Sexuelle Fortpflanzung - Sexual reproduction

Im ersten Stadium der sexuellen Fortpflanzung, der „ Meiose “, wird die Chromosomenzahl von einer diploiden Zahl (2n) auf eine haploide Zahl (n) reduziert . Bei der „ Befruchtung “ kommen haploide Gameten zu einer diploiden Zygote zusammen und die ursprüngliche Chromosomenzahl wird wiederhergestellt.

Sexuelle Fortpflanzung ist eine Art der Wiedergabe , die einen Komplex umfasst Lebenszyklus , in dem ein Gameten (wie einem Spermium oder Eizelle ) mit einem einzigen Satz von Chromosomen ( haploid ) verbindet sich mit einem anderen A herzustellen Zygote , die in einen Organismus entwickelt sich zusammen aus Zellen mit zwei Chromosomensätzen ( diploid ). Die sexuelle Fortpflanzung ist der häufigste Lebenszyklus bei mehrzelligen Eukaryoten wie Tieren , Pilzen und Pflanzen . Bei Prokaryoten (Organismen ohne Zellkerne ) findet keine sexuelle Fortpflanzung statt , aber sie haben Prozesse mit ähnlichen Wirkungen wie bakterielle Konjugation , Transformation und Transduktion , die bei frühen Eukaryoten Vorläufer der sexuellen Fortpflanzung gewesen sein können.

Bei der Produktion von Geschlechtszellen in Eukaryoten teilen sich diploide Mutterzellen in einem Prozess namens Meiose , der eine genetische Rekombination beinhaltet , zu haploiden Zellen, die als Gameten bekannt sind . Die homologen Chromosomen paaren sich, so dass ihre DNA- Sequenzen aufeinander abgestimmt sind, und es folgt der Austausch genetischer Informationen zwischen ihnen. Zwei Zellteilungsrunden produzieren dann vier haploide Gameten, jede mit der halben Anzahl von Chromosomen aus jeder Elternzelle, aber mit der genetischen Information in den Elternchromosomen rekombiniert. Zwei haploide Gameten verbinden sich in einem Prozess namens Befruchtung zu einer diploiden Zelle, die als Zygote bekannt ist . Die Zygote enthält genetisches Material von beiden Gameten. Mehrfache Zellteilungen ohne Veränderung der Chromosomenzahl bilden dann eine vielzellige diploide Phase oder Generation.

Bei der menschlichen Fortpflanzung enthält jede Zelle 46 Chromosomen in 23 Paaren. Die Meiose in den Gonaden der Eltern produziert Gameten, die jeweils nur 23 Chromosomen enthalten, die genetische Rekombinanten der DNA-Sequenzen sind, die in den Elternchromosomen enthalten sind. Wenn die Kerne der Gameten zusammenkommen, um eine befruchtete Eizelle oder Zygote zu bilden, hat jede Zelle des resultierenden Kindes 23 Chromosomen von jedem Elternteil oder 46 insgesamt.

Nur bei Pflanzen produziert die diploide Phase, bekannt als Sporophyt , Sporen durch Meiose, die keimen und sich dann durch Mitose teilen, um eine haploide mehrzellige Phase, den Gametophyten , zu bilden, der direkt durch Mitose Gameten produziert. Diese Art des Lebenszyklus, bei der zwei vielzellige Phasen, der sexuell haploide Gametophyt und der asexuelle diploide Sporophyt, alterniert werden , wird als Generationswechsel bezeichnet .

Die Entwicklung der sexuellen Fortpflanzung wird als paradox angesehen, da die asexuelle Fortpflanzung in der Lage sein sollte, diese zu übertreffen, da jeder geschaffene junge Organismus seine eigenen Jungen gebären kann. Dies impliziert, dass eine asexuelle Bevölkerung die intrinsische Fähigkeit besitzt, mit jeder Generation schneller zu wachsen. Diese 50% Kosten sind ein Fitnessnachteil der sexuellen Fortpflanzung. Die doppelten Kosten von Sex beinhalten diese Kosten und die Tatsache, dass jeder Organismus nur 50% seiner eigenen Gene an seine Nachkommen weitergeben kann. Ein eindeutiger Vorteil der sexuellen Fortpflanzung besteht darin, dass sie die Anhäufung genetischer Mutationen verhindert .

Sexuelle Selektion ist eine Art der natürlichen Selektion, bei der einige Individuen andere einer Population übertreffen, weil sie besser darin sind, Partner für die sexuelle Fortpflanzung zu finden. Es wurde als „eine mächtige evolutionäre Kraft beschrieben, die in asexuellen Populationen nicht existiert“.

