Rozmnožovanie a vývin jedincov: Podrobný prehľad
Rozmnožovanie je základnou biologickou funkciou všetkých živých organizmov, ktorá zabezpečuje pokračovanie druhu. Existujú dva hlavné typy rozmnožovania: nepohlavné a pohlavné. Kým nepohlavné rozmnožovanie vytvára geneticky identických potomkov, pohlavné rozmnožovanie prináša novú, unikátnu genetickú výbavu, ktorá nikdy nie je úplne totožná s genetickou výbavou rodičov.
Pohlavné rozmnožovanie
Pohlavné rozmnožovanie, známe aj ako sexuálne rozmnožovanie, je proces, pri ktorom vzniká dcérsky organizmus nesúci kombináciu genetického materiálu dvoch rodičovských organizmov. V širšom zmysle zahŕňa každý typ rozmnožovania, pri ktorom sa nový jedinec vyvíja z gamét (pohlavných buniek) a to aj v prípadoch, že nedošlo k oplodneniu.
Gaméty a zygota
Pri najbežnejšom type pohlavného rozmnožovania, eugamii, 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. Splývaním dvoch gamét vzniká opäť úplný (diploidný) chromozómový súbor.
Meióza: Redukčné delenie
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 zvláštny typ delenia, pri ktorom namiesto dvoch dcérskych buniek vznikajú až 4 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.
Genetický materiál: DNA, gény 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, 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. Termín chromozómy sa používa pre označenie útvarov jadrovej DNA aj v čase, keď sa bunka nedelí a jej DNA je len vo forme chromatínu. Počet chromozómov je u rôznych organizmov rôzny. Pri delení buniek do dcérskych buniek prechádzajú celé chromozómy, a teda všetky gény umiestnené na jednom a tom istom chromozóme prechádzajú do potomstva spoločne.
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 dve chromozómové súbory.
Plant sexual reproduction | Educational Video for Kids
Rozdiely medzi pohlaviami a párovacie mechanizmy
Nie každá haploidná bunka sa môže spojiť s každou. Možné je spojenie len dvoch buniek rozdielneho pohlavia. Pohlavie je vlastnosť zabraňujúca spojiť sa gaméte s gamétou, ktorá má rovnakú túto vlastnosť. Väčšinou je pohlavie dané geneticky, no k jeho vývoju či dokonca zmene môže dôjsť až v priebehu života. Ak je jedinec schopný tvoriť samčie aj samičie pohlavné bunky, hovoríme o obojpohlavnosti (hermafrodizme). Rozdiely medzi jedincami rozdielnych pohlaví môžu byť nepatrné, iba biochemické (napríklad rozličné párovacie typy u kvasiniek), môžu byť v stavbe pohlavných buniek (anizogamia), môžu siahať na úroveň rozdielnej stavby pohlavných orgánov medzi jedincami opačného pohlavia a napokon môžu zasahovať aj tkanivá a orgány, ktoré s vlastným rozmnožovaním priamo nesúvisia.
U jednobunkových organizmov s veľkostne a tvarovo rovnakými (izogamnými) bunkami sa nehovorí o samčích a samičích pohlavných bunkách, ale o bunkách párovacích typov. Len pokiaľ sú bunky anizogamné a jedinec produkuje len jeden ich druh, rozlišuje sa podľa nich jeho pohlavie. Ako samica sa označuje ten jedinec, ktorý tvorí väčšie pohlavné bunky a spravidla v menšom počte.
Okrem pohlavia, ktoré zabraňuje okamžitému kríženiu pohlavných buniek toho istého jedinca, existujú tiež mechanizmy na molekulárnej úrovni, ktoré bránia kríženiu príliš odlišných jedincov, čiže jedincov patriacich do nepríbuzných taxónov. Jedným z najjednoduchších mechanizmov je rôzny počet chromozómov v pohlavných bunkách. Napriek tomu niektoré vývojovo príbuzné druhy je možné krížiť, hoci ich gaméty majú odlišné počty chromozómov. Napríklad koňa s 30 chromozómami v pohlavnej bunke je možné skrížiť so somárom, ktorý má v gaméte 29 chromozómov. Ich potomok (mul alebo mulica) má však nepárny počet chromozómov - 59 a preto nie je schopný tvoriť pohlavné bunky a ďalej sa množiť.
