У біологічному репродуктивному процесі існує два типи розмноження: статеве або генеративне розмноження та безстатеве або вегетативне розмноження . Обидва типи дозволяють забезпечити безперервність видів, але роблять це за допомогою дуже різних клітинних та генетичних механізмів, що має прямі наслідки для біологічного різноманіття, швидкості розмноження та здатності організмів адаптуватися до навколишнього середовища.
Жива істота або організм характеризується здатністю виконувати основні функції життя, включаючи розмноження , що дозволяє йому створювати подібні копії себе, або безстатевим шляхом від одного батька , або статевим шляхом щонайменше від двох батьків. Розуміння цих відмінностей є ключем до розуміння того, як популяції еволюціонують і чому деякі види розмножуються тим чи іншим способом залежно від середовища їхнього існування.
Що бутонізує?
Брунькування — один з різних типів безстатевого розмноження , при якому виробництво нової істоти відбувається шляхом утворення виростів , які називаються бруньками, на тілі батьківського організму, які ростуть і розвиваються і можуть залишатися прикріпленими до батьківського організму або окремо від нього.
З біологічної точки зору, брунькування – це нерівномірний поділ тіла батьківської особини . Початкова особина зберігає більшу частину своєї цитоплазми та структури, тоді як брунька починається як невеликий виступ, що містить клітини з тим самим генетичним матеріалом, що й батьківський організм. З часом ця брунька збільшується в розмірах, диференціюється і зрештою може розвинутися в повноцінний організм.
Термін «брунькування» походить від латинського слова geminus , що означає «близнюк». Нова особина, по суті, є «генетичним близнюком» батьків, оскільки обидва мають однакову спадкову інформацію через відсутність обміну ДНК з іншим організмом. Однак, незважаючи на цю генетичну схожість, умови навколишнього середовища можуть спричинити розвиток відмінностей у розмірі, формі або фізіологічному стані.
Брунькування спостерігається в одноклітинних організмів, таких як деякі дріжджі та найпростіші, а також у багатоклітинних організмів, таких як деякі рослини та безхребетні тварини (губки, гідри, корали та деякі медузи). Тому це широко поширений механізм у природі, особливо у видів, які живуть прикріпленими до субстрату або у водному середовищі, де обмін гамет був би більш витратним.
Безстатеве розмноження
Цей тип розмноження характеризується залученням лише однієї батьківської особини . Розмноження відбувається, у більшості випадків, шляхом мітозу , коли поділ клітин призводить до утворення двох або більше генетично ідентичних клітин.
Це тип розмноження, при якому не відбувається запліднення ; отже, немає обміну ДНК між різними особинами. Нова жива істота зазвичай зберігає характеристики організму, від якого вона походить. З цієї причини ми говоримо про клональне потомство або клони, тобто генетичні копії батьківського організму.
Існує велика різноманітність рослин, які можуть розмножуватися статевим або безстатевим шляхом, за допомогою бруньок, підземного коріння або повзучих стебел. У цих випадках один вид може чергувати обидва типи розмноження: безстатеве розмноження для швидкого розмноження за сприятливих умов та статеве розмноження для створення генетичної мінливості, коли середовище більш мінливе.
Інші організми, такі як морські зірки, можуть регенеруватися після втрати частини свого тіла, а багато інших можуть розмножуватися у великій кількості , ділячись безстатевим шляхом багато разів. У багатьох морських безхребетних регенерація, фрагментація та брунькування поєднуються як репродуктивні та виживальні стратегії.
Окрім брунькування, безстатеве розмноження включає інші важливі процеси, такі як бінарний поділ (типовий для прокаріотів, таких як бактерії та археї), споруляція (присутня у грибів, деяких рослин та бактерій), фрагментація та партеногенез , серед інших. Усі вони мають одну фундаментальну характеристику: однієї особини достатньо для виробництва нового потомства без потреби в партнері.
Статеве розмноження
Статеве розмноження характеризується участю двох клітин, що походять від мейозу , які об'єднуються шляхом запліднення. Ці статеві клітини, або гамети (зазвичай яйцеклітина та сперматозоїд у тварин або чоловічі та жіночі гамети у рослин), містять половину кількості хромосом дорослої особини.
Двоє батьків повинні брати участь, передаючи свою ДНК потомству. Отже, існують генетичні відмінності між батьками та потомством, а також між самим потомством. Ця варіація зумовлена комбінацією генів, що відбувається під час мейозу (шляхом генетичної рекомбінації), та випадковим об'єднанням гамет під час запліднення.
