I den biologiske reproduktionsproces er der to typer reproduktion: seksuel eller generativ reproduktion og aseksuel eller vegetativ reproduktion . Begge muliggør arternes kontinuitet, men de gør det gennem meget forskellige cellulære og genetiske mekanismer, hvilket har direkte konsekvenser for biologisk mangfoldighed, reproduktionshastigheden og organismers evne til at tilpasse sig miljøet.
Et levende væsen eller en organisme er karakteriseret ved sin evne til at udføre livets grundlæggende funktioner, herunder reproduktion , hvilket gør det muligt for det at producere lignende kopier af sig selv, enten aseksuelt fra en enkelt forælder eller seksuelt fra mindst to forældre. At forstå disse forskelle er nøglen til at forstå, hvordan populationer udvikler sig, og hvorfor nogle arter reproducerer sig på den ene eller anden måde afhængigt af deres miljø.
Hvad er spirende?
Knopskydning er en af de forskellige typer aseksuel reproduktion , hvor produktionen af et nyt væsen sker gennem dannelsen af fremspring , kaldet knopper, på moderorganismens krop, som vokser og udvikler sig og kan forblive fastgjort til moderorganismen eller adskille sig fra den.
Fra et biologisk perspektiv er knopskydning en ulige opdeling af forældrenes krop . Det oprindelige individ bevarer det meste af sit cytoplasma og sin struktur, mens knoppen begynder som en lille fremspring, der indeholder celler med det samme genetiske materiale som forældreorganismen. Med tiden øges denne knop i størrelse, differentierer sig og kan til sidst udvikle sig til en komplet organisme.
Udtrykket knopskydning kommer fra det latinske ord *geminus *, der betyder "tvilling". Det nye individ er i realiteten en "genetisk tvilling" til forælderen, da begge deler den samme arvelige information, fordi der ikke er nogen udveksling af DNA med en anden organisme. Men på trods af denne genetiske lighed kan miljøforhold få dem til at udvikle forskelle i størrelse, form eller fysiologisk tilstand.
Knopskydning observeres i encellede organismer såsom nogle gærarter og protozoer, og også i flercellede organismer såsom visse planter og hvirvelløse dyr (svampe, hydraer, koraller og nogle vandmænd). Det er derfor en udbredt mekanisme i naturen, især hos arter, der lever bundet til et substrat eller i akvatiske miljøer, hvor udveksling af gameter ville være mere omkostningsfuld.
Asexual reproduktion
Denne type reproduktion er karakteriseret ved kun at involvere ét forælderindivid . Reproduktion sker i de fleste tilfælde gennem mitose , hvor celledeling resulterer i to eller flere genetisk identiske celler.
Det er en form for reproduktion, hvor befrugtning ikke finder sted ; derfor er der ingen udveksling af DNA mellem forskellige individer. Det nye levende væsen bevarer generelt karakteristikaene fra den organisme, det stammer fra. Af denne grund taler vi om klonale afkom eller kloner, det vil sige genetiske kopier af moderorganismen.
Der findes en bred vifte af planter, der kan formere sig seksuelt eller aseksuelt, gennem knopper, underjordiske rødder eller krybende stængler. I disse tilfælde kan en enkelt art skifte mellem begge typer reproduktion: aseksuel reproduktion for at formere sig hurtigt, når forholdene er gunstige, og seksuel reproduktion for at generere genetisk variation, når miljøet er mere foranderligt.
Andre organismer, såsom søstjerner, kan regenerere sig efter at have mistet en del af deres krop, og mange andre kan formere sig i stort antal ved at dele sig aseksuelt adskillige gange. Hos mange marine hvirvelløse dyr kombineres regenerering, fragmentering og knopskydning som reproduktions- og overlevelsesstrategier.
Udover knopskydning omfatter aseksuel reproduktion andre vigtige processer såsom binær fission (typisk for prokaryoter som bakterier og arkæer), sporulation (findes i svampe, nogle planter og bakterier), fragmentering og parthenogenese , blandt andre. De deler alle en grundlæggende egenskab: et enkelt individ er tilstrækkeligt til at producere nyt afkom uden behov for en partner.
