Половое размножение и его биологический смысл.

Вопрос 1. Чем половое размножение отличается от бесполого?

Вопрос 2. Определите критерии для сравнения мейоза и митоза. Составьте и заполните таблицу «Два основных способа деления клеток».

Можно выделить ряд отличий мейоза от митоза.

1. В митозе одно деление, а в мейозе – два (из-за этого получается 4 клетки).

2. В профазе первого деления мейоза происходит конъюгация (тесное сближение гомологичных хромосом) и кроссинговер (обмен участками гомологичных хромосом), это приводит к перекомбинации (рекомбинации) наследственной информации.

3. В анафазе первого деления мейоза происходит независимое расхождение гомологичных хромосом (к полюсам клетки расходятся двуххроматидные хромосомы). Это приводит к рекомбинации и редукции.

4. В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом не происходит, поскольку они и так двойные.

5. После митоза получается две клетки, а после мейоза – четыре.

6. После митоза получаются соматические клетки (клетки тела), а после мейоза – половые клетки (гаметы – сперматозоиды и яйцеклетки; у растений после мейоза получаются споры).

7. После митоза получаются одинаковые клетки (копии), а после мейоза – разные (происходит рекомбинация наследственной информации).

8. После митоза количество хромосом в дочерних клетках остается таким же, как было в материнской, а после мейоза уменьшается в 2 раза (происходит редукция числа хромосом; если бы её не было, то после каждого оплодотворения число хромосом возрастало бы в два раза; чередование редукции и оплодотворения обеспечивает постоянство числа хромосом).

Вопрос 3. Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации наследственного материала?

Благодаря мейозу образуются генетически различные клетки, т.к. в процессе мейоза трижды происходит перекомбинация генетического материала: за счет кроссинговера (профаза 1), за счет случайного, независимого расхождения гомологичных хромосом (анафаза 1) и за счет случайного расхождения хроматид (анафаза 2).

Вопрос 4. Изобразите схематично яйцеклетку и сперматозоид. В чём их сходство и отличия?

Яйцеклетка и сперматозоид – две клетки, без слияния которых невозможен процесс размножения животных, высших растений и ряда более примитивных живых существ. Такие разные, обе клетки призваны совместить генетическую информацию родительских организмов, чтобы увеличить выживаемость и распространение на планете всего вида. Сливаясь, клетки становятся причиной образования зиготы, из которой затем развивается живой организм.

Яйцеклетка – это репродуктивная клетка женской особи, которая в большинстве случаев имеет гаплоидный, то есть одинарный набор хромосом. У отдельных организмов, например у пшеницы, в яйцеклетке присутствует полиплоидный или диплоидный набор хромосом.

Яйцеклетка образуется из гоноцита в результате оогенеза из половой гонады или яичника. Клетка окружена специфической цитоплазматической мембраной, которая является своеобразной «посадочной базой» для сперматозоида. Она должна пропустить первого, самого сильного носителя наследственной информации, и оперативно перекрыть доступ в клетку остальным. Внешний вид яйцеклетки подобен солнцу, окруженному короной.

Кроме узкоспециальной оболочки и гаплоидного ядра, некоторые яйцеклетки содержат определенное количество желтка – питательного вещества или дейтоплазмы. Его количество и распределение по яйцеклетке зависит от вида и уровня организации живого организма. Наибольший процент клетки желток занимает у птиц, большинства рыб, пресмыкающихся и членистоногих. Меньше желтка содержится в клетках амфибий и осетровых рыб, еще меньше – у моллюсков и иглокожих и полностью эта питательная масса отсутствует у представителей класса млекопитающих.

Синонимом к слову яйцеклетка у некоторых видов организмов могут стать термины «икра» или «яйцо». При партеногенезе или бесполом размножении яйцеклетка без стандартного процесса оплодотворения способна дать жизнь новому организму.

Сперматозоид – это клетка, произведенная мужской особью. Иначе ее можно именовать гаметой. В большинстве случаев она содержит гаплоидный, то есть одинарный набор хромосом. Открытие принадлежит Антони Левенгуку, автору микроскопа.

Размеры сперматозоида весьма малы. Единичную клетку можно увидеть лишь в окуляр светового или электронного микроскопа. Это связано с отсутствием в ней больших объемов цитоплазмы и значительным количеством наследственного материала, который единовременно продуцирует андрогенный организм. У низших организмов вместо сперматозоида используется термин «спермий».