Статеве розмноження, попри те, що вимагає більше енергії та часу (пошук партнера, виробництво гамет, залицяння, запліднення, ембріональний розвиток), має важливу перевагу: воно породжує генетичне різноманіття . Це різноманіття збільшує ймовірність того, що в популяції будуть особини з характеристиками, які дозволять їм виживати та розмножуватися за змінних умов навколишнього середовища або за умови появи нових захворювань.
У деяких організмів, таких як дріжджі, існує здатність чергуватися між безстатевим розмноженням (брунькуванням) та статевим розмноженням, залежно від умов навколишнього середовища. У середовищах, багатих на поживні речовини, вони схильні використовувати безстатеве розмноження через його швидкість, тоді як у ситуаціях стресу або дефіциту вони можуть активувати статеві механізми для збільшення генетичної мінливості.
Як відбувається брунькування?
Безстатеве розмноження — це розмноження, яке відбувається без взаємодії між двома представниками одного виду. Клітини діляться за допомогою мітозу, де кожна хромосома копіюється перед поділом ядра, причому кожна нова клітина отримує ту саму генетичну інформацію. У випадку одноклітинних організмів на ділянці плазматичної мембрани утворюється опуклість, яка називається брунькою . Ядро батьківської клітини ділиться, і одне з дочірніх ядер мігрує в бруньку. За сприятливих умов брунька може утворити ще одну бруньку, перш ніж остаточно відокремиться від батьківської клітини.
На одноклітинному рівні це процес асиметричного мітозу , який відбувається в деяких одноклітинних організмах, таких як дріжджі. Одноклітинний організм складається з однієї клітини. Прикладами одноклітинних організмів є бактерії, мікроскопічні водорості, деякі гриби та найпростіші. Дивно, але одноклітинні організми становлять переважну більшість живих істот, що зараз населяють Землю, як за кількістю особин, так і за діапазоном середовищ існування, які вони колонізують.
Дріжджі, або ферменти, відносяться до будь-якого з різноманітних еукаріотичних організмів, класифікованих як гриби, будь то мікроскопічні аскоміцети чи базидіоміцети , з переважно одноклітинною формою в їхньому життєвому циклі. Вони зазвичай характеризуються безстатевим розмноженням шляхом брунькування або бінарного поділу та наявністю статевих стадій, які не прикріплені до спорокарпа (плодового тіла). У цих мікроорганізмів рішення про використання безстатевого чи статевого розмноження залежить від хімічних та екологічних сигналів, таких як наявність поживних речовин або феромонів, що виробляються іншими клітинами.
Мітоз – це власне поділ клітини, в результаті якого утворюються дві генетично ідентичні дочірні клітини . Він може відбуватися в клітинах як гаплоїдних, так і диплоїдних еукаріотичних організмів. Цей процес забезпечує рівномірний розподіл генетичного матеріалу між отриманими клітинами, зберігаючи таку ж кількість хромосом, як і в батьківській клітині.
Отже, це процес розмноження клітин, який складається переважно з поздовжнього поділу хромосом та поділу ядра й цитоплазми; в результаті утворюються дві дочірні клітини з такою ж кількістю хромосом і такою ж генетичною інформацією, як і батьківська клітина. Під час брунькування, після цього мітозу, ядро, яке мігруватиме до бруньки, стратегічно розташовується у виступі, що формується.
Брунькування – це процес, під час якого ядро ділиться, а цитоплазма також ділиться, але отримане ядро мігрує до клітинної мембрани, утворюючи брунькоподібну структуру, оточену цитоплазмою, створюючи таким чином дві клітини різного розміру. Материнська клітина зберігає більший об'єм, тоді як дочірня клітина спочатку менша, хоча й повністю здатна рости та ділитися самостійно за сприятливих умов.
Брунькування — поширений процес у губок, кнідарій та моховинок . Деякі види тварин можуть мати внутрішнє брунькування: бруньки, які виживають у несприятливих умовах завдяки захисному покриву. У випадку прісноводних губок бруньки мають захисну капсулу, що містить запасні речовини . З настанням весни захисна капсула втрачається, і з бруньки з'являється нова губка. У прісноводних моховинок виробляється шар хітину та кальцію, і їм не потрібні запасні речовини, оскільки вони перебувають у стані зимової сплячки.
У таких тварин, як гідри, поліпи медуз та корали, бруньки формуються на поверхні тіла батьківської особини, ростуть і в багатьох випадках відокремлюються, даючи початок незалежним особинам. В інших видів кілька особин, що утворюються в результаті брунькування, залишаються прикріпленими, утворюючи складні колонії, в яких усі мають один і той самий генетичний матеріал, але можуть виконувати спеціалізовані функції в межах групи.