Evolution

Die ersten versteinerten Beweise für die sexuelle Fortpflanzung bei Eukaryoten stammen aus der Stenian- Zeit vor etwa 1 bis 1,2 Milliarden Jahren.

Biologen studieren Entwicklung schlagen mehrere Erklärungen für die Entwicklung der sexuellen Fortpflanzung und deren Wartung. Zu diesen Gründen gehören die Verringerung der Wahrscheinlichkeit der Anhäufung schädlicher Mutationen, die Erhöhung der Anpassungsrate an sich ändernde Umgebungen , der Umgang mit Konkurrenz , die DNA-Reparatur und die Maskierung schädlicher Mutationen. Alle diese Vorstellungen darüber, warum die sexuelle Fortpflanzung aufrechterhalten wurde, werden im Allgemeinen unterstützt, aber letztendlich bestimmt die Größe der Bevölkerung, ob die sexuelle Fortpflanzung vollständig von Vorteil ist. Größere Populationen scheinen schneller auf einige der Vorteile zu reagieren, die durch sexuelle Fortpflanzung erzielt werden, als kleinere Populationen.

Die Aufrechterhaltung der sexuellen Fortpflanzung wurde durch Theorien erklärt, die auf mehreren Selektionsebenen funktionieren , obwohl einige dieser Modelle umstritten bleiben. Neuere Modelle, die in den letzten Jahren vorgestellt wurden, legen jedoch einen grundlegenden Vorteil für die sexuelle Fortpflanzung nahe, indem sie komplexe Organismen langsam reproduzieren .

Die sexuelle Fortpflanzung ermöglicht es diesen Arten, Eigenschaften zu zeigen, die von der spezifischen Umgebung , in der sie leben, und den besonderen Überlebensstrategien, die sie anwenden , abhängen .

Sexuelle Selektion

Um sich geschlechtlich fortpflanzen zu können, müssen sowohl Männchen als auch Weibchen einen Partner finden . Im Allgemeinen wird bei Tieren die Partnerwahl von den Weibchen getroffen, während die Männchen um die Wahl konkurrieren. Dies kann dazu führen Organismen extreme Anstrengungen , um, wie Kampf und Anzeige zu reproduzieren, oder produzieren extreme Funktionen durch ein verursachte positives Feedback als bekannt Fisherian Ausreißer . Somit hat die sexuelle Fortpflanzung als eine Form der natürlichen Auslese einen Einfluss auf die Evolution . Beim Geschlechtsdimorphismus variieren die grundlegenden phänotypischen Merkmale zwischen Männchen und Weibchen derselben Art . Dimorphismus findet sich in beiden Geschlechtsorganen und in sekundären Geschlechtsmerkmalen , Körpergröße, Körperkraft und Morphologie, biologischer Ornamentik , Verhalten und anderen Körpermerkmalen. Die sexuelle Selektion wird jedoch nur über einen längeren Zeitraum impliziert, was zu einem Sexualdimorphismus führt.

Tiere

Insekten

Eine australische Kaiserlibelle legt Eier, bewacht von einem Männchen

Insektenarten machen mehr als zwei Drittel aller existierenden Tierarten aus. Die meisten Insektenarten vermehren sich sexuell, obwohl einige Arten fakultativ parthenogenetisch sind . Viele Insektenarten haben einen Geschlechtsdimorphismus , während bei anderen die Geschlechter fast identisch aussehen. Typischerweise haben sie zwei Geschlechter, wobei Männchen Spermatozoen und Weibchen Eizellen produzieren. Die Eizellen entwickeln sich zu Eiern, die eine Hülle namens Chorion haben , die sich vor der inneren Befruchtung bildet. Insekten haben sehr unterschiedliche Paarungs- und Fortpflanzungsstrategien, die meistens dazu führen, dass das Männchen Spermatophoren im Weibchen ablagert, die es speichert, bis es zur Eibefruchtung bereit ist. Nach der Befruchtung und der Bildung einer Zygote und unterschiedlicher Entwicklung werden bei vielen Arten die Eier außerhalb des Weibchens abgelegt; in anderen entwickeln sie sich innerhalb des Weibchens weiter und werden lebend geboren.

