SEXUÁLNÍ REPRODUKCE: VLASTNOSTI, DRUHY, ROSTLINY, ZVÍŘATA - BIOLOGIE - 2025

Pohlavní rozmnožování je rozmnožování jednotlivců ze dvou rodiče různého pohlaví: muži a ženy - kromě případů, kdy se odkazuje na pohlavní rozmnožování bakterií a prvoků, kde je bez rozdílu pohlaví. Jedná se o široce rozšířený proces v eukaryotických organismech.

Každý jedinec, který se podílí na sexuální reprodukci, produkuje typ specializovaných buněk zárodečné linie: spermie a vejce. Jsou způsobeny typem specializovaného buněčného dělení, zvaného meióza. Tato událost je zásadním rozdílem mezi asexuální a sexuální reprodukcí.

Zdroj: Manojiritty, z Wikimedia Commons

Tento proces začíná spojením dvou gamet, které vedou ke vzniku zygoty. Později zygota dává vzniknout novému jedinci, který má vlastnosti obou svých rodičů a určité jedinečné vlastnosti.

Kvůli všudypřítomnosti procesu usuzujeme, že sexuální reprodukce zahrnuje řadu výhod oproti asexuální reprodukci. Možné nevýhody sexuální reprodukce jsou však znatelnější: čas a energie investované do hledání kamarádů, konkurence pro ženy, náklady na výrobu gamet, které nejsou oplodněny, mimo jiné.

Zdá se, že náklady jsou velmi vysoké, a proto musí mít značné výhody, aby je mohly vyrovnat. Výhody sexuální reprodukce byly předmětem kontroverze a debaty mezi evolučními biology.

Jedna hypotéza naznačuje, že sexuální reprodukce je prospěšná, protože produkuje odrůdy, které by v době změn prostředí mohly být pro daný druh prospěšné. Ve skutečnosti je produkce genetické variability jednou z výhod přisuzovaných pohlaví.

Na druhé straně někteří vědci tvrdí, že sexuální reprodukce, konkrétně rekombinace, byla vybrána jako mechanismus opravy DNA. Prevalence pohlaví je však i přes jeho náklady stále neznámá.

Obecné vlastnosti

Sex je komplexní fenomén, který se u eukaryotických taxonů velmi liší. Obecně to můžeme chápat jako proces, který zahrnuje tři kroky: fúze dvou haploidních jader, jev rekombinace, který produkuje nové genotypy, a rozdělení diploidních buněk za vzniku haploidních jader.

Z tohoto hlediska závisí sex v eukaryotech na životním cyklu, ve kterém se diploidní buňky musí dělit meiózou. Tento proces meiotického dělení je zodpovědný za distribuci genetického materiálu budoucích gamet.

Cílem meiózy je oddělení homologních chromozomů takovým způsobem, že každá gameta má polovinu somatických chromozomů. Kromě snížení genetické zátěže dochází v meióze také k výměně materiálu mezi nesesterskými chromatidy, což vede k zcela novým kombinacím.

Gametes

Gamety jsou pohlavní buňky organismů, které jsou vytvářeny meiózou a obsahují polovinu genetické zátěže, tj. Jsou haploidní.

Gamety se liší v rostlinách i zvířatech a jsou klasifikovány do tří základních kategorií v závislosti na jejich velikosti a relativní mobilitě: isogamie, anisogamie a oogamie.

Isogamie je forma sexuální reprodukce, kde gamety, které se spojují, aby vytvořily nového jednotlivce, mají stejnou velikost, mobilitu a strukturu. Isogamy je zastoupena hlavně v rostlinách.

Naproti tomu anisogamie sestává ze spojení dvou gamet, které se liší velikostí a strukturou. Jedním konkrétním typem anisogamie je oogamie, kde samčí gamety mají relativně malou velikost a hojnost v počtu. Ženy jsou mnohem nápadnější a jsou vyráběny v menším počtu.