Типи брунькування та інші типи безстатевого розмноження
Існує кілька типів безстатевого розмноження. До них належать брунькування , коли потомство росте на батьківському тілі (як, наприклад, бананові рослини). Інший тип – це геммули, коли батьківський організм випускає масу спеціалізованих клітин, з яких розвивається нова особина.
У ширшому контексті безстатевого розмноження ми також знаходимо:
- Бінарний поділ: Типово для прокаріотичних організмів, таких як бактерії та археї. Це відбувається шляхом дублювання генетичного матеріалу та симетричного поділу батьківської клітини на дві дочірні клітини однакового розміру.
- Спороношення: Присутні майже у всіх грибах, деяких рослинах (таких як папороті) та певних бактеріях. Вони утворюють стійкі спори оточені товстою стіною, яка дозволяє їм виживати в агресивних середовищах і проростати, коли умови покращуються.
- Фрагментація та регенерація: Організм ділиться на кілька фрагментів, кожен з яких може регенеруватися в повноцінну особину. Це відбувається, наприклад, у плоских червів та морських зірок.
- Партеногенез: Механізм, за допомогою якого нова особина розвивається з незапліднених жіночих статевих клітин. Він зустрічається у деяких безхребетних (комах, коловерток, плоских червів) та у деяких видів хребетних, таких як риби, амфібії та деякі рептилії.
Хоча всі ці механізми призводять до появи потомства, генетично подібного до батьківського, брунькування вирізняється своєю структурною простотою та тим, що в багатьох випадках дозволяє утворювати колонії , як це спостерігається у деяких кнідарій та губок. Крім того, брунькування може відбуватися зовні або всередині (наприклад, геммули у губок), що пропонує різні переваги залежно від середовища існування та життєвого циклу виду.
Безстатеве розмноження у рослин
Це відбувається у рослин, коли частина їх ділиться (стебло, гілка, брунька, бульба, кореневище тощо) та окремо розвивається в нову рослину. Це надзвичайно поширене явище та має багато різноманітних форм. До них належать:
- Трансплантати: Фрагмент стебла з однієї рослини (щеплення) вставляється в стебло або стовбур того ж виду або іншого, але сумісного виду. Його зазвичай використовують на фруктових деревах або декоративних видах для... розмножувати різновиди, що цікавлять та покращити виробництво.
- Ставки: Розмноження живцями передбачає зрізання фрагмента стебла з бруньками та його закопування. Потім потрібно чекати, поки проросте коріння. Це дає нову рослину, метод, широко використовуваний для чагарників та декоративних рослин.
- Різання або сегменти: Стебла готують у ємностях з водою або вологим ґрунтом, де вони утворюють нове коріння, після чого їх можна висаджувати. Це дуже поширений спосіб розмноження кімнатних рослин та видів, які легко вкорінюються.
- Культура тканин: Культивування здійснюється у середовищі, вільному від мікроорганізмів, з використанням поживних розчинів та рослинних гормонів, які стимулюють ріст коренів, стебел та листя з фрагмента рослини. Цей метод дозволяє розмножити тисячі однакових рослин з одного екземпляра.
- Шар: Він полягає в тому, що частину рослини закопують і чекають, поки вона вкоріниться. Потім її зрізають і пересаджують; це використовується, наприклад, для винограду та деяких витких рослин.
- Спороношення: тип розмноження за допомогою спор, поширений у папоротей, мохів та інших рослин, що не дають насіння.
У багатьох рослин брунькування відбувається через пазушні або кінцеві бруньки , які можуть дати початок новим пагонам, а в деяких випадках і цілим рослинам, якщо їх розділити та вкорінити. Поширеним прикладом є деякі сукуленти та кактуси, бічні пагони яких можуть розвинутися в нові рослини, якщо їх помістити на відповідний субстрат.
Інші приклади рослин, що розмножуються безстатевим шляхом (шляхом розширеного брунькування, паростків або змінених структур), включають тюльпани, лілії, картоплю та полуницю . У картоплі бульби зберігають запаси та проростають у нові рослини; у полуниці повзучі столони утворюють нові рослини, вкорінюючись у різних точках ґрунту.
Переваги та недоліки нестатевого розмноження
Безстатеве розмноження є більш ефективним для організмів, які залишаються на одному місці та не переміщуються в пошуках партнерів, або які живуть у відносно стабільному середовищі . Це метод, який використовують багато простих організмів, таких як бактерії, численні гриби, найпростіші та рослини, що швидко колонізують певне середовище.