Seksuel reproduktion
Seksuel reproduktion er karakteriseret ved deltagelse af to celler, der stammer fra meiose, og som forenes gennem befrugtning. Disse kønsceller, eller gameter (generelt et æg og en sædcelle hos dyr, eller hanlige og hunlige gameter hos planter), indeholder halvdelen af antallet af kromosomer hos et voksent individ.
To forældre skal deltage og overføre deres DNA til deres afkom. Derfor findes der genetiske forskelle mellem forældre og afkom, såvel som mellem afkommet selv. Denne variation skyldes kombinationen af gener, der opstår under meiose (gennem genetisk rekombination) og den tilfældige forening af gameter under befrugtning.
Seksuel reproduktion har, på trods af at den kræver mere energi og tid (at finde en partner, produktion af kønsceller, kurtisering, befrugtning, embryonal udvikling), en stor fordel: den genererer genetisk diversitet . Denne diversitet øger sandsynligheden for, at der inden for en population vil være individer med karakteristika, der gør det muligt for dem at overleve og reproducere sig under skiftende miljøforhold eller i lyset af nye sygdomme.
Hos nogle organismer, såsom gær, er der evnen til at skifte mellem aseksuel reproduktion (ved knopskydning) og seksuel reproduktion, afhængigt af miljøforholdene. I næringsrige miljøer har de en tendens til at bruge aseksuel reproduktion på grund af dens hastighed, mens de i stresssituationer eller knaphed kan aktivere seksuelle mekanismer for at øge den genetiske variation.
Hvordan opstår knopskydning?
Aseksuel reproduktion er reproduktion, der sker uden interaktion mellem to medlemmer af samme art. Celler deler sig ved hjælp af mitose, hvor hvert kromosom kopieres, før cellekernen deler sig, hvor hver ny celle modtager den samme genetiske information. I tilfælde af encellede organismer dannes en udbuling kaldet en knop på en del af plasmamembranen . Cellekernen i modercellen deler sig, og en af datterkernerne migrerer ind i knoppen. Under gunstige forhold kan knoppen producere en anden knop, før den endelig adskiller sig fra modercellen.
På det encellede niveau er det en proces med asymmetrisk mitose , der forekommer i nogle encellede organismer, såsom gær. En encellet organisme består af en enkelt celle. Eksempler på encellede organismer omfatter bakterier, mikroskopiske alger, nogle svampe og protozoer. Overraskende nok repræsenterer encellede organismer langt størstedelen af de levende ting, der i øjeblikket bebor Jorden, både med hensyn til antallet af individer og udvalget af levesteder, de koloniserer.
Gær, eller ferment, refererer til enhver af de forskellige eukaryote organismer, der er klassificeret som svampe, hvad enten de er mikroskopiske ascomyceter eller basidiomyceter , med en overvejende encellet form i deres livscyklus. De er generelt karakteriseret ved aseksuel reproduktion gennem knopskydning eller binær fission og ved at have seksuelle stadier, der ikke er bundet til en sporokarp (frugtlegeme). I disse mikroorganismer afhænger beslutningen om at bruge aseksuel eller seksuel reproduktion af kemiske og miljømæssige signaler, såsom tilstedeværelsen af næringsstoffer eller feromoner produceret af andre celler.
Mitose er selve celledelingen, og den producerer to genetisk identiske datterceller . Det kan forekomme i cellerne i både haploide og diploide eukaryote organismer. Denne proces sikrer, at genetisk materiale fordeles ligeligt mellem de resulterende celler, idet det samme antal kromosomer som modercellen opretholdes.
Det er derfor en proces med cellereproduktion, der primært består af den longitudinelle deling af kromosomerne og delingen af cellekernen og cytoplasmaet; som et resultat dannes to datterceller med det samme antal kromosomer og den samme genetiske information som modercellen. I knopskydningen, efter denne mitose, placeres den cellekerne, der migrerer til knoppen, strategisk i den fremspring, der dannes.
Knopskydning er en proces, hvor cellekernen deler sig, og cytoplasmaet deler sig, men den resulterende cellekerne migrerer mod cellemembranen og danner en knoplignende struktur omgivet af cytoplasma, hvilket skaber to celler i forskellige