Типичный сперматозоид имеет головку, в которой расположено ядро – носитель наследственной информации, акросома и центриоль. Акросома призвана разрушить целостность мембраны яйцеклетки, а центриоль отвечает за формирования жгутика. За головкой следует шейка, средняя часть и жгутик. С его помощью сперматозоид может двигаться. У рыбки тетрадон и сумчатых найдено два жгутика, у тритонов – своеобразный плавник, а у круглых червей – ложноножки, как у амебы.

Отличие яйцеклетки от сперматозоида заключается в следующем:

Обе клетки имеют кардинально разное строение, вызванное их функциональным предназначением.

Размеры клеток резко отличается. Сперматозоиды – маленькие, самые миниатюрные клетки живого организма. Яйцеклетка может быть видна невооруженным глазом.

Вопрос 5. Какие эволюционные преимущества даёт живым организмам половое размножение?

Огромное большинство животных, особенно форм, возникших сравнительно недавно, размножается половым путем, т. е. путем слияния мужских и женских гамет. Теоретики расходятся во мнениях относительно причин такого преобладания полового процесса. Поскольку половое размножение требует известных затрат, оно, очевидно, должно давать какие-то существенные преимущества. Для объяснения выдвигались следующие главные причины:

1) эволюционное преимущество для популяций, способных изменяться быстрее других благодаря половому размножению;

2) эволюционное преимущество, связанное с тем, что такой способ размножения облегчает видообразование (возникновение новых видов);

3) то, что отдельные родительские особи могут создавать разнообразие в своем ближайшем потомстве, облегчая ему адаптацию к непредсказуемым изменениям среды.

Вопрос 6. Объясните, почему фраза «половые клетки делятся мейозом» неверна.

Мейоз - это особый тип дифференцировки, специализации клеток, который приводит к образованию половых клеток. Половые клетки - результат мейоза.

Гаметогенез или предзародышевое развитие - процесс созревания половых клеток, или гамет. Гаметогенез не следует путать с мейозом.

Сущность этих процессов совершенно различна: формирование специализированных половых клеток и специфический вариант деления клеток с уменьшением числа хромосом.

При образовании гамет, т.е. половых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – происходит деление клетки, называемое мейозом. Исходная клетка имеет диплоидный набор хромосом, которые затем удваиваются. Но, если при митозе в каждой хромосоме хроматиды просто расходятся, то при мейозе хромосома (состоящая из двух хроматид) тесно переплетается своими частями с другой, гомологичной ей хромосомой (также состоящей из двух хроматид), и происходит кроссинговер - обмен гомологичными участками хромосом. Затем уже новые хромосомы с перемешанными «мамиными» и «папиными» генами расходятся и образуются клетки с диплоидным набором хромосом, но состав этих хромосом уже отличается от исходного, в них произошла рекомбинация. Завершается первое деление мейоза, и второе деление мейоза происходит без синтеза ДНК, поэтому при этом делении количество ДНК уменьшается вдвое. Из исходных клеток с диплоидным набором хромосом возникают гаметы с гаплоидным набором. Из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных клетки.

Ответы к школьным учебникам

Размножение является процессом воспроизведения себе подобных организмов. Этот процесс обеспечивает непрерывность и преемственность жизни.

2. Чем половое размножение отличается от бесполого?

Сравнение бесполого и полового размножения представлено в следующей таблице.

3. Почему половое размножение - наиболее распространенный способ размножения живых организмов?

Половое размножение дает огромные преимущества организмам. Образовавшиеся в результате полового размножения особи несут наследственные признаки от обоих родителей, и поэтому они лучше приспосабливаются к изменению условий среды обитания, а значит, становятся более жизнестойкими.

4. Как называются половые клетки?

5. Чем яйцеклетки отличаются от сперматозоидов и почему?

Специализированные половые клетки, принимающие участие в половом процессе, называются гаметами. У большинства животных они бывают двух типов - мужские и женские, соответственно сперматозоиды и яйцеклетки. Обычно сперматозоиды - это мелкие подвижные клетки, а яйцеклетки, наоборот, чаще всего неподвижные, крупные, с большим запасом питательных веществ, так как они обеспечивают питательными веществами зародыш. Каждая половая клетка несет только половинный набор хромосом. При их слиянии в зиготе восстанавливается двойной набор хромосом, характерный для всех особей вида.

6. Где образуются половые клетки?

Половые клетки у большинства многоклеточных животных, начиная с червей, образуются в специальных половых органах. У позвоночных животных появляются и особые приспособления, облегчающие процесс слияния половых клеток и обеспечивающие развитие зародыша.

7. Какие животные называются раздельнополыми?

Раздельнополыми называются такие животные, у которых различаются особи, способные образовывать только сперматозоиды (мужские особи) или только яйцеклетки (женские особи).

8. Кто такие гермафродиты?

