Размножение — свойство организмов оставлять себе подобных; оно обеспечивает длительное существование вида. На экзамене часто спрашивают сравнение бесполого и полового размножения, гаметогенез, двойное оплодотворение, стадии эмбрионального развития и производные зародышевых листков. Разберём всё это с примерами-расчётами.
§1. Бесполое размножение
При бесполом размножении участвует одна родительская особь, гаметы не образуются, новый организм развивается на основе митоза. Потомки генетически идентичны материнскому организму (клон).
Деление — у одноклеточных: амёба, инфузория-туфелька, бактерии (деление надвое).
Спорами — грибы, мхи, папоротники, многие водоросли.
Почкование — гидра, дрожжи.
Фрагментация — восстановление из частей тела (плоские черви, нитчатые водоросли).
Бесполое размножение быстрое и эффективное, но не даёт генетического разнообразия — при изменении условий потомство может оказаться неприспособленным.
§2. Половое размножение и гаметогенез
При половом размножении сливаются две гаметы и образуется зигота. Потомок получает гены родителей в новом сочетании — это источник комбинативной изменчивости, важной для эволюции.
Гаметогенез — образование половых клеток, включает четыре периода:
Период размножения — первичные половые клетки многократно делятся митозом (2n).
Период роста — клетка увеличивается, количество ДНК удваивается; образуется сперматоцит или ооцит первого порядка.
Период созревания — мейоз: два последовательных деления, число хромосом уменьшается вдвое (2n → n).
Период формирования — только при сперматогенезе: сперматозоид образует хвост и акросому.
Сперматогенез: 1 сперматоцит первого порядка → 4 сперматозоида.
Оогенез: 1 ооцит первого порядка → 1 яйцеклетка + 3 направительных (редукционных) тельца.
Оплодотворение — слияние ядер гамет, n + n = 2n. Наружное оплодотворение происходит в воде (большинство рыб, земноводные), внутреннее — у пресмыкающихся, птиц, млекопитающих.
Двойное оплодотворение у покрытосеменных (С. Г. Навашин, 1898 год):
первый спермий + яйцеклетка → зигота (2n) → зародыш;
Партеногенез — развитие из неоплодотворённой яйцеклетки (трутни медоносной пчелы, тли, дафнии). Это форма полового размножения, так как развитие начинается с гаметы. Гермафродиты (дождевой червь) имеют оба типа половых желёз, но обычно оплодотворяются перекрёстно.
Пример
У самца в мейоз вступили 50 сперматоцитов первого порядка, у самки — 50 ооцитов первого порядка. Сколько образуется сперматозоидов, яйцеклеток и направительных телец?
Из каждого сперматоцита — 4 сперматозоида: 50 × 4 = 200.
В клетке листа растения 24 хромосомы. Сколько хромосом в его яйцеклетке, зиготе и эндосперме?
2n = 24, значит n = 12.
Яйцеклетка — n = 12; зигота — 2n = 24.
Эндосперм — 3n = 36.
Ответ: 12, 24, 36.
§3. Эмбриональное развитие
Онтогенез — индивидуальное развитие организма от зиготы до смерти; делится на эмбриональный и постэмбриональный периоды.
Стадии эмбрионального периода:
Дробление — быстрые митотические деления зиготы; образующиеся клетки (бластомеры) не растут, поэтому общий объём зародыша почти не меняется.
Бластула — однослойный пузырёк с полостью внутри (бластоцель).
Гаструла — двухслойный зародыш: наружная эктодерма и внутренняя энтодерма; появляется первичный рот (бластопор). У большинства животных затем образуется третий листок — мезодерма.
Нейрула — из эктодермы образуется нервная пластинка, затем нервная трубка; формируется хорда.
Неполное превращение: яйцо → личинка → взрослое, стадии куколки нет (кузнечики, стрекозы, клопы).
У лягушки: икра → головастик (дышит жабрами, имеет хвост) → лягушка.
У человека оплодотворение обычно происходит в маточной трубе; зародыш внедряется в стенку матки (имплантация). Плод получает питательные вещества и кислород из крови матери через плаценту и пуповину, но кровь матери и плода напрямую не смешивается. Беременность длится около 9 месяцев. Алкоголь, никотин, наркотики и многие лекарства проникают через плаценту и серьёзно вредят развитию плода.
§5. Чередование поколений у растений
В жизненном цикле высших растений чередуются два поколения: спорофит (2n, образует споры) и гаметофит (n, образует гаметы). Споры образуются на спорофите путём мейоза, поэтому они гаплоидны; гаметы же на гаметофите образуются митозом — гаметофит уже гаплоиден.
У мхов (например, кукушкин лён) зелёное растение — это гаметофит; растущая на нём коробочка (спорогон) — спорофит, который питается за счёт гаметофита.
У папоротников крупное листостебельное растение — спорофит; из споры вырастает маленький сердцевидный заросток — это гаметофит. Сперматозоиды достигают яйцеклетки по капле воды.
У покрытосеменных гаметофит сильно редуцирован и развивается внутри спорофита. Из микроспоры в пыльнике образуется пыльцевое зерно: в нём вегетативная клетка (образует пыльцевую трубку) и генеративная клетка (митозом даёт два спермия). Из одной мегаспоры в семязачатке в результате трёх последовательных митозов образуется зародышевый мешок — женский гаметофит из 7 клеток с 8 ядрами.
У растений гаметы образуются не мейозом, а митозом на гаметофите; у животных гаметы — непосредственный результат мейоза.
Сравнение полового и бесполого размножения: бесполое позволяет быстро размножаться в стабильных условиях, половое — приспосабливаться к меняющимся. Поэтому многие организмы (гидра, тля, грибы, многие растения) чередуют оба способа.
Пример
В клетке листа папоротника 2n = 60 хромосом. Сколько хромосом в его споре, заростке, сперматозоиде и зиготе?
Листостебельное растение — спорофит, 2n = 60, значит n = 30.
Спора образуется мейозом → n = 30.
Заросток вырастает из споры митозом → n = 30; сперматозоид образуется на заростке митозом → n = 30.
Зигота — слияние сперматозоида и яйцеклетки → 2n = 60.