Vögel

Säugetiere

Es gibt drei Arten von Säugetieren: Monotremen , Plazenta und Beuteltiere , alle mit innerer Befruchtung. Bei plazentaren Säugetieren werden die Nachkommen als Jungtiere geboren: vollständige Tiere mit vorhandenen Geschlechtsorganen, die jedoch nicht reproduktiv funktionieren. Nach einigen Monaten oder Jahren entwickeln sich die Geschlechtsorgane je nach Art weiter zur Reife und das Tier wird geschlechtsreif . Die meisten weiblichen Säugetiere sind nur zu bestimmten Zeiten während ihres Brunstzyklus fruchtbar , zu welchem ​​Zeitpunkt sie bereit sind, sich zu paaren. Einzelne männliche und weibliche Säugetiere treffen sich und kopulieren . Bei den meisten Säugetieren tauschen Männchen und Weibchen während ihres gesamten Erwachsenenlebens Sexualpartner aus .

Fisch

Die allermeisten Fischarten legen Eier, die dann vom Männchen befruchtet werden. Einige Arten legen ihre Eier auf einem Substrat wie einem Felsen oder auf Pflanzen ab, andere streuen ihre Eier und die Eier werden befruchtet, wenn sie in der Wassersäule treiben oder sinken.

Einige Fischarten verwenden eine innere Befruchtung und verteilen dann die sich entwickelnden Eier oder bringen lebende Nachkommen zur Welt. Zu den Fischen, die lebende Nachkommen haben, gehören der Guppy und Mollys oder Poecilia . Fische, die lebende Junge gebären, können ovovivipar sein , bei denen die Eier im Weibchen befruchtet werden und die Eier einfach im weiblichen Körper schlüpfen, oder bei Seepferdchen trägt das Männchen die sich entwickelnden Jungen in einem Beutel und bringt lebende Junge zur Welt. Fische können auch lebendgebärend sein , wobei das Weibchen den im Inneren wachsenden Nachwuchs mit Nahrung versorgt. Einige Fische sind Hermaphroditen , bei denen ein einzelner Fisch sowohl männlich als auch weiblich ist und Eier und Sperma produzieren kann. Bei zwittrigen Fischen sind einige gleichzeitig männlich und weiblich, während sie bei anderen Fischen seriell zwittrig sind; als ein Geschlecht beginnen und zum anderen wechseln. Bei mindestens einer hermaphroditischen Art kommt es zur Selbstbefruchtung, wenn die Eier und das Sperma zusammen freigesetzt werden. Bei einigen anderen Arten kann es zu einer inneren Selbstbefruchtung kommen. Eine Fischart reproduziert sich nicht durch sexuelle Fortpflanzung, sondern nutzt Sex, um Nachkommen zu produzieren; Poecilia formosa ist eine Unisex-Art, die eine Form der Parthenogenese namens Gynogenese verwendet , bei der sich unbefruchtete Eier zu Embryonen entwickeln, die weibliche Nachkommen produzieren. Poecilia formosa paaren sich mit Männchen anderer Fischarten, die eine innere Befruchtung verwenden, das Sperma befruchtet die Eier nicht, sondern stimuliert das Wachstum der Eier, die sich zu Embryonen entwickeln.

Reptilien

Gemeinsame Hausgeckos Paarung , ventrale Ansicht mit Hemipenis in die Kloake eingefügt ?

Amphibien

Weichtiere

Pflanzen

Tiere haben Lebenszyklen mit einer einzigen diploiden multizellulären Phase, die haploide Gameten direkt durch Meiose produziert. Männliche Gameten werden Spermien genannt und weibliche Gameten werden Eier oder Eizellen genannt. Bei Tieren führt die Befruchtung der Eizelle durch ein Spermium zur Bildung einer diploiden Zygote, die sich durch wiederholte mitotische Teilungen zu einem diploiden Erwachsenen entwickelt. Pflanzen haben zwei mehrzellige Lebenszyklusphasen, die zu einem Generationswechsel führen . Pflanzenzygoten keimen und teilen sich wiederholt durch Mitose, um einen diploiden mehrzelligen Organismus zu produzieren, der als Sporophyt bekannt ist. Der reife Sporophyt produziert durch Meiose haploide Sporen, die keimen und sich durch Mitose teilen, um eine mehrzellige Gametophytenphase zu bilden, die bei Reife Gameten produziert. Die Gametophyten verschiedener Pflanzengruppen variieren in ihrer Größe. Moose und andere pteridophytische Pflanzen können Gametophyten haben, die aus mehreren Millionen Zellen bestehen, während Angiospermen nur drei Zellen in jedem Pollenkörner haben.

Blühende Plfanzen

Blumen enthalten die Geschlechtsorgane von Blütenpflanzen.

