велику різноманітність потомства.

Олександр Марков: Тобто статеве розмноження призводить до зростання різноманітності популяції, до різноманітності особин у межах однієї й тієї виду.

Віктор Щербаков: Саме те, що називається перетасовування генів. Але головне таки не в цьому. Ми вже говорили, що при великих геномах мутації виникають із небезпечно великою швидкістю. І якщо мутація виникла, позбутися її вже не можна. Імовірність зворотної мутації набагато порядків нижче, ніж поява нової мутації. Але ця сама рекомбінація, обмін шматками хромосом створює важливу можливість позбавлення мутації. Зустрілися два мутанти, але мутації знаходяться у різних місцях хромосоми і тому теоретично можливий обмін так, що замість двох мутантів ми отримуємо особину з двома мутаціями та особину, позбавлену мутацій.

Олександр Марков: Тобто у двох батьків було по одній мутації, скажімо.

Віктор Щербаков: А тепер вийшло, що один несе дві мутації, а другий не несе жодної мутації. Процес, який у безстатевих організмів необоротний, у статевих оборотів. Завжди можна зробити крок назад.

Олександр Марков: І це має підвищувати стійкість, стабільність виду.

Віктор Щербаков: Понад те, оборотність - це є антиеволюційний процес. Роблячи крок назад, ми повертаємось до колишньої ситуації. Безстатеві організми, накопичуючи весь час мутації, мутації можуть накопичуватися навіть дуже інтенсивно, коли йде спрямований відбір. І ось захоплена цими відбором, безстатева населення може набрати багато мутацій. Але це виявиться тимчасовим успіхом, а повернутися вони не можуть. Статеві організми мають як би аріаднину нитку. У них теж йдуть мутації, і вони також можуть накопичуватися, коли організм адаптується, населення адаптується до певних умов, можуть накопичуватися ці мутації. Але вони зберігають можливість повернутися назад, якщо виявилося, що ситуація змінилася.

Олександр Марков: Тобто населення поліморфна і здається, що особини дуже мінливі, але те, що особини мінливі - це виду в цілому надає навпаки стійкість і стабільність.

Віктор Щербаков: Ось ця можливість відновлення вихідного генотипу – це одна із серйозних переваг статевих організмів. Але на мій погляд, набагато більший внесок у стабільність видів робить інша можливість статевих організмів. Справа в тому, що у видів, що розмножуються статевим шляхом, одиницею відбору стає населення.

Олександр Марков: Тобто у безстатевих організмів популяцій як таких немає.

Віктор Щербаков: Вони є, звичайно, вони живуть якимись групами, але ця група особин, близьких генетично.

Олександр Марков: Тобто відбір діє лише на рівні особини.

Віктор Щербаков: І, власне, результатом цього відбору є клони.По суті, у безстатевих організмів насправді біологічного виду не існує. А у статевих особин індивід не залишає своєї копії, потомство виявляється змішаним генетично. Можна так сказати, що у статевих особин кожен індивід вкладає свій генотип у загальний генофонд. Виявляється, що для розмноження особин статевих необхідна популяція, збереження популяції є умовою виживання індивіда. Індивід у принципі неспроможна вижити поза статевої популяції. І тому не тільки тому, але в принципі найголовнішим є те, що створюється загальний генофонд. І коли створюється загальний генофонд, то таки створюються умови для того, щоб відбір йшов не індивідів, а популяцій. Це означає, що в особин, що розмножуються статевим шляхом, панує груповий добір.

Олександр Марков: Це дуже цікава думка. Зазвичай груповий добір - це добір лише на рівні груп. Говорять про нього, коли йдеться про соціальні тварини – мурахи, бджоли, там це очевидно. А на рівні популяцій несоціальних, звичайних мухи чи бізонів начебто не зовсім очевидно, що там група як ціле розмножується, а насправді, якщо подумати.

