Однополые организмы. Что такое партеногенез? Определение, классификация и особенности
Наверняка каждый из вас знает историю, описанную в Священном писании. Мария, будучи избранницей божьей, явила на свет непорочно зачатое дитя. Случилось ли это на самом деле или было лишь результатом буйной фантазии авторов тех времен, сегодня сложно сказать. Но да будет вам известно, непорочное зачатие в нашем мире - дело вполне обычное. Что такое партеногенез и какова его суть?
Удивительный мир
Пожалуй, к одному из самых больших таинств нашего мироздания можно отнести именно зарождение жизни. Откуда она взялась и кто является творцом всего и вся - тайна за семью печатями. Но кем бы ни был наш создатель, он отлично позаботился о том, чтобы жизнь на голубой планете никогда не иссякла. Различные формы ее, населяющие Землю, способны воспроизводить себе подобных самыми разнообразными, порою очень неожиданными способами.
Партеногенез
Что такое партеногенез? Это способность самки давать жизнь новому поколению без участия полового партнера - самца. Это не значит, что мужские особи не нужны вовсе, они, конечно же, важны. Партеногенез не является методом бесполого размножения, как у некоторых растений (почкование, к примеру). Но если случится так, что женская особь по какой-то причине не смогла найти партнера для спаривания и оплодотворение яйцеклетки не произошло, она все же сможет произвести полноценное потомство на свет без его участия. Такая способность обеспечивает виду очень хорошую выживаемость. Когда численность падает, самки в течение короткого времени могут восполнить популяцию и продолжить род. Вот в чем состоит сущность партеногенеза.
Еще одна важная особенность такого размножения - регуляция соотношения количества самок и самцов. Так, к примеру, у пчел из неоплодотворенных яиц появляются трутни (самцы), а из оплодотворенных - рабочие особи, которые все являются женскими.
Виды партеногенеза
Что такое партеногенез и как он может протекать у тех или иных животных? У некоторых видов он считается основным методом размножения (облигатный). Для других форм он является циклическим, то есть периодически потомство появляется из неоплодотворенных яйцеклеток, но чаще при участии самца. Факультативный, или экстренный способ размножения обеспечивает виду выживаемость в самых сложных жизненных условиях, вот в чем состоит сущность партеногенеза для них. Эти случаи является, скорее, исключением, ведь обычно такие животные придерживаются двуполого размножения.
Партеногенез у животных
Что такое партеногенез? Это процесс, при котором родительская яйцеклетка, будучи неоплодотворенной, начинает развиваться, чтобы впоследствии превратиться во взрослое полноценное живое существо. Партеногенез может существенно различаться у разных видов. Так, к примеру, размножение путем партеногенеза пчел существенно отличается от размножения других насекомых, скажем, муравьев.
Знания о том, что такое партеногенез и как он происходит, значительно повлияли на развитие науки и дали толчок к появлению некоторых направлений в индустрии. Так, ученым стало известно, что у тутового шелкопряда партеногенез запускается после воздействия определенных температур. Это значительно ускорило процесс разведения этих насекомых.
В чем сущность партеногенеза, хорошо известно пчеловодам и производителям шелка, многие беспозвоночные используют именно такой способ. часто практикуют некоторые виды ящериц, рыб, процесс хорошо знаком представителям растительного мира, есть даже партеногенетические индейки.
Представители науки трудятся над изучением этой особенности, не покладая рук. Было предпринято множество попыток запустить у теплокровных животных партеногенез. Примеры привести, к сожалению, невозможно, так как у некоторых рост клеток и развитие эмбрионов происходили, но до конечной стадии дело так и не дошло. Со стороны медицины интерес также вызван немалый. Был проведен опрос, после которого стало известно, что большинство супружеских пар, которые не могут завести малыша, с радостью решились бы на такое непорочное зачатие. Кто знает, быть может, со временем завеса тайны будет приоткрыта. И чудо станет явью - партеногенез сможет дать жизнь и человеческому малышу.
Материал из Юнциклопедии
Партеногенез (от греческих слов parthenos - девственница и genesis - происхождение) - развитие организма из одной только яйцеклетки без оплодотворения. Существуют различные формы партеногенеза у животных и растений.
В XVIII в. швейцарский ученый Ш. Бонне описал удивительное явление: всем хорошо известные тли летом обычно представлены только бескрылыми самками, рождающими живых детенышей. Лишь осенью среди тлей появляются самцы. Из оплодотворенных яиц, перенесших зиму, выходят крылатые самки. Они разлетаются по кормовым растениям и основывают новые колонии бескрылых партеногенетических самок. Похожий цикл развития был описан у многих насекомых, а также у мелких рачков - дафний и микроскопических водных животных - коловраток. У некоторых видов коловраток и насекомых вообще не найдено самцов - половой процесс у них выпал полностью, все они представлены партеногенети-ческими самками.