Blütenpflanzen sind die dominierende Pflanzenform an Land und vermehren sich entweder sexuell oder ungeschlechtlich. Ihr hervorstechendstes Merkmal sind oft ihre Fortpflanzungsorgane, die im Allgemeinen Blumen genannt werden. Die Anthere produziert Pollenkörner , die die männlichen Gametophyten enthalten , die Spermienkerne produzieren. Damit die Bestäubung stattfinden kann, müssen Pollenkörner an der Narbe der weiblichen Fortpflanzungsstruktur ( Fruchtblatt ) anhaften , wobei sich die weiblichen Gametophyten innerhalb der Samenanlagen innerhalb des Eierstocks befinden . Nachdem der Pollenschlauch durch das Fruchtblatt gewachsen ist, wandern die Geschlechtszellkerne aus dem Pollenkorn in die Eizelle, um die Eizelle und die Endospermkerne innerhalb des weiblichen Gametophyten in einem als Doppelbefruchtung bezeichneten Prozess zu befruchten . Die resultierende Zygote entwickelt sich zu einem Embryo, während das triploide Endosperm (eine Samenzelle plus zwei weibliche Zellen) und das weibliche Gewebe der Eizelle das umgebende Gewebe im sich entwickelnden Samen hervorbringen. Der Eierstock, der den/die weiblichen Gametophyten produziert hat, wächst dann zu einer Frucht heran , die den Samen/die Samen umgibt. Pflanzen können sich entweder selbst bestäuben oder fremdbestäuben .

Im Jahr 2013 wurden Blumen aus der Kreidezeit (vor 100 Millionen Jahren) gefunden, die in Bernstein eingeschlossen waren, der älteste Beweis für die sexuelle Fortpflanzung einer blühenden Pflanze. Mikroskopische Bilder zeigten, dass aus Pollen Röhren wuchsen und die Narbe der Blüte durchdrangen. Der Pollen war klebrig, was darauf hindeutet, dass er von Insekten getragen wurde.

Nicht blühende Pflanzen wie Farne , Moos und Lebermoose verwenden andere Möglichkeiten der sexuellen Fortpflanzung.

Farne

Farne produzieren große diploide Sporophyten mit Rhizomen , Wurzeln und Blättern. Fruchtbare Blätter produzieren Sporangien , die haploide Sporen enthalten . Die Sporen werden freigesetzt und keimen, um kleine, dünne Gametophyten zu produzieren, die typischerweise herzförmig und grün gefärbt sind. Die Gametophyten- Prothalli produzieren bewegliche Spermien in den Antheridien und Eizellen in Archegonien auf derselben oder verschiedenen Pflanzen. Nach Regenfällen oder wenn Tau einen Wasserfilm bildet, werden die beweglichen Spermien von den Antheridien, die normalerweise auf der Oberseite des Thallus produziert werden, weggespritzt und schwimmen im Wasserfilm zu den Archegonien, wo sie die Eizelle befruchten. Um eine Kreuzung oder Kreuzbefruchtung zu fördern, werden die Spermien freigesetzt, bevor die Eizellen für die Spermien empfänglich sind, was es wahrscheinlicher macht, dass die Spermien die Eier verschiedener Thallus befruchten. Nach der Befruchtung bildet sich eine Zygote , die zu einer neuen sporophytischen Pflanze heranwächst. Der Zustand getrennter Sporophyten- und Gametophytenpflanzen wird als Generationenwechsel bezeichnet . Andere Pflanzen mit ähnlichen Lebenszyklen sind Psilotum , Lycopodium und Equisetum .

Bryophyten

Die Moose , darunter Lebermoose , Horn- und Moose , reproduzieren sowohl sexuell als auch vegetativ . Sie sind kleine Pflanzen, die an feuchten Standorten wachsen und wie Farne beweglich sind, Spermien mit Flagellen haben und Wasser benötigen, um die sexuelle Fortpflanzung zu erleichtern. Diese Pflanzen beginnen als haploide Spore, die zur dominanten Gametophytenform heranwächst, einem mehrzelligen haploiden Körper mit blattähnlichen Strukturen, die Photosynthese betreiben . Haploide Gameten werden in Antheridien (männlich) und Archegonien (weiblich) durch Mitose produziert. Die von den Antheridien freigesetzten Spermien reagieren auf Chemikalien, die von reifen Archegonien freigesetzt werden, schwimmen in einem Wasserfilm zu ihnen und befruchten die Eizellen, wodurch eine Zygote entsteht. Die Zygote teilt sich durch mitotische Teilung und wächst zu einem vielzelligen, diploiden Sporophyten heran. Der Sporophyt produziert Sporenkapseln ( Sporangien ), die durch Stängel ( Setae ) mit der Archegonie verbunden sind. Die Sporenkapseln produzieren Sporen durch Meiose und wenn sie reif sind, platzen die Kapseln auf, um die Sporen freizusetzen. Bryophyten weisen beträchtliche Unterschiede in ihren Fortpflanzungsstrukturen auf, und das Obige ist ein grundlegender Überblick. Auch bei einigen Arten ist jede Pflanze eingeschlechtig ( zweihäusig ), während andere Arten beide Geschlechter an derselben Pflanze hervorbringen ( monisch ).