Віктор Щербаков: Просто іншого не дано. Якщо вони змішують свої гени і виживання популяції є необхідною умовою виживання індивіда, відбір має відбуватися лише на рівні групи. Але виникає запитання: як може відбір йти лише на рівні індивіда, якщо він залишає свою генокопію, якщо його геном розсипається у наступному поколінні. Я розумію, як важко взагалі говорити про груповий відбір. Справа в тому, що наявність групового відбору дуже важко довести. Якимось простим ясним способом довести, що тут відбирався гурт.Противники групового відбору стояли перед великими труднощами, як пояснити виникнення альтруїзму. Але й ось тоді Гамільтон запропонував механізм спорідненого відбору, людина чи тварина жертвує собою, але рятує своїх родичів, але оскільки вони близькі за генами, то врятує свої гени побічно. А можна зовсім по-іншому поглянути на справу і побачити, що груповий завжди був єдиним суттєвим моментом в еволюції, завжди груповий відбір. Що таке багатоклітинний організм? Це група клітин. І багатоклітинний організм ніяк не міг виникнути без того, щоб не йшов вибір групи. Адже те, що відбір лише на рівні організму – це добір лише на рівні групи.

Олександр Марков: Очевидно, ось тут це очевидно. Саме перехід індивідуального відбору до групового був необхідний умовою виникнення багатоклітинного організму.

Віктор Щербаков: І де, я вас питаю, конкуренція та боротьба за існування? Куди не подивишся неупереджено, жодної конкуренції, виявляється, а кооперація. Клітина – це кооперація генів, багатоклітинний організм – це кооперація клітин. Статева населення - це кооперація індивідів. Завжди говорили цю фразу, що життя – боротьба, бій, зіткнення, боротьба за місце під сонцем.

Олександр Марков: А що ні, на вашу думку, боротьби за існування?

Віктор Щербаков: Є, але функція боротьби є допоміжною, регуляторною. Ось, скажімо, візьмемо ієрархічно організована зграя птахів, вони всі між собою періодично б'ються, з'ясовуючи свій ранг, своє становище на сходах. Це механізм налагодження ієрархів. Метою всіх цих зіткнень є правильна організація стада. Тому що це вигідна організація, вона є вигідною для всіх.Вже здавалося б, зовсім приклад запеклої кривавої сутички – це боротьба за місце ватажка. Але це не ватажок бореться за те, щоб залишити свої гени якнайбільше у спадок. Я думаю, що найголовнішим тут є саме, щоб у стада був тямущий ватажок, а це спосіб з'ясувати. І тут насправді найголовнішими є інтереси стада. Статеве розмноження призвело до того, що одиницею відбору стає населення. Тобто система дуже складна і саме вона виявляється стійкою. Це головне, на мою думку, що дає статеве розмноження - створення надіндивідуального вигляду.

Що потрібно знати про статеве розмноження - основні відомості

Поняття статевого розмноження у біології, особливості

Статеве розмноження передбачає наявність двох батьків та поєднання чоловічої та жіночої гамет у процесі запліднення. Нащадок успадковує суміш генів від обох батьків, тому відрізняється один від одного і своїх батьків.

Статеве розмноження - це спосіб розмноження, при якому відбувається злиття гаплоїдної жіночої гамети (яйцеклітини) і чоловічої гаплоїдної гамети (сперматозоїда).

Розмноження - це процес, в ході якого батько(і) відтворює іншу особину (нащадок) того ж виду, в цьому полягає сенс. Це одна з ознак, що характеризують живу істоту. Під статевим розмноженням мається на увазі розмноження, у якому генетичний матеріал двох батьків об'єднується щоб одержати потомства. Дві гаплоїдні гамети об'єднуються, внаслідок чого утворюється генетично різне диплоїдне потомство.

Термін "репродукція" походить від латинського "re", що означає "знову" + productio, що означає "виробництво".

Злиття двох гамет відбувається при заплідненні, внаслідок чого утворюється диплоїдна зигота. Зигота розвивається в індивідуальний організм, що генетично відрізняється від батьківських організмів. Це зовсім інший вид розмноження, порівняно з безстатевим, при якому організм розмножується без участі гамет, а отримане потомство є клоном батьківського організму.

Тим не менш, статеве розмноження має перевагу перед безстатевим розмноженням у збільшенні генетичної варіативності та розширенні генофонду. Крім того, воно гарантує, що число хромосом у конкретного виду залишатиметься незмінним протягом кількох поколінь.