Jedným z problémov pohlavného rozmnožovania je dopraviť bunky dvoch pohlaví k sebe a dosiahnuť, aby sa spojili. Bunka rozozná bunku iného pohlavia na základe chemotaxie, no chemotaxia funguje len na malé vzdialenosti. Niektoré druhy len rozptýlia svoje pohlavné bunky do okolia a ich vzájomné stretnutie je ponechané čisto na náhode. Takúto stratégiu využívajú napríklad vetrom opelivé rastliny, zo živočíchov napríklad ostnatokožce. Jednou z jej nevýhod je však nutnosť obrovskej nadprodukcie pohlavných buniek, pretože len málo z nich sa v takom veľkom priestore úspešne stretne. Väčšina druhov teda vyvinula ďalšie mechanizmy, ako zariadiť stretnutie pohlavných buniek. Väčšinou sa v nich uplatňujú rodičovské jedince, ale niekedy aj ďalšie jedince či dokonca jedince ďalších druhov (napr. hmyzom opelivé rastliny).
Rozmnožovanie u rôznych skupín organizmov
Prokaryotické organizmy
Prokaryotické organizmy - organizmy bez pravého jadra sa delia na dve domény, archaea a baktérie. Vývojovo staršie archey sa rozmnožujú výlučne nepohlavne. Baktérie už majú mechanizmy na cielenú (nielen mutačnú) zmenu svojho genetického materiálu, ale nemožno u nich hovoriť o pohlavnom rozmnožovaní v pravom zmysle slova. V drvivej väčšine prípadov sa baktérie rozmnožujú nepohlavne, jednoduchým delením. U mnohých druhov pohlavný cyklus nebol nikdy pozorovaný. Zriedkavo môže dôjsť k prenosu genetického materiálu medzi dvoma bakteriálnymi bunkami. Existujú tri spôsoby takého prenosu: konjugácia, transdukcia a transformácia. Vo všetkých troch prípadoch však ide iba o jednosmerný prenos DNA z jednej bunky do druhej.
Eukaryotické organizmy
U eukaryotických organizmov vo väčšine prípadov poznáme pohlavné aj nepohlavné rozmnožovanie. Nepohlavné rozmnožovanie sa často odohráva v stálych, nemenných podmienkach a pri zhoršených podmienkach prechádzajú organizmy k pohlavnému rozmnožovaniu. U stavovcov však už výrazne prevláda pohlavné rozmnožovanie a cicavce sa takmer výlučne rozmnožujú pohlavne; len veľmi zriedkavo u nich dochádza k polyembryonii, rozdeleniu zygoty na dve alebo viac geneticky totožných buniek, z ktorých sa potom vyvinú jednovaječné dvojčatá, trojčatá, atď.
Prvoky
Prvoky sú jednobunkové organizmy a takmer celý život prežívajú buď v haploidnom, alebo v diploidnom stave. Netvoria pohlavné bunky v pravom zmysle slova. Ich rozmnožovanie je väčšinou nepohlavné, delením, vyskytujú sa však aj tri typy pohlavného rozmnožovania: gametogamia, gamontogamia a autogamia.
Rastliny
Rastliny sú vo veľkej väčšine prípadov schopné pohlavného rozmnožovania, výnimku tvoria cyanobaktérie (sinice), u ktorých bol pohlavný cyklus dokázaný zatiaľ len experimentálne. Ale vzhľadom na to, že sinice sa zaraďujú k prokaryotom, možno o rastlinách všeobecne povedať, že sa môžu rozmnožovať nepohlavne aj pohlavne. U mnohých nižších rastlín, machorastov, rias a húb je typické striedanie pohlavnej a nepohlavnej generácie, tzv. rodozmena. Za rodozmenu možno považovať aj pohlavné rozmnožovanie cievnatých rastlín, pričom fáza nepohlavnej generácie (gametofytu) je u nich silne potlačená a gametofyt, ktorý bol u machorastov tvorený miliónmi buniek, ich u semenných rastlín obsahuje iba niekoľko málo. Samičia pohlavná bunka u rastlín sa nazýva oosféra, samčie bunky sú spermatozoidy alebo spermie. U nekvitnúcich rastlín je oplodnenie viazané na vodné prostredie, v ktorom spermatozoidy priplávajú k vajcovej bunke a oplodnia ju. Suchozemské semenné rastliny sú odkázané na prenos samčích pohlavných buniek k samičím vetrom alebo živočíchmi. Semenné rastliny majú vajíčko mnohobunkové a predstavuje v podstate samičí gametofyt. Samotná samičia generatívna bunka oosféra sa vytvára až vnútri vajíčka. U nahosemenných rastlín sa peľové zrnko zachytáva na vajíčku a dovnútra vnikne za pomoci tzv. polinačnej kvapky. Tento jav sa nazýva opelenie. U krytosemenných rastlín sa za opelenie považuje prenos peľového zrnka na bliznu. Pokiaľ je rastlina schopná produkovať samičie aj samčie pohlavné bunky, nazýva sa jednodomá.