Гермафродитами называют обоеполых животных (от имен греческих богов Гермеса и Афродиты; гермафродит - мифическое обоеполое существо). Такие организмы способны производить одновременно два вида половых клеток - как мужские, так и женские. Это, прежде всего, многие кишечнополостные, все плоские черви, некоторые кольчатые черви, а также некоторые моллюски и даже рыбы и ящерицы.

9. В чем состоит сущность партеногенеза?

Партеногенез (от греч. «партенос» - девственница, «генез» - развитие) - единственная форма полового размножения, когда зародыш развивается из одной половой клетки - яйцеклетки - без оплодотворения.

10. Какие животные способны к партеногенезу?

Партеногенез встречается как у растений, так и-у животных. Среди животных такой тип размножения обычен прежде всего для насекомых, некоторых червей и ракообразных. Так, у пчел матка - самка - может откладывать как оплодотворенные яйца, из которых развиваются рабочие пчелы и матки, так и неоплодотворенные - из них развиваются самцы. У тлей несколько партеногенетических поколений сменяются поколением, возникающим в результате нормального полового размножения. Встречается партеногенез и у позвоночных (пресмыкающиеся, птицы). Так, партеногенез известен у нескольких видов ящериц, обитающих на Кавказе. Отмечено также, что до 15% яиц у индеек развиваются без оплодотворения.

Партеногенез можно вызвать искусственно у животных, которым он в природе несвойственен. Для этого достаточно стимулировать яйцеклетку к делению механическими или химическими воздействиями.

11. Что такое оплодотворение?

Оплодотворение - это процесс слияния половых клеток. В результате оплодотворения в зиготе восстанавливается двойной набор хромосом - образовавшийся в результате организм несет хромосомы обоих родителей.

12. Для каких животных характерно наружное оплодотворение?

Наружное оплодотворение характерно для водных животных. При этом яйцеклетка и сперматозоиды выделяются из организма непосредственно в воду. В таких условиях встреча и соединение гамет становятся делом случая. Много половых клеток погибает. Поэтому, для того чтобы повысить вероятность оплодотворения, рыбы, например, вынуждены выметывать огромное количество икры. Так, самки окуня мечут по 200-300 тыс. икринок, а самки трески - до 10 млн.

Вопросы:

1. На основании каких признаков можно утверждать, что клетка амебы является самостоятельным организмом?

2. Охарактеризуйте процессы питания и выделения у амебы.

3. Объясните, какова роль простейших в природе.

4. Установите наличие связи между средой обитания и типами питания эвглены зеленой.

5. Проведите сравнение способов размножения амебы протея и эвглены зеленой.

6. Дайте обоснование утвеждению о промежуточном положении эвглены зеленой между двумя царствами живой природы.

7. В чем проявляется усложнение организации колониальных форм жгутиконосцев? Поясните ответ примерами.

8. Докажите на конкретных примерах, что инфузории имеют более сложное строение, чем саркодовые и жгутиконосцы.

9. Установите связь между усложнением строения инфузории-туфельки и процессами питания и выделения.

10. Охарактеризуйте особенности процесса размножения инфузории-туфельки.

11. Объясните, почему половой процесс не является половым размножением. В чем его биологическое значение?

12. Объясните, какие функции выполняет клетка простейших.

13. Назовите меры, предупреждающие заболевание амебной дизентерией и малярией.

14. Сформулируйте вывод о роли простейших в природе и их влиянии на человека.

15. Объясните, почему клетка простейших является самостоятельным организмом.

16. Охарактеризуйте среды обитания одноклеточных. Какое условие является обязательным для их существования?

17. Объясните, в чем заключаются функции вакуолей в организме одноклеточных.

18. Установите взаимосвязь строения и способов движения одноклеточных.

19. Назовите черты приспособленности простейших к неблагоприятным условиям.

20. Опишите роль в природе двух-трех представителей простейших, обитающих в водной среде.

21. Назовите меры предупреждения заболеваний, вызываемых простейшими.

22. Назовите фамилию ученого, который первым описал группу простейших животных.

23. Что является общим в строении простейших?

24. Почему ученые утверждают, что у животных и растений были общие предки?

25. Объясните, в каком смысле врачи часто используют выражение "болезни грязных рук". Приведите примеры болезней, к которым оно относится.

26. Закончите предложения, вписав необходимые слова.

Если банку с.... подержать несколько дней в темном шкафу, то цвет из исчезнет. ... станут светлыми, но не погибнут, так как в темноте они питаются как... . На свету... вновь.... и начнут питаться как... .

27. Вставьте пропущенные буквы. Дайте определения понятий.

С..мб..оз - ...

К..лония - ...