Два основних типи статевого розмноження сингамія і кон'югація.

Статеве та безстатеве розмноження: у чому різниця

Існує два методи розмноження: статевий та безстатевий. Статеве розмноження включає такі фундаментальні процеси, як гаметогенез і запліднення.

Гаметогенез - це біологічний процес, що є розподілом клітин, зокрема мітоз і мейоз, для виробництва гамет (статевих клітин). Він починається з того, що первинні клітини діляться мітотично, а потім кожна з них піддається мейозу.

Мейоз - це форма поділу клітини, при якій клітина проходить через два послідовні клітинні поділки. В результаті утворюються чотири гаплоїдні клітини. Потім кожна гаплоїдна клітина проходить процес дозрівання і стає повністю диференційованою гаметою (статевою клітиною).

У жінок зріла гамета – це яйцеклітина. У чоловіків зрілою гаметою є сперматозоїд. Чоловіча гамета має знайти шлях до яйцеклітини, щоб з'єднатися з нею.У вищих форм тварин самець і самка, зазвичай одного виду, вступають у статевий акт, щоб зблизити гамети для з'єднання.

Сперматозоїд, знайшовши яйцеклітину, проникає до неї, щоб їхній генетичний матеріал об'єднався в один повний набір (диплоїдний). Цей союз знаменує запліднення, і запліднена яйцеклітина проходить серію мітотичних поділів, щоб дати початок ембріону, що складається з диплоїдних клітин.

Запліднення яйцеклітини схематично:

Асексуальне розмноження відрізняється від статевого тим, що потомство було отримано безстатевим шляхом. Процес відрізняється тим, що не включає мейоз і запліднення. Понад те, батьківський організм виробляє потомство навіть за відсутності пари. Нащадки, швидше за все, будуть клоном батьківського організму.

Асексуальне та статеве розмноження у грибів

Деякі гриби здатні розмножуватися як статевим, і безстатевим шляхом. Гриби розмножуються за допомогою спор, які вони випускають у навколишнє середовище. Зі суперечки виростає новий гриб.

Гриб Coprinus cinereus може викликати суперечки шляхом статевого розмноження, що допомагає створювати варіації виду. Такий спосіб розмноження вигідний при зміні навколишнього середовища, оскільки зміни, що вносяться, призводять до збільшення ймовірності появи більш адаптованого варіанту.

Coprinuscinereus також виробляє суперечки шляхом безстатевого розмноження. Ці суперечки можуть проводитися швидко та у великій кількості, що дозволяє розвиватися багатьом окремим грибам. Недоліком цих суперечок є те, що вони виробляють потомство, яке навряд чи буде стійким до несприятливих умов, оскільки всі вони генетично ідентичні.

Типи статевого розмноження

Два основних типи статевого розмноження – це сингамія та кон'югація.

1. Сінгамія означає злиття гаплоїдних статевих клітин, у результаті якого утворюється диплоїдна зигота. Таким чином, по суті, сингамія відноситься до запліднення. Це найпоширеніший тип розмноження у багатоклітинних статевих популяціях, включаючи людину.
2. Кон'югація відрізняється від сингамії тим, що два організми поєднуються в тимчасовому злитті (наприклад, за допомогою цитоплазматичного містка) для обміну мікроядерним матеріалом. Це можна спостерігати серед одноклітинних організмів, таких як бактерії, найпростіші та одноклітинні гриби. У той час як сингамія – це постійне злиття двох клітин, кон'югація – це тимчасове злиття двох клітин.

Статеве розмноження у одноклітинних організмів

У одноклітинних організмів, як-от бактерії, статеве розмноження відбувається шляхом кон'югації. Це коли дві бактеріальні клітини з'єднуються одна з одною на якийсь час, щоб передати генетичний матеріал через плазміду клітини-донора клітині-реципієнту. Плазміда може бути одиночною, або частиною хромосоми.