Živočíchy
Všetky živočíchy, od tých najprimitívnejších až po najvyspelejšie, sú pravdepodobne schopné pohlavného rozmnožovania, aj keď nie u všetkých bol pozorovaný celý cyklus. Pohlavné bunky sa tvoria v špeciálnych žľazách - gonádach. Samičie pohlavné bunky sa nazývajú vajcové bunky (vajíčka) a samčie spermie. Vajcové bunky živočíchov sú spravidla oblé a nepohyblivé (výnimku tvoria napr. hubky) a vždy bez bičíka. Aby sa po oplodnení vajcová bunka mohla deliť až do chvíle, kedy bude nový organizmus schopný prijímať potravu, väčšinou majú vajcové bunky zásoby žĺtka, ktoré sú rôzne veľké. Oplodnenie poznáme vonkajšie a vnútorné. Vonkajšie môže prebehnúť iba vo vode a je charakteristické pre mnohé vodné živočíchy, napríklad väčšinu rýb, ale aj obojživelníkov. Ak oplodnenie nastáva vnútri tela samice (resp. obojpohlavného organizmu), hovoríme o vnútornom oplodnení. Aby sa dosiahlo vnútorné oplodnenie, živočíchy niekedy majú vyvinuté špeciálne orgány, tzv. kopulačné orgány a oplodneniu predchádza pohlavný styk.
Plant sexual reproduction | Educational Video for Kids
Hermafroditizmus a gonochorizmus
Pokiaľ sú jedince jedného druhu schopné produkovať samčie aj samičie pohlavné bunky, nazývajú sa hermafroditi. Väčšinou ich ale jeden jedinec neprodukuje v rovnakom čase, aby nedošlo k samooplodneniu. Pokiaľ jedince produkujú iba samčie alebo iba samičie pohlavné bunky, nazývajú sa gonochoristi.
Vývin jedincov
Vývin jedinca môže byť priamy alebo nepriamy. Pri nepriamom vývine vzniká z vajíčka tvarovo aj funkčne odlišný jedinec spravidla neschopný pohlavného rozmnožovania - larva. Larválnych štádií môže byť aj viac. Dospelec vzniká premenou larvy. Pri priamom vývine sa jedinec hneď po vyliahnutí alebo narodení podobá na dospelého jedinca a má aj všetky orgánové sústavy ako dospelec.
Výhody a nevýhody pohlavného rozmnožovania
Výhody
- Rôznorodosť potomstva: Pohlavné rozmnožovanie vytvára rôznorodé potomstvo, čo je dôležité z dvoch dôvodov. Umožňuje jedincom rovnakého druhu rozdiferencovať svoje životné nároky v rôznorodom prostredí, takže si teoreticky nemusia toľko konkurovať a môžu obsadiť širšiu ekologickú niku. Zároveň 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: Ďalšou výhodou je diploidný stav genómu. Každý gén totiž skôr či neskôr postihne mutácia, ale ak je v dispozícii jeho druhá funkčná kópia, jedinca to neohrozí.
Nevýhody
- Pomalosť: Nevýhodou pohlavného rozmnožovania je jeho relatívna pomalosť 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 potomkov: Pohlavné rozmnožovanie často tiež vyprodukuje menší počet jedincov v porovnaní s nepohlavným.
- Zrieďovanie genetického materiálu: Ďalšou nevýhodou je zrieďovanie vlastného genetického materiálu (ale len v prípade, že bol osvedčený ako dobrý).
- Zložitejší aparát: Nutnosť zložitejšieho aparátu ako v prípade nepohlavného množenia, ktorý nezriedka robí jedince zraniteľnejšími (tak ako aj sexuálne správanie).
tags: #rozmnozovanie #a #vyvin #jedincov #pojmova #mapa