У растений партеногенез был открыт позже - сначала у известного австралийского растения альхорнеи. Это двудомное растение: на одних экземплярах развиваются цветки с тычинками, на других - с пестиками. В Ботаническом саду Кью близ Лондона росли только женские растения с пестичными цветками. К удивлению ботаников, в 1839 г. они вдруг принесли обильный урожай семян. Оказалось, что у растений партеногенез встречается еще чаще, чем у животных. У растений он называется апомиксисом. Многие представители сложноцветных и злаковых, розоцветных, крестоцветных и других семейств (например, многие сорта малины, обыкновенные одуванчики) - апомиктические.
Различают партеногенез соматический и генеративный. В первом случае яйцеклетка развивается из диплоидной клетки организма, с двойным набором хромосом, во втором - из клеток, прошедших мейоз, т. е. с уменьшенным вдвое числом хромосом. Генеративный партеногенез часто встречается у насекомых: трутни пчел, например, развиваются из не-оплодотворенных яиц. Иногда число хромосом при развитии зародыша удваивается.
Своеобразные формы партеногенеза - гиногенез и андрогенез. При гиногенезе яйцеклетка стимулируется к развитию сперматозоидом мужской особи, пусть даже другого вида. Потом сперматозоид бесследно рассасывается в цитоплазме яйцеклетки, которая начинает развитие. В результате появляются однополые популяции, состоящие из одних самок. Гиногенез описан у мелкой тропической рыбки моллиенезии, нашего серебряного карася (икра его развивается при стимуляции спермой карпа, гольяна и других одновременно нерестящихся рыб, в этом случае при дроблении зиготы отцовская ДНК разрушается, не оказывая влияния на признаки потомства), а также у некоторых саламандр. Его можно вызвать искусственно, воздействуя на зрелые икринки спермой, убитой рентгеновским облучением. В потомстве, естественно, получаются точные генетические копии самок.
При андрогенезе, наоборот, ядро яйцеклетки не развивается. Развитие организма идет за счет двух слившихся ядер сперматозоидов, попавших в нее (естественно, в потомстве получаются только одни самцы). Советский ученый Б. Л. Астауров получил андрогенетических самцов тутового шелкопряда, оплодотворив спермой нормального самца яйцеклетки, ядра в которых были убиты облучением или высокой температурой. Совместно с В. А. Струнниковым он разработал методы искусственного получения андрогенетического потомства у тутового шелкопряда, что имеет большое практическое значение, так как гусеницы-самцы дают при образовании коконов больше шелка, чем самки.
Партеногенез чаще встречается у низших животных. У более высокоорганизованных его иногда удается вызвать искусственно, воздействием каких-либо факторов на неоплодотворенные яйцеклетки. Впервые его вызвал в 1885 г. русский зоолог А. А. Тихомиров у тутового шелкопряда.
Все же у высших животных партеногенети-ческое развитие чаще всего не идет до конца и развивающийся зародыш в конце концов погибает. Но некоторые виды и породы позвоночных более способны к партеногенезу. Например, известны партеногенетические виды ящериц. В последнее время была выведена порода индеек, неоплодотворенные яйца которых с высокой вероятностью проходят развитие до конца. Любопытно, что при этом потомство получается мужского пола (обычно при партеногенезе получаются самки). Загадка разгадывается легко: если, например, у человека и дрозофилы набор половых хромосом у женского пола XX (две хромосомы X), а у мужского XY (хромосомы X и Y), у птиц наоборот - самец имеет две одинаковые хромосомы ZZ, а у самки хромосомы разные (WZ). Половина неоплодотворенных яиц имеет одну хромосому W, половина - Z (см. Мейоз). В развивающейся партеногенетичес-кой яйцеклетке число хромосом удваивается. Но комбинация W W нежизнеспособна, и такие зародыши гибнут, а комбинация ZZ дает вполне нормального индюка.
Особую форму полового размножения представляет собой партеногенез , т. е. развитие организма из неоплодотворенных яйцевых клеток. Эта форма размножения была обнаружена в середине XVIII в. натуралистом Ш. Бонне. В настоящее время известен не только естественный , но и искусственный партеногенез.
Естественный партеногенез существует у ряда растений, червей, насекомых. Естественный партеногенез может быть:
- факультативным;
- облигатным;
- циклическим.
У некоторых животных любое яйцо способно развиваться как без оплодотворения, так и после него. Это так называемый факультативный партеногенез . Он встречается у пчел и муравьев, у которых из оплодотворенных яиц развиваются самки, а из неоплодотворенных - самцы. У этих животных партеногенез возникает как приспособление для регулирования соотношения полов.