Однак, безстатеве розмноження не призводить до значних генетичних відмінностей між організмами, а це означає, що цілі групи можуть бути знищені хворобами або раптовими змінами навколишнього середовища. Оскільки вони мають однаковий генотип, якщо загроза впливає на одну особину, вона, ймовірно, вплине на більшість її клонів таким самим чином.
Перевага
Серед біологічних переваг, які це передбачає, є швидкий поділ та простота, оскільки організмам не потрібно виробляти статеві клітини або витрачати енергію на операції, що передують заплідненню (пошук партнера, залицяння, зустріч гамет тощо).
Таким чином, одна особина може дати початок великій кількості потомства за допомогою таких засобів, як безстатеве спороутворення, поперечний поділ або брунькування, що сприяє швидкому заселенню нових територій . У середовищах, які залишаються стабільними протягом тривалого часу, ця стратегія може бути надзвичайно ефективною для зайняття доступного простору та використання ресурсів.
У конкретному випадку брунькування ще однією перевагою є те, що у багатьох тварин і рослин потомство може залишатися прикріпленим до батьківської особини, утворюючи колонії, які приносять користь одне одному: вони діляться поживними речовинами, захистом і, іноді, спеціалізованими функціями (наприклад, у коралів і деяких колоніальних кнідарій).
Недоліки
Однак, це має головний недолік – створення потомства без генетичної мінливості – клонів – оскільки всі вони генотипово ідентичні своїм батькам та один одному. Природний відбір не може «вибрати» найкраще адаптованих особин (оскільки всі однаково адаптовані в даному середовищі), і ці клоновані особини можуть бути не в змозі вижити в мінливому, ворожому середовищі, оскільки їм бракує генетичної інформації, необхідної для адаптації до цих змін.
Отже, цей вид може зникнути, якщо не знайдеться особина, яка б носіла сприятливу генетичну комбінацію внаслідок спонтанних мутацій. Хоча мутація породжує певну мінливість навіть у безстатевих популяціях, ця мінливість менша та накопичується повільніше, ніж у популяціях, що розмножуються статевим шляхом.
Ще один важливий аспект полягає в тому, що безстатеве розмноження не дозволяє перебудови генів , яка відбувається під час мейозу та запліднення, механізму, який при статевому розмноженні може усунути несприятливі комбінації та сприяти новим вигідним комбінаціям.
Приклади брунькування
У деяких багатоклітинних тварин, таких як кнідарії, губки та тунікати, поділ клітин відбувається шляхом брунькування. Бруньки зароджуються на тілі батьківського організму, а потім відокремлюються, розвиваючись у нові організми, ідентичні батьківському. Цей процес, відомий як брунькування, аналогічний вегетативному процесу розмноження у рослин.
Деякі помітні приклади організмів, що розмножуються брунькуванням:
- Водні губки. Вони утворюють зовнішні або внутрішні бруньки (геммули), що дозволяють їм переживати несприятливі умови та розселятися по нових місцях у водному середовищі.
- Деякі види дріжджових грибів. У них на поверхні материнської клітини утворюються маленькі бруньки, ростуть і зрештою відокремлюються як самостійні клітини.
- Деякі види медуз. Протягом свого життєвого циклу поліпи можуть утворювати медуз шляхом брунькування, таким чином генеруючи рухливу репродуктивну фазу.
- Гідри. Ці прісноводні кнідарії створюють невеликі виростки, які ростуть і стають незалежними як нові особини.
- Корали. Шляхом брунькування один поліп може дати початок багатьом іншим, які залишаються разом і утворюють колонії, що з часом можуть призвести до коралові рифи.
Приклади брунькування також спостерігаються в одноклітинних організмів, таких як деякі бактерії та деякі протисти (наприклад, деякі динофлагеляти), що демонструє, що цей механізм виник незалежно в кількох еволюційних групах завдяки його ефективності в розмноженні особин за сприятливих умов.
Брунькування, у поєднанні з іншими безстатевими механізмами, являє собою високоефективну стратегію швидкого та масового поширення виду, хоча й ціною зниження генетичної мінливості. Навпаки, статеве розмноження, хоча й більш енергетично вимогливе, забезпечує генетичне різноманіття, необхідне популяціям для адаптації до довгострокових змін навколишнього середовища. Глибоке розуміння обох типів розмноження дозволяє краще зрозуміти динаміку природних популяцій, функціонування екосистем і, у випадку мікроорганізмів, таких як дріжджі, навіть процеси, що становлять біомедичний та біотехнологічний інтерес.