Бактеріальна кон'югація необхідна бактеріям. Саме завдяки їй вони можуть придбати ген, корисний для їхнього виживання. Наприклад, набутий ген є новою характеристикою, яка дозволяє клітині-реципієнту «процвітати» у досить шкідливих умовах. Або це може бути ген, що дозволяє реципієнту використовувати новий метаболіт. Саме через цей процес стійкість до антибіотиків може передаватися від однієї бактеріальної клітини до іншої.

У найпростіших тварин кон'югація - це процес, при якому два найпростіші, наприклад, циліати, з'єднуються в тимчасовому злитті для обміну мікроядерним матеріалом, а потім розходяться.Те саме в основному відбувається і в інших одноклітинних організмах.

Що стосується вірусів, то вони здатні до статевого розмноження, оскільки були отримані докази генетичної рекомбінації між різними окремими вірусами. , оскаржується і по сьогодні, оскільки деякі навіть не вважають віруси формою життя.

Сингамія у багатоклітинних організмів

У багатоклітинних організмів типом статевого розмноження є сингамія.Зазвичай цей процес складається з двох етапів.

1. Перший етап - це плазмогамія. Вона пов'язана з об'єднанням цитоплазми двох гамет.
2. Другий етап, каріогамія, пов'язаний з об'єднанням ядер двох гамет. У результаті цього об'єднання утворюється одна клітина з двома наборами хромосом. , кожна з яких має два набори хромосом.

Існує безліч способів класифікації сингамії.

Сингамія у рослин

Життєвий цикл рослин і двох поколінь — гаметофіту і спорофита.

Покоління гаметофіту — це статева фаза життєвого циклу рослин.Статеві органи, у свою чергу, виробляють гамети, які згодом беруть участь у заплідненні. В результаті з'єднання чоловічих та жіночих гамет утворюється диплоїдна зигота, яка згодом розвивається в спорофіт.

Покоління спорофіта - Це фаза життєвого циклу рослини, яка починається з зиготи і закінчується виробництвом суперечка. Спорофіт виробляє суперечки у спорангії за допомогою мейозу. У трахеофітів (судинних рослин) спорофіт є домінуючою формою рослини та знаходиться у багатоклітинній формі. Навпаки, у бріофітів (таких, як мохи та печіночники), домінуючою формою є гаметофіт.

Статевий орган рослини - квітка. Рослина, що має як чоловічі, так і жіночі репродуктивні органи, називається однодомною. І навпаки, рослина, що має лише один тип репродуктивного органу, називається дводомною.

1. У квіткових рослин жіночий репродуктивний орган — маточка, а чоловічий репродуктивний орган — пильовик.
2. Товкач містить зав'язь, яка, у свою чергу, містить яйцеклітини.
3. Усередині яйцеклітин знаходяться яйцеві клітини.
4. Пильовик несе пилкові зерна.
5. Усередині пилкових зерен знаходяться сперматозоїди.

Подвійне запліднення квіткових рослин. Схема:

Сперматозоїди в пилку повинні потрапити до яйцеклітини, і цьому сприяє запилення. Існує два типи запилення: самозапилення та перехресне запилення.

1. Самозапилення відбувається особливо в одностатевих квітках, оскільки чоловічі та жіночі органи присутні в одній квітці.
2. При перехресному запиленні пилок переноситься з чоловічої квітки на жіночу. Перенесення може здійснюватись вітром або комахами.

Виходячи із способу запилення, типи статевого розмноження у рослин - автогамія (самоопліднення) та аллогамія (перехресне запліднення).Аллогамія є найпоширенішим типом розмноження серед вищих рослин.

1. Для запилення пилок прилипає до приймочка маточка і проростає по трубці через приймочка маточка, щоб досягти приймочка, що містить яйцеклітину.
2. Запліднення відбувається, коли сперматозоїд запліднює яйцеклітину, а інший сперматозоїд запліднює ядра ендосперму.
3. Таким чином, зигота буде диплоїдною, а ендосперм — триплоїдним від сполуки сперматозоїда та двох жіночих клітин. Зигота розвивається в ембріон, а ендосперм - в живильну тканину, що оточує ембріон усередині насіння.