При облигатном (обязательном) партеногенезе яйца развиваются без оплодотворения. Этот вид партеногенеза известен, например, у кавказской скальной ящерицы.
У многих видов партеногенез носит циклический характер . У тлей и дафний в летнее время существуют лишь самки, размножающиеся партеногенетически, а осенью партеногенез сменяется размножением с оплодотворением. Облигатный и циклический партеногенез исторически развивается у тех видов животных, которые погибали в большом количестве или у которых была затруднена встреча особей разного пола.
Установлено существование партеногенеза у птиц. У одной из пород индеек многие яйца развиваются партеногенетически; из них появляются только самцы.
В ядрах соматических клеток особей, развивающихся из неоплодотворенных яиц, в ряде случаев имеется гаплоидный набор хромосом , а в других - диплоидный . Восстановление диплоидного набора хромосом достигается различными способами. Иногда одно из редукционных телец возвращается в яйцо или даже не выделяется, а его ядро сливается с ядром яйца; это имеет место у пресноводного рачка артемии. Иногда при овогенезе не происходит второго мейотического деления, в результате чего восстанавливается диплоидный набор хромосом (тли, дафнии).
Искусственный -вызывается экспериментально действием разных раздражителей на неоплодотворённую яйцеклетку, в норме нуждающуюся в оплодотворении. Искусственный партеногенез был обнаружен в 1886 г. А.А. Тихомировым. Этот исследователь добился развития неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда, раздражая их тонкой кисточкой или обрабатывая в течение нескольких секунд концентрированной серной кислотой. В конце XIX и начале XX в. многочисленными исследователями была показана возможность искусственного партеногенеза у иглокожих, червей, моллюсков и других животных.
Тот факт, что дробление яйца начинается только после его оплодотворения, получил объяснение благодаря опытам с искусственным партеногенезом, которые показали, что для развития яйца необходима активация . Она является следствием тех сдвигов в обмене веществ, которые сопутствуют оплодотворению. В естественных условиях этот сдвиги происходят после проникновения сперматозоида в яйцеклетку, но в эксперименте могут быть вызваны разнообразными воздействиями - химическими, механическими и т. д. Все они, как и проникновение сперматозоида, влекут за собой обратимые повреждения протоплазмы яйца, что изменяет метаболизм и оказывает активирующее воздействие.
Оказалось, что сравнительно легко поддаются активации яйца млекопитающих. Извлеченные из тела неоплодотворенные яйцеклетки кролика были активированы воздействием пониженной температуры. После пересадки в матку другой крольчихи они развивались в нормальных крольчат.
Партеногенез еще называют девственным размножением, данный процесс характерен для видов, у которых короткий жизненным цикл сопровождается выраженными сезонными изменениями.
Андрогенез и гиногенез
В процессе адрогенеза женская половая клетка не принимает участие в развитии нового организма, который появляется в результате слияния двух ядер мужских половых клеток - сперматозоидов. В этом случае в потомстве присутствуют только самцы. В природе андрогенез встречается у перепончатокрылых насекомых.
При гиногенезе ядро сперматозоида не сливается с ядром яйцеклетки, оно может только стимулировать ее развитие, происходит так называемое ложное оплодотворение. Данный процесс свойственен , костистым рыбам и круглым червям, при этом потомство состоит только из самок.
Гаплоидный и диплоидный партеногенез
При гаплоидном партеногенезе организм развивается из гаплоидной яйцеклетки, при этом особи могут быть женскими, мужскими или и теми и другими, все зависит от хромосомного определения пола у данного вида. У муравьев, пчел и ос в результате партеногенеза самцы появляются из неоплодотворенных яиц, а самки из оплодотворенных. Благодаря этому организмы разделяются на касты, процесс позволяет регулировать численность потомков определенного типа.
У некоторых ящериц, тлей и коловраток наблюдается диплоидный партеногенез, его еще называют соматическим. При этом у самок образуются диплоидные яйцеклетки. Данный процесс позволяет поддерживать численность особей, если встреча особей разного пола затруднена.
Естественный и искусственный партеногенез
Партеногенез носит циклический характер у коловраток, тлей и дафний. В летнее время существуют только самки, они развиваются партеногенетически, а осенью размножение проходит с оплодотворением.
Партеногенез может быть вызван искусственно, например, раздражением поверхности яиц тутового шелкопряда, нагреванием или воздействием различных кислот, можно добиться дробления яйца без оплодотворения. Партеногенетически удалось получить взрослых кроликов и лягушек.
У животных чаще встречается раздельнополость, т. е. наличие мужских и женских особей (самцов) и (самок), которые нередко различаются по размерам и внешнему виду (половой диморфизм ).
Половые клетки образуются в специальных органах - половых железах. Мелкие, снабженные жгутиком, подвижные сперматозоиды формируются в семенниках , а крупные неподвижные яйцеклетки (яйца ) - в яичниках .
Процесс оплодотворения у многоклеточных организмов, как и у одноклеточных, заключается в слиянии мужских и женских гамет. Как правило, затем сразу же происходит и слияние их ядер с образованием диплоидной зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) (рис.1).
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая механизм сохраниения диплоидного набора хромосом при половом размножении
Сформировавшаяся зигота объединяет в своем ядре гаплоидные наборы хромосом родительских организмов. У развивающегося из зиготы дочернего организма происходит комбинирование наследственных признаков обоих родителей.
У многоклеточных организмов различают наружное оплодотворение (при слиянии гамет вне организма) и внутреннее оплодотворение , происходящее внутри родительского организма. Наружное может осуществляться только в водной среде, поэтому оно наиболее широко встречается у водных организмов (водорослей, кишечнополостных, рыб). Наземным организмам чаще свойственно внутреннее оплодотворение (высшие семенные растения, насекомые, высшие позвоночные животные).
Нетипичное половое размножение
Речь пойдет о партеногенезе, гиногенезе, андрогенезе, полиэмбрионии, двойном оплодотворении у покрытосеменных растений.
Партеногенез (девственное размножение)
Открыт в середине XVIII в. швейцарским натуралистом Ш. Бонне. Партеногенез встречается у растений и животных. При нем развитие дочернего организма осуществляется из неоплодотворенной яйцеклетки. Причем образующиеся дочерние особи, как правило, либо мужского пола (трутни у пчел), либо женского (у кавказских скальных ящериц), кроме того, могут рождаться потомки обоих полов (тли, дафнии). Количество хромосом у партеногенетических организмов может быть гаплоидным (самцы пчел) или диплоидным (тли, дафнии).
Значение партеногенеза:
1) размножение возможно при редких контактах разнополых особей;
2) резко возрастает численность популяции, так как потомство, как правило, многочисленно;
3) встречается в популяциях с высокой смертностью в течение одного сезона.
Виды партеногенеза:
1) облигатный (обязательный) партеногенез. Встречается в популяциях, состоящих исключительно из особей женского пола (у кавказской скалистой ящерицы). При этом вероятность встречи разнополых особей минимальна (скалы разделены глубокими ущельями). Без партеногенеза вся популяция оказалась бы на грани вымирания;
2) циклический (сезонный) партеногенез (у тлей, дафний, коловраток). Встречается в популяциях, которые исторически вымирали в больших количествах в определенное время года. У этих видов партеногенез сочетается с половым размножением. При этом в летнее время существуют только самки, которые откладывают два вида яиц - крупные и мелкие. Из крупных яиц партеногенетически появляются самки, а из мелких - самцы, которые оплодотворяют яйца, лежащие зимой на дне. Из них появляются исключительно самки; факультативный (необязательный) партеногенез. Встречается у общественных насекомых (ос, пчел, муравьев). В популяции пчел из оплодотворенных яиц выходят самки (рабочие пчелы и царицы), из неоплодотворенных - самцы (трутни).
У этих видов партеногенез существует для регулирования численного соотношения полов в популяции.
Выделяют также естественный (существует в естественных популяциях) и искусственный (используется человеком) партеногенез. Этот вид партеногенеза исследовал В. Н. Тихомиров. Он добился развития неоплодотворенных яиц тутового шелкопряда, раздражая их тонкой кисточкой или погружая на несколько секунд в серную кислоту (известно, что шелковую нить дают только самки).
Гиногенез (у костистых рыб и некоторых земноводных). Сперматозоид проникает в яйцеклетку и лишь стимулирует ее развитие. Ядро сперматозоида при этом с ядром яйцеклетки не сливается и погибает, а источником наследственного материала для развития потомка служит ДНК ядра яйцеклетки.
Андрогенез. В развитии зародыша участвует мужское ядро, привнесенное в яйцеклетку, а ядро яйцеклетки при этом гибнет. Яйцеклетка дает лишь питательные вещества своей цитоплазмы.
Полиэмбриония. Зигота (эмбрион) делится на несколько частей бесполым способом, каждая из которых развивается в самостоятельный организм. Встречается у насекомых (наездников), броненосцев. У броненосцев клеточный материал первоначально одного зародыша на стадии бластулы равномерно разделяется между 4-8 зародышами, каждый из которых в дальнейшем дает полноценную особь.