Sexuální reprodukce u zvířat

V říši zvířat je sexuální reprodukce mezi členy skupiny široce rozšířeným jevem.

Téměř všichni bezobratlí a obratlovci mají pohlaví v samostatných organismech - to znamená, že můžeme rozlišit muže a ženu v druhu. Tato podmínka se nazývá dvojdomá, termín odvozený od řeckých kořenů „dvou domů“

Naproti tomu existují určité méně početné druhy, jejichž pohlaví se vyskytuje u stejného jedince zvaného monoecious: „dům“. Tato zvířata jsou také známá jako hermafroditi.

Rozdíl mezi pohlavími není dán morfologickými charakteristikami velikosti nebo zbarvení, ale typem gamet, které každé pohlaví produkuje.

Samice produkují vajíčka, které se vyznačují velkou velikostí a nehybností. Spermie jsou na druhé straně produkovány samci ve větším množství, jsou mnohem menší a mají speciální struktury pro pohyb a oplodnění vajíčka.

Dále popíšeme typické pohlavní orgány zvířat a poté podrobně popíšeme reprodukční proces v každé skupině zvířat.

Struktury spojené s reprodukcí

Specializované buňky pro pohlavní rozmnožování - vejce a sperma - jsou produkovány ve specifických tkáních zvaných gonády.

U mužů jsou varlata zodpovědná za produkci spermií, zatímco samičky jsou vytvářeny ve vaječnících.

Gonády jsou považovány za primární sexuální orgány. Doplňkové sexuální orgány jsou přítomny v důležité skupině metazoanů, které jsou zodpovědné za příjem a přenos vajíček a spermií. U žen najdeme vagínu, děložní trubice nebo vejcovody a dělohu, zatímco u mužů je penis.

Poriferous

Porifery jsou běžně známé jako houby a mohou se reprodukovat sexuálně i asexuálně. U většiny druhů dochází k produkci mužských a ženských gamet u jediného jedince.

Choanocyty jsou zvláštním typem buňky této linie, která se může transformovat na spermie. V jiných skupinách mohou být gamety odvozeny od archeocytů.

Mnoho druhů je viviparous, což naznačuje, že po fenoménu oplodnění je zygota zadržena rodičovským organismem, dokud nedojde k uvolnění larvy. U těchto druhů se spermie uvolňuje do vody a přijímá další houba.

Cnidarians

Cnidarians jsou mořské organismy, které zahrnují medúzy a podobně. Tato zvířata mají dvě morfologie: prvním je polyp a je charakterizován přisedlým životním stylem, zatímco druhým je medúza, která je schopna pohybu a plovoucí.

Polypy se obecně reprodukují asexuálně pomocí pučících nebo štěpných procesů. Medúza je dvojdomá a sexuálně se reprodukuje. Životní cyklus v této skupině je velmi variabilní.

Acelomorfy a flatworms

Flatworms, jako planarians, být známý primárně pro jejich schopnost regenerovat a produkovat vícenásobné klony asexuálně od jednoho jednotlivce.

Většina z těchto vermiformních zvířat je jednodruhová. Hledají však partnera, který provede křížové oplodnění.

Mužský reprodukční systém zahrnuje několik varlat a strukturu podobnou papilám podobným penisům komplexních obratlovců.

Měkkýši a annelids

Většina měkkýšů je dvojdomá a jejich reprodukce vede k volně se plavící larvě zvané trocófera (velmi podobná larvám přítomným v annelids) a liší se podle druhu měkkýšů.

Podobně mají annelids oddělená pohlaví a v některých mají gonády, které se objevují dočasně.

Artropods

Artropods je extrémně různorodá skupina zvířat, charakterizovaný exoskeleton složeným z chitin a připojené přívěsky. Tato linie zahrnuje myriapody, chelicerates, korýše a hexapods.

Pohlaví se obecně odděluje, orgány specializované na reprodukci se objevují ve dvojicích. Většina druhů má vnitřní hnojení. Mohou být oviparous, ovoviviparous, nebo viviparous.

