Pohlavné rozmnožovanie jednobunkovcov: Rozmanitosť a evolučné výhody
Rozmnožovanie je základnou vlastnosťou všetkých živých organizmov, ktorá zabezpečuje pokračovanie druhu. U jednobunkových organizmov, ako sú prvoky, kvasinky či niektoré riasy, sú mechanizmy rozmnožovania mimoriadne rozmanité. Hoci sa často rozmnožujú nepohlavne, jednoduchým delením, mnohé z nich majú vyvinuté aj formy pohlavného rozmnožovania, ktoré im prinášajú významné evolučné výhody, najmä v meniacich sa podmienkach prostredia.
Základy pohlavného rozmnožovania
Pohlavné rozmnožovanie (iné názvy: pohlavné množenie, sexuálne rozmnožovanie/množenie, generatívne rozmnožovanie/množenie, sexuálna reprodukcia, generatívna reprodukcia, amfigónia) je proces, pri ktorom vzniká dcérsky organizmus nesúci kombináciu genetického materiálu dvoch rodičovských organizmov. Dcérsky organizmus má zvyčajne novú, unikátnu genetickú výbavu, ktorá nie je úplne totožná s genetickou výbavou rodičov. V širšom zmysle zahŕňa termín pohlavné rozmnožovanie každý typ rozmnožovania, pri ktorom sa nový jedinec vyvíja z gamét (teda nie zo somatických buniek), a to aj v prípadoch, že nedošlo k oplodneniu.
Gaméty a meióza
V prípade najbežnejšieho typu pohlavného rozmnožovania, eugamie, je nevyhnutné splynutie dvoch špecializovaných buniek - gamét. Ich splynutím vzniká zygota, oplodnené vajíčko, ktoré sa ďalej mitoticky delí a stáva sa z neho embryo. Gaméty zvyčajne nesú polovičnú (haploidnú) sadu chromozómov. Splynutím dvoch gamét vzniká opäť úplný (diploidný) chromozómový súbor. Keďže pri bežnom delení buniek je väčšinou genetická výbava materských a dcérskych buniek rovnaká, pohlavné bunky vznikajú iným spôsobom ako telové (somatické) bunky, a to redukčným delením - meiózou.
Meióza je zvláštnym typom delenia, pri ktorej namiesto dvoch dcérskych buniek vznikajú až štyri dcérske bunky, ale každá len s haploidným počtom chromozómov. Meióza je základným spôsobom vzniku pohlavných buniek. Len výnimočne dochádza k opačnej taktike - splývajúce bunky majú diploidné súbory chromozómov a nakrátko vznikne tetraploidný jedinec, z ktorého vznikne redukčným delením haploidné potomstvo.
Prehľad bunkového delenia
Genetický materiál a chromozómy
Vlastnosti každého živého organizmu sú určené jeho deoxyribonukleovou kyselinou - DNA. Najväčšia časť DNA je u eukaryotických organizmov obalená jadrovou membránou. Určité úseky DNA sa nazývajú gény (alebo tzv. kódujúce úseky). DNA v jadre eukaryotov nie je tvorená jedinou spojenou molekulou (tak je tomu u prokaryotov), ale je rozdelená do samostatných, rôzne dlhých úsekov. Tieto úseky sú v spojení s bielkovinami formované do hmoty, ktorá sa nazýva chromatín. V čase delenia bunky sa chromatín mení na zreteľne odlíšiteľné útvary - chromozómy.
Pohlavné rozmnožovanie primárne vzniklo preto, aby bolo organizmom umožnené tvoriť potomstvo s unikátnou genetickou výbavou. To je možné dosiahnuť buď výmenou génov medzi dvoma organizmami, alebo (a to je častejší prípad) spojením buniek dvoch organizmov, z ktorých každý nesie svoje gény. Počet génov, ktoré, pokiaľ sú všetky funkčné, pokrývajú všetky životné funkcie organizmov, sa nazýva haploidný počet.
Haploidný počet je minimálny počet génov, ktoré môže živý organizmus vo svojich bunkách obsahovať. Väčšina eukaryotických organizmov je však diploidných, čo znamená, že skrývajú vo svojich jadrách dva chromozómové súbory. Je možné mať v jadre viac ako dva chromozómové súbory, vtedy hovoríme o polyploidii.
Typy pohlavného rozmnožovania u jednobunkovcov
Prvoky sú jednobunkové organizmy a takmer celý život prežívajú buď v haploidnom, alebo v diploidnom stave. Netvoria pohlavné bunky v pravom zmysle slova, ale ich rozmnožovanie je veľmi pestré a môže prebiehať troma hlavnými spôsobmi:
1. Gametogamia
Pri gametogamii organizmus (gamont) vytvára špecializované pohlavné bunky - gaméty, ktoré sa uvoľnia a splývajú s nezávislými gamétami iných jedincov. Podľa vzhľadu spájajúcich sa buniek rozlišujeme:
- Izogamia: Splynutie dvoch tvarovo a veľkostne úplne rovnakých pohlavných buniek. V prípade izogamie sú gaméty rovnakej veľkosti a tvaru.