Сингамія у тварин

Більшість тварин розмножуються статевим шляхом. Оскільки пошук пари є необхідною умовою такого розмноження, більшість тварин демонструють статевий диморфізм, статевий відбір та ритуали залицяння. Під статевим диморфізмом розуміється наявність двох форм різних статей, коли самець відрізняється морфологічно від самки одного виду.

Наприклад, самці птахів мають барвисте оперення порівняно з оперенням самок. Самки птахів вибирають собі пару, ґрунтуючись на бажаних якостях. Вибір партнера та ритуали залицяння існують і в інших тварин, включаючи людину.

Людська сингамія

Розмноження у людини відбувається виключно статевим шляхом. Цей процес включає догляд і вибір партнера, копуляцію, вагітність, пологи і допологовий догляд. Партнер вибирає потенційну пару, керуючись здебільшого якостями, що забезпечують отримання потомства.

Пара входить у статевий акт, щоб відбулося внутрішнє запліднення. Сперма, що містить сперматозоїди, виділяється чоловіком у репродуктивний орган жінки. Тільки один сперматозоїд здатний запліднити життєздатну яйцеклітину, що утворюється відразу ж у результаті мейозу.Гаплоїдні статеві клітини утворюють диплоїдну зиготу, яка потім піддається мітозу і перетворюється на ембріон.

Потім у ембріона розвиваються органи, і він стає плодом усередині жіночої утроби. Зародок отримує поживні речовини всередині материнської утроби через пуповину. Після закінчення терміну вагітності (зазвичай близько 266 днів) жінка народжує, виштовхуючи плід із родового каналу. Народжена дитина отримує харчування шляхом лактації. Післяпологовий догляд триває до того часу, поки дитина стане самостійним.

Переваги статевого розмноження

Однією з основних переваг статевого розмноження є збереження хромосомного числа виду різних поколіннях. Людина, наприклад, 46 хромосом. Половина їх дістається від батька, іншу половину — від матері. Перед об'єднанням сперматозоїда та яйцеклітини гамети піддаються мейозу, в результаті якого утворюються гаплоїдні гамети.

Через гаплоїдності при об'єднанні гамет число хромосом залишається однаковим всім соматичних клітин. Сперматозоїд містить 23 хромосоми, і яйцеклітина також має 23 хромосоми. Коли вони з'єднуються при заплідненні, зигота, що розвивається у нову особину, матиме однакову загальну кількість хромосом — 46.

Ще однією переважною властивістю статевого розмноження є велика генетична варіативність. Під час мейозу відбувається генетична рекомбінація та обмін генами між гомологічними хромосомами. Це гарантує, що новостворена зигота, хоч і містить початкове число хромосом, матиме геном, який генетично відрізняється від геному одного з батьків, а не є його клоном.

Це покращує генофонд, оскільки підвищує ймовірність придбання якостей, які краще пристосовані до виживання та природного відбору. Через необхідність набувати якостей, які перевершують інші, щоб пройти відбір або отримати пару для статевого розмноження, види в кінцевому підсумку еволюціонують.

Переваги статевого розмноження:

• створює генетичні відмінності у потомстві, що має значення для виживання виду;
• види можуть адаптуватися до нових умов середовища завдяки варіаціям, що дає перевагу у виживанні;
• хвороба з меншою ймовірністю вразить всіх особин у популяції.

Недоліки статевого розмноження:

• потрібен час та енергія для пошуку пари;
• ізольована особина не може розмножуватися.

Більшість тварин розмножуються статевим шляхом, наприклад, кролі. Процес статевого розмноження вносить різноманітність у вигляд, оскільки алелі, які несуть мати та батько, поєднуються в потомстві. Недоліком є ​​те, що статеве розмноження займає більше часу, ніж безстатеве. Необхідно знайти пару, запліднити яйцеклітину сперматозоїдом, а потім вивести потомство.

Однак перевага внесення генетичних варіацій у вигляд переважує цей недолік. Якщо популяцію кроликів вразить хвороба, то, можливо, не всі кролики будуть уражені через варіативність популяції. Це означає, що деякі особини виживуть і зможуть розмножуватися та виробляти більше потомства.