Рак..вина - ...

Ц..ста - ...

28. Объясните, как между собой связаны способ питания и образ жизни простейшего.

29. Верно ли утверждение: "У школьного мела, у стен дворца и у стен пирамиды один источник, одна основа? Докажите свою точку зрения.

Какие утверждения верны?

1. Клетка простейших выполняет роль самостоятельного организма.

2. Размножение у амебы бесполое, а у инфузории-туфельки - и бесполое, и половое.

3. Органоидами движения инфузории-туфельки являются ложноножки.

4. Эвглена зеленая является переходной формой от растений к животным: имеет хлорофилл, как у растений, а питается гетеротрофно и передвигается, как животные.

5. Амеба имеет в организме ядра двух типов.

6. Малое ядро у инфузории участвует в половом размножении, а большое отвечает за жизнедеятельность.

7. Дизентерийную амебу переносят комары.

Вспомните!

Где в организме человека происходит образование половых клеток?

Яйцеклетки – женские половые гаметы образуются в яичниках, парных органах. Сперматозоиды – мужские половые клетки образуются в семенниках, парных органах.

Какой набор хромосом содержат гаметы? Почему?

Гаплоидный набор – это половинный набор хромосом, одинарный (нечетное число), такой набор содержится в половых клетках (гаметах) обозначается n. Например, гаплоидный набор хромосом человека n=23. Так как при оплодотворении двух половых клеток восстанавливается полный диплоидный набор организма – зиготы.

Вопросы для повторения и задания

1. Сравните строение мужских и женских половых клеток. В чём их сходство и отличия?

Яйцеклетки - это относительно крупные неподвижные клетки округлой формы. У некоторых рыб, пресмыкающихся и птиц они содержат большой запас питательных веществ в виде желтка и имеют размеры от 10 мм до 15 см. Яйцеклетки млекопитающих, в том числе и человека, гораздо мельче (0,1-0,3 мм) и желтка практически не содержат. Сперматозоиды - мелкие подвижные клетки, у человека их длина всего около 60 мкм. У разных организмов они отличаются формой и размерами, но, как правило, все сперматозоиды имеют головку, шейку и хвост, обеспечивающий их подвижность. В головке сперматозоида находится ядро, содержащее хромосомы, и акросома - особый пузырёк с ферментами, необходимыми для растворения оболочки яйцеклетки. В шейке сосредоточены митохондрии, которые обеспечивают движущийся сперматозоид энергией их длина всего около 60 мкм.

Яйцеклетка имеет:

Большие размеры

Округлая форма

Наличие большого количества желтка (питательные вещества будущего зародыша)

Наличие яйцевых оболочек

Сперматозоиды имеют:

Небольшие размеры

Разнообразные формы у разных млекопитающих

Орган передвижения (жгутики от 1 до нескольких)

Большое количество митохондрий

Отсутствие рибосом и ЭПС, видоизмененный аппарат Гольджи.

2. От чего зависит размер яйцеклеток? Объясните, почему яйцеклетки млекопитающих - одни из самых мелких.

От запаса питательных веществ. У млекопитающих развитие идет в утробе матери, ее размеры не могут быть большими, так как зародыш развивается в матке, сама матка пронизана кровеносными сосудами, которые так же служат источником питательных веществ и кислорода.

3. Какие периоды выделяют в процессе развития половых клеток?

1 этап – размножение первичных половых клеток

2 этап – рост половых клеток

3 этап – созревание половых клеток

4 этап – формирование половых клеток (только для сперматогенеза), в овогенезе на 4 этапе происходит отмирание полярного тельца ил формирование яйцевых оболочек.

4. Расскажите, как протекает период созревания (мейоз) в процессе сперматогенеза; овогенеза.

Третья стадия - это мейоз. Мейоз - это особый способ деления клеток, приводящий к уменьшению числа хромосом вдвое и к переходу клетки из диплоидного состояния в гаплоидное. Будущие гаметы на стадии созревания делятся дважды. Клетки, приступающие к мейозу, содержат диплоидный набор уже удвоенных хромосом.

Профаза первого мейотического деления (профаза I) значительно длиннее, чем профаза митоза. В это время удвоенные хромосомы, каждая из которых состоит уже из двух сестринских хроматид, спирализуются и приобретают компактные размеры. Затем гомологичные хромосомы располагаются параллельно друг другу, образуя так называемые биваленты или тетрады, состоящие из двух хромосом (четырёх хроматид). Между гомологичными хромосомами может произойти обмен соответствующими гомологичными участками (кроссинговер), что приведёт к перекомбинации наследственной информации и образованию новых сочетаний отцовских и материнских генов в хромосомах будущих гамет. К концу профазы I ядерная оболочка разрушается.