Echinoderms

Mezi ostnokožce patří hvězdice, mořské okurky, mořské ježky a podobně. Ačkoli tam jsou některé hermafrodite druhy, většina být charakterizován mít oddělené pohlaví. Gonády jsou velké struktury, kanály jsou jednoduché a neexistují žádné komplikované kopulační orgány.

K hnojení dochází externě a vzniká bilaterální larva, která se může volně pohybovat v těle vody. Některé druhy mají přímý vývoj.

Akordové

Většina pohlaví je oddělena. V této skupině najdeme složitější orgány pro reprodukci. Každé pohlaví má gonády s kanály, které nasměrují jejich produkty do cloaky nebo na nějaký speciální otvor umístěný poblíž řiti. V závislosti na skupině může být hnojení vnější nebo vnitřní.

Parenogeneze u zvířat

Parenogeneze je fenomén široce zastoupený v živočišné říši, zejména u bezobratlých a některých obratlovců, což umožňuje vytvoření nového jedince s jedním rodičem. Přestože se jedná o formu asexuální reprodukce, určité typy parthenogeneze jsou považovány za typy sexuální reprodukce.

V meiotické parthenogenezi je vajíčko tvořeno meiózou a může nebo nemusí být oplodněno spermatem od samce.

V některých případech musí být vajíčka aktivována samčí sexuální gametou. V tomto případě nedochází k fúzi obou jader, protože genetický materiál ze spermatu je vyřazen.

U některých druhů se však vajíčko může vyvíjet spontánně bez nutnosti aktivačního procesu.

Sexuální reprodukce v rostlinách

Podobně jako v případě zvířat mohou rostliny podstoupit sexuální reprodukci. Skládá se ze spojení dvou haploidních gamet, díky nimž vznikne nový jedinec s jedinečnými genetickými vlastnostmi.

Rostlina může mít samčí a samičí orgány u jednoho jednotlivce nebo je lze oddělit. U okurek a mléčných jsou pohlaví oddělena, zatímco u růží a petúnií jsou obě pohlaví pohromadě.

Květina

Orgány zodpovědnými za procesy sexuální reprodukce jsou květiny. Tyto specializované struktury mají regiony, které se přímo nepodílejí na reprodukci: kalich a koruna, a sexuálně aktivní struktury: androecium a gynoecium.

Androecium je samčí reprodukční orgán složený z tyčinky, která je zase rozdělena na vlákno a prašník. Tato poslední oblast je zodpovědná za produkci pylových zrn.

Gynoecium je ženský květinový orgán a je tvořen jednotkami zvanými carpels. Struktura je podobná protáhlé „kapce“ a je rozdělena na stigma, styl a nakonec vaječník.

Znečištění

K pohlavnímu rozmnožování v rostlinách dochází hlavně opylováním, které spočívá v transportu pylových zrn z prašníku do stigmatu.

K opylení může dojít ve stejné květině (pylová zrna jdou do ženského orgánu téže rostliny) nebo může být překřížena, kde pylová zrna oplodňují jiného jedince.

U většiny rostlin je nutný zásah zvířete k opylování. Mohou to být bezobratlí, jako jsou včely nebo jiný hmyz nebo obratlovci, jako jsou ptáci a netopýři. Rostlina nabízí opylovači nektar jako odměnu a mají na starosti rozptylování pylu.

Květinové struktury, které se nepodílejí přímo na reprodukci, jsou koruna a kalich. Jedná se o upravené listy, v mnoha případech s jasnými a zářivými barvami, které jsou odpovědné za vizuální nebo chemickou přitažlivost potenciálního opylovače.

Podobně některé rostliny nevyžadují zvířecí opylovače a k rozptylu pylu používají vítr nebo vodu.

Hnojení, semena a ovoce

Proces začíná příchodem pylových zrn do stigmatu květu. Tito cestují podle stylu, dokud nenajdou vaječník.