Pilze

Puffballs, die Sporen abgeben

Pilze werden nach den Methoden der sexuellen Fortpflanzung klassifiziert, die sie anwenden. Das Ergebnis der sexuellen Fortpflanzung ist meistens die Produktion von ruhenden Sporen , die verwendet werden, um schlechte Zeiten zu überleben und sich auszubreiten. Bei der sexuellen Vermehrung von Pilzen gibt es typischerweise drei Phasen: Plasmogamie , Karyogamie und Meiose . Das Zytoplasma zweier Elternzellen fusioniert während der Plasmogamie und die Kerne fusionieren während der Karyogamie. Während der Meiose werden neue haploide Gameten gebildet und entwickeln sich zu Sporen. Die adaptiven Grundlagen für die Aufrechterhaltung der sexuellen Fortpflanzung bei den Pilzen Ascomycota und Basidiomycota ( dikaryon ) wurden von Wallen und Perlin überprüft. Sie kamen zu dem Schluss, dass der plausibelste Grund für die Aufrechterhaltung dieser Fähigkeit der Vorteil der Reparatur von DNA-Schäden ist , die durch eine Vielzahl von Belastungen durch Rekombination während der Meiose verursacht werden .

Bakterien und Archaeen

Drei verschiedene Prozesse in Prokaryoten werden als dem eukaryotischen Geschlecht ähnlich angesehen : bakterielle Transformation , die den Einbau fremder DNA in das Bakterienchromosom beinhaltet; bakterielle Konjugation , die ein Transfer von Plasmid- DNA zwischen Bakterien ist, aber die Plasmide werden selten in das Bakterienchromosom eingebaut; und Gentransfer und genetischer Austausch in Archaeen .

Die bakterielle Transformation beinhaltet die Rekombination von genetischem Material und ihre Funktion ist hauptsächlich mit der DNA-Reparatur verbunden . Die bakterielle Transformation ist ein komplexer Prozess, der von zahlreichen bakteriellen Genen kodiert wird, und ist eine bakterielle Anpassung für den DNA-Transfer. Dieser Prozess tritt auf natürliche Weise bei mindestens 40 Bakterienarten auf. Damit ein Bakterium exogene DNA binden, aufnehmen und in sein Chromosom rekombinieren kann, muss es in einen speziellen physiologischen Zustand eintreten, der als Kompetenz bezeichnet wird (siehe Natürliche Kompetenz ). Die sexuelle Fortpflanzung bei frühen einzelligen Eukaryoten kann sich aus einer bakteriellen Transformation oder aus einem ähnlichen Prozess bei Archaeen entwickelt haben (siehe unten).

Auf der anderen Seite ist die bakterielle Konjugation eine Art direkter DNA-Transfer zwischen zwei Bakterien, die durch ein externes Anhängsel namens Konjugationspilus vermittelt wird. Die bakterielle Konjugation wird durch Plasmidgene kontrolliert , die angepasst sind, um Kopien des Plasmids zwischen Bakterien zu verbreiten. Die seltene Integration eines Plasmids in ein bakterielles Wirtschromosom und die anschließende Übertragung eines Teils des Wirtschromosoms auf eine andere Zelle scheinen keine bakteriellen Anpassungen zu sein.

Die Exposition hyperthermophiler archaealer Sulfolobus-Spezies gegenüber DNA-schädigenden Bedingungen induziert eine zelluläre Aggregation, begleitet von einem hochfrequenten Austausch genetischer Marker . Ajon et al. stellten die Hypothese auf, dass diese zelluläre Aggregation die speziesspezifische DNA-Reparatur durch homologe Rekombination verstärkt. Der DNA-Transfer bei Sulfolobus kann eine frühe Form der sexuellen Interaktion sein, ähnlich den besser untersuchten bakteriellen Transformationssystemen, die auch einen speziesspezifischen DNA-Transfer beinhalten, der zu einer homologen rekombinatorischen Reparatur von DNA-Schäden führt.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links