- Anizogamia: Splynutie morfologicky odlišných buniek, zväčša menšej mikrogaméty a väčšej makrogaméty. Ako samica sa označuje ten jedinec, ktorý tvorí väčšie pohlavné bunky a spravidla v menšom počte.
2. Gamontogamia (konjugácia)
Gamontogamia sa od gametogamie odlišuje tým, že sa pri nej spájajú priamo celé dospelé jedince (gamonty), alebo aspoň ich väčšia časť, a až následne dochádza k výmene gamét alebo jadier. Typickým príkladom tohto procesu je konjugácia u nálevníkov (napr. črievičky).
Riasničkavce, známe aj ako nálevníky (Ciliophora), sú najvyspelejšou skupinou jednobunkovcov. Majú veľmi zložitý povrch bunky (kortex). Typickým znakom nálevníkov je jadrový dualizmus - prítomnosť dvoch funkčne rozlíšených jadier. Väčšie jadro - makronukleus (vegetatívne polyploidné jadro) riadi metabolizmus a funkcie bunky. Menšie jadro - mikronukleus (generatívne diploidné jadro) riadi proces rozmnožovania. Bežne sa rozmnožujú nepohlavne priečnym delením bunky. Vždy po niekoľkých generáciách však dochádza k špecifickému pohlavnému procesu - konjugácii.
Priebeh konjugácie u nálevníkov:
- Dva dospelé jedince sa spoja bunkovými ústami.
- Pôvodný makronukleus sa v oboch bunkách rozpadne.
- Generatívny mikronukleus sa meiózou rozdelí na štyri haploidné jadrá.
- Tri z týchto jadier zaniknú.
- V každom jedincovi tak po meióze a následnej mitóze vznikne jedno stacionárne (nepohyblivé) jadro a jedno migratívne (pohyblivé) jadro.
- Jedince si svoje pohyblivé jadrá navzájom vymenia.
- Migratívne jadro z jedného jedinca následne splynie so stacionárnym jadrom druhého jedinca, čím sa vytvorí nové diploidné jadro (synkaryon).
- Po tejto vzájomnej výmene genetickej informácie sa jedince oddelia.
Priebeh konjugácie zabezpečuje dôležitú výmenu genetickej informácie.
3. Autogamia (samooplodnenie)
Autogamia je proces, pri ktorom gaméty alebo pohlavné jadrá, ktoré navzájom splývajú do zygoty, pochádzajú z tej istej rodičovskej bunky. K autogamii dochádza napríklad u dierkavcov, slncoviek či priamo u niektorých nálevníkov.
Výhody a nevýhody pohlavného rozmnožovania u jednobunkovcov
Jednobunkové organizmy, najmä baktérie, sa za priaznivých podmienok rozmnožujú nepohlavne a pri zhoršených podmienkach prechádzajú na pohlavný cyklus. Náhodným krížením sa snažia nájsť vhodnú kombináciu génov, ktorá by im nepriaznivé podmienky umožnila prekonať.
Výhody:
- Genetická variabilita: Pohlavné rozmnožovanie umožňuje jedincom rovnakého druhu rozdiferencovať svoje životné nároky v rôznorodom prostredí, takže si teoreticky nemusia toľko konkurovať a môžu obsadiť širšiu ekologickú niku. Navyše, spôsobuje, že jednotliví jedinci populácie reagujú na rovnaké faktory prostredia odlišne. Je napríklad len minimálna pravdepodobnosť, že by sa našiel patogén, voči ktorému bude špecificky citlivá celá populácia, na rozdiel od populácie klonov, kde sa toto môže stať celkom ľahko.
- Diploidný stav genómu: Každý gén skôr či neskôr postihne mutácia, ale ak je v dispozícii jeho druhá funkčná kópia, jedinca to neohrozí.
Nevýhody:
- Relatívna pomalosť: Pohlavné rozmnožovanie je pomalšie v porovnaní s nepohlavným. Jedince sa môžu pohlavne rozmnožovať až po dosiahnutí pohlavnej dospelosti, ktorá nastane až za nejakú dobu od ich počatia.
- Menší počet jedincov: Pohlavné rozmnožovanie často vyprodukuje menší počet jedincov v porovnaní s nepohlavným.
- Zrieďovanie genetického materiálu: Vlastný genetický materiál sa môže zriediť (platí len v prípade, ak bol osvedčený ako dobrý).