Dvojité hnojení je typické pro kvetoucí rostliny a jedinečné mezi všemi organismy. K tomuto jevu dochází následujícím způsobem: jádro spermie se spojí s vajíčkem a další jádro spermie se spojí s diploidním embryem sporofytu.

Výsledkem této neobvyklé události oplodnění je trioploidní endosperm, který bude působit jako výživná tkáň pro vývoj organismu. Jakmile dojde k úspěšnému zrání vajíček, transformují se na semena. Ovoce na druhé straně tvoří zralé vaječníky.

Ovoce lze klasifikovat jako jednoduché, pokud pochází z zralého vaječníku, a může být přidáno, pokud se vyvíjí z několika vaječníků, jako je například jahoda.

Sexuální reprodukce v bakteriích

Bakterie jsou známé především svou schopností reprodukovat asexuálně.

V této prokaryotické linii je jedinec schopen rozdělit se na dva procesem nazývaným binární štěpení. V bakteriích však existuje řada mechanismů, které připomínají sexuální reprodukci, protože dochází k výměně genetického materiálu.

Až do poloviny 40. let se předpokládalo, že se bakterie reprodukují výhradně asexuálně. Vědci Joshua Lederberg a Edward Tatum však tuto víru vyvrátili důmyslným experimentem, při kterém byly jako model použity bakterie E. coli s různými výživovými požadavky.

Pokus sestával z kmene A rostoucího v minimálním médiu s methioninem a biotinem a kmene B, který rostl pouze v prostředích s threoninem, leucinem a thiaminem. Jinými slovy, každý kmen nesl mutaci, která mu bránila v syntéze těchto sloučenin, a proto musely být syntetizovány v kultivačním médiu.

Když byly kolonie v kontaktu několik hodin, jednotlivci získali schopnost syntetizovat živiny, které dříve nemohli. Lederberg a Tatum tak prokázali, že existuje proces výměny DNA podobný sexuální reprodukci a nazval to konjugace.

Časování

K procesu konjugace dochází prostřednictvím můstkové struktury zvané sexuální pili, která fyzicky váže dvě bakterie k sobě a umožňuje jim vyměňovat DNA.

Protože bakterie nemají sexuální dimorfismus, nemůžeme mluvit o mužích a ženách. Avšak pouze jeden typ může produkovat pili a mají speciální fragmenty DNA nazývané faktor F pro „plodnost“. Faktor F obsahuje geny pro produkci pili.

DNA zapojená do výměny není součástí jediného bakteriálního chromozomu. Místo toho je to izolovaná kruhová část zvaná plasmid, která má svůj vlastní replikační systém.

Proměna

Kromě konjugace existují další procesy, kde bakterie mohou získat extra DNA a vyznačují se tím, že jsou jednodušší než konjugace. Jednou z nich je transformace, která spočívá v odebrání nahé DNA z vnějšího prostředí. Tento exogenní fragment DNA může být integrován do bakteriálního chromozomu.

Transformační mechanismus vstupuje do pojmu sexuální reprodukce. Přestože bakterie odebraly volnou DNA, tento genetický materiál musel pocházet z jiného organismu - například bakterie, která zemřela a uvolnila svou DNA do životního prostředí.

Převod

Třetím a posledním známým mechanismem v bakteriích k získání cizí DNA je transdukce. To znamená účast viru, který infikuje bakterie: bakteriofágy.

Při transdukci vezme virus část bakteriální DNA a když infikuje bakterii, může do ní tento fragment přenést rozdíl. Někteří autoři používají termín „parasexuální události“ k označení těchto tří mechanismů.

Evoluční perspektiva

Všudypřítomnost sexuální reprodukce v organismech je pozoruhodným faktem. Jednou z největších otázek v evoluční biologii je, proč se sex šíří na tolika liniích, pokud je to energeticky nákladná činnost - av některých případech dokonce nebezpečná.

Existuje podezření, že selektivní síly, které vyvolaly sexuální reprodukci v eukaryotech, jsou stejné jako ty, které udržují parasexuální procesy popsané pro bakterie.

Náklady na sex

Ve světle evoluce se termín „úspěch“ týká schopnosti jednotlivce předat své geny další generaci. Sex je paradoxně proces, který tuto definici plně nesplňuje, protože s reprodukcí je spojena řada nákladů.

Sexuální reprodukce zahrnuje nalezení partnera a ve většině případů není tento úkol triviální. Do tohoto úsilí musí být investováno obrovské množství času a energie, které určí úspěch potomstva - pokud jde o nalezení „ideálního partnera“.

Zvířata vykazují řadu rituálů, aby své potenciální kamarády uchvátili a v některých případech musí bojovat, aby odhalili svůj vlastní život, aby dosáhli kopulace.

I na buněčné úrovni je sex drahý, protože dělení meiózou trvá mnohem déle než mitóza. Tak proč se většina eukaryotů reprodukuje sexuálně?

Existují dvě základní teorie. Jedna se týká buněčné fúze jako mechanismu horizontálního přenosu „sobeckého“ genetického prvku, zatímco druhá teorie navrhuje rekombinaci jako opravný mechanismus DNA. Níže popíšeme výhody a nevýhody každé teorie:

Sexuální výhody

Abychom mohli odpovědět na tuto otázku, musíme se zaměřit na možné výhody sexuální reprodukce v prvních eukaryotech.

Fúze gamet za vzniku zygoty vede ke kombinaci dvou různých genomů, které jsou schopny kompenzovat možné defektní geny v jednom genomu s normální kopií druhého.

Například u lidí zdědíme jednu kopii od každého rodiče. Pokud zdědíme vadný gen od naší matky, normální gen od našeho otce to může kompenzovat (v takovém případě, že se patologie nebo nemoc projeví pouze jako homozygotní recesivní).

Druhá teorie - ne tak intuitivní jako ta první - navrhuje, že meiosa funguje jako opravný mechanismus v DNA. Poškození genetického materiálu je problém, kterému musí čelit všechny organismy. Existují však organismy, které se rozmnožují pouze asexuálně a jejich DNA není nijak zvlášť poškozena.

Další hypotéza uvádí, že sex se mohl vyvinout jako parazitická adaptace mezi sobeckými genetickými elementy, aby byl distribuován do jiných genetických linií. Podobný mechanismus byl prokázán v E. coli.

Ačkoli existují možná vysvětlení, vývoj sexu je předmětem vzrušující debaty mezi evolučními biology.

Sexuální výběr

Sexuální výběr je koncept zavedený Charlesem Darwinem, který se vztahuje pouze na sexuálně se reprodukující populace. Používá se k vysvětlení přítomnosti chování, struktur a dalších atributů, jejichž existenci nelze pochopit přirozeným výběrem.

Například velmi barevné a poněkud „přehnané“ peří pávů nepřináší přímé výhody pro jednotlivce, protože to zviditelňuje potenciální predátory. Kromě toho se vyskytuje pouze u mužů.

Reference

1. Colegrave, N. (2012). Evoluční úspěch sexu: Série vědy a společnosti o sexu a vědě. EMBO Reports, 13 (9), 774-778.
2. Crow, JF (1994). Výhody sexuální reprodukce. Vývojová genetika, 15 (3), 205-213.
3. Freeman, S., & Herron, JC (2002). Evoluční analýza. Prentice Hall.
4. Goodenough, U., & Heitman, J. (2014). Původ eukaryotické sexuální reprodukce. Perspektivy studeného jara v biologii, 6 (3), a016154.
5. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2001). Integrované základy zoologie. New York: McGraw-Hill.
6. Leonard, J., a Córdoba-Aguilar, A. (Eds.). (2010). Evoluce primárních sexuálních postav u zvířat. Oxford University Press.
7. Sawada, H., Inoue, N., & Iwano, M. (2014). Sexuální reprodukce u zvířat a rostlin. Springer-Verlag GmbH.