В метафазе I гомологичные хромосомы попарно в виде бивалентов, или тетрад, располагаются в экваториальной плоскости клетки, и к их центромерам присоединяются нити веретена деления.

В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалента (тетрады) расходятся к полюсам. Следовательно, в каждую из двух образующихся клеток попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом - число хромосом уменьшается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома при этом всё ещё состоит из двух сестринских хроматид.

В телофазе I образуются клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом и удвоенное количество ДНК. Спустя короткий промежуток времени клетки приступают ко второму мейотическому делению, которое протекает как типичный митоз, но отличается тем, что участвующие в нём клетки гаплоидны.

В профазе II разрушается ядерная оболочка.

В метафазе II хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом.

В анафазе II центромеры, соединяющие сестринские хроматиды, делятся, хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами и расходятся к разным полюсам клетки.

Телофаза II завершает второе деление мейоза.

При сперматогенезе на стадии созревания в результате мейоза образуется четыре одинаковые клетки - предшественники сперматозоидов, которые на стадии формирования приобретают характерный вид зрелого сперматозоида и становятся подвижными. Каждый месяц в одном из яичников у женщины продолжает развитие одна из остановившихся в своем делении клеток. В результате первого деления мейоза образуется крупная клетка - предшественник яйцеклетки и маленькое, так называемое полярное, тельце, которые вступают во второе деление мейоза. На стадии метафазы II предшественница яйцеклетки овулирует, т. е. выходит из яичника в брюшную полость, откуда попадает в яйцевод. Если слияния со сперматозоидом не происходит, не закончившая деление клетка погибает и выводится из организма. Полярные тельца служат для удаления избытка генетического материала и перераспределения питательных веществ в пользу яйцеклетки. Спустя некоторое время после деления они погибают.

6. В чём заключается биологический смысл и значение мейоза?

1) является основным этапом гаметогенеза;

2) обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;

3) дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой.

А так же, биологическое значение мейоза заключается в том, что уменьшение числа хромосом необходимо при образовании половых клеток, поскольку при оплодотворении ядра гамет сливаются. Если бы указанной редукции не происходило, то в зиготе (следовательно, и во всех клетках дочернего организма) хромосом становилось бы вдвое больше. Однако это противоречит правилу постоянства числа хромосом. Благодаря мейозу половые клетки гаплоидны, а при оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом

Подумайте! Вспомните!

1. Организм развился из неоплодотворённой яйцеклетки. Являются ли его наследственные признаки точной копией признаков материнского организма?

Да. Такой тип размножения называется партеногенез. Партеногенез (Parthenogenesis - от греч. parthenos - девушка, девственница + genesis-зарождение) - форма полового размножения, при котором развитие организма происходит из женской половой клетки (яйцеклетки) без оплодотворения ее мужской (сперматозоид).

Это половое, но однополое размножение, возникшее в процессе эволюции организмов у раздельнополых форм. В тех случаях, когда партеногенетические виды представлены только самками, одно из главных биологических преимуществ партеногенеза заключается в ускорение темпа размножения вида, так как все особи подобных видов способны оставить потомство. В случае если из оплодотворенных яйцеклеток развивается самка, а из неоплодотворенных самец, партеногенез способствует регуляции численности и соотношения полов (например, у пчел партеногенетически развиваются самцы - трутни, а из оплодотворенных - самки - матки и рабочие пчелы).

Партеногенетически может развиваться либо яйцеклетка, прошедшая мейоз и содержащая гаплоидный набор хромосом(n) (генеративный, гаплоидный, или мейотический партеногенетический), либо яйцеклетка одной из премейотических стадий оогенеза с сохранением свойственного данному виду хромосомного набора - диплоидного (2n) или полиплоидного (3n, 4n, 5n редко 6n , 8n) (амейотический партеногенез). При некоторых формах партеногенеза слияние гаплоидного ядра яйцеклетки с гаплоидным ядром направительного (полярного) тельца приводит к восстановлению диплоидности (аутомиктический партеногенез). От этих особенностей партеногенеза зависит генотип, пол партогенетического потомства, а так же сохранение или утрата гетерозиготности, приобретение гомозиготности и др.

2. Объясните, почему для обозначения мужских половых клеток существует два термина: спермии (например, у покрытосеменных растений) и сперматозоиды.

Сперматозоиды – это мужские половые клетки, обладающие способностью к активному движению за счет жгутика. Спермий – это мужская половая клетка растений (голосеменные, покрытосеменные), лишенная жгутиков; передвигается пассивно - в результате роста пыльцевой трубки.