- Nutnosť zložitejšieho aparátu: Vyžaduje zložitejší aparát ako v prípade nepohlavného množenia, ktorý nezriedka robí jedince zraniteľnejšími (tak ako aj sexuálne správanie).
Príklady pohlavného rozmnožovania u rôznych skupín jednobunkovcov
Bičíkovce (Mastigophora)
Bičíkovce predstavujú vývojovo jednu z najstarších skupín mikroskopických organizmov. Väčšina sa rozmnožuje pozdĺžnym binárnym delením bunky. Len malá časť z nich má preukázaný aj pohlavný cyklus.
Príklady bičíkovcov:
- Bičovka rybia (Ichthyobodo necator): Ektoparazit, ktorý parazituje na koži a žiabrach sladkovodných rýb.
- Črevovnička detská (Giardia intestinalis): Bežný parazit obývajúci tenké črevo, žlčník a žlčovody ľudí. V prípade jej premnoženia (ochorenie žardióza) masívne pokrýva sliznicu čreva, bráni vstrebávaniu živín (najmä tukov) a spôsobuje úmorné hnačky a kŕče.
- Trypanozómy (rod Trypanosoma): Nebezpečné krvné parazity. Najznámejšia je trypanozóma spavičná (Trypanosoma gambiense), ktorá žije v západnej a strednej Afrike v telách antilop a domácich zvierat. Na človeka ju prenášajú krv cicajúce muchy tse-tse (Glossina palpalis).
Meňavkovce (Sarcodina)
Meňavkovce trávia väčšinu života v podobe bunky s výbežkami cytoplazmy - panôžkami (pseudopodia). Rozmnožujú sa nepohlavne delením bunky a v nepriaznivých podmienkach tvoria ochranné cysty.
Príklady meňavkovcov:
- Meňavka červienková (Entamoeba histolytica): Mimoriadne nebezpečný parazit. V ľudskom hrubom čreve existuje v dvoch formách. Neškodná (forma minuta) sa živí baktériami a vytvára infekčné cysty, ktoré šíria nákazu. Pri oslabení imunity sa mení na patogénnu formu (forma magna), ktorá preniká pod črevnú sliznicu, fagocytuje červené krvinky a spôsobuje krvácajúce vredy a ťažké hnačky - dyzentériu (červienku).
- Slzovnička zhubná (Naegleria fowleri): Voľne žijúci a mimoriadne rizikový druh. Prirodzene obýva teplé a termálne vody. Pre človeka je nebezpečná najmä vtedy, ak sa z kontaminovanej vody dostane po čuchovom nerve priamo do mozgu.
Výtrusovce (Apicomplexa)
Výtrusovce sú výlučne parazitické jednobunkovce. V ich cykle sa strieda nepohlavné rozmnožovanie (rozpad materskej bunky - schizogónia - na infekčné merozoity) a pohlavné rozmnožovanie (tvorba gamét a ich splývanie - gametogamia). Vzniknutá zygota sa mení na odolnú oocystu, v ktorej procesom sporogónie vznikajú nové infekčné zárodky (sporozoity).
Príklady výtrusovcov:
- Kokcídia králičia (Eimeria stiedai): Parazituje v pečeni a žlčových kanálikoch domácich aj divých králikov.
- Maláriovec (Plasmodium): Pôvodca malárie. Komár pri bodnutí prenesie do krvi človeka infekčné sporozoity. Tieto zárodky najprv napádajú pečeň, kde sa intenzívne množia a vznikajú z nich formy zvané merozoity. Až tie následne vnikajú do červených krviniek (erytrocytov). Krvinky pod vplyvom parazita synchrónne praskajú, čím sa do krvi vylieva toxín (hemozoín) a pacient dostáva ťažké horúčkovité záchvaty zimnice. Neskôr sa v krvi vytvoria základy pohlavných buniek (gamonty), ktoré komár nasaje.
Nálevníky (Ciliophora)
Nálevníky sú najvyspelejšou skupinou jednobunkovcov a typickým znakom nálevníkov je jadrový dualizmus. Bežne sa rozmnožujú nepohlavne priečnym delením bunky. Vždy po niekoľkých generáciách však dochádza k špecifickému pohlavnému procesu - konjugácii.
Príklady nálevníkov:
- Vírivka zvončeková (Vorticella campanula): Žije prisadnuto.
- Ofryoskolex (Ophryoscolex bicoronatus): Patrí medzi takzvané bachorovce. Žije ako endokomenzál v bachore prežúvavcov. Živí sa časticami celulózy a svojou prítomnosťou výrazne podporuje jej trávenie.
tags: #pohlavne #rozmnozovanie #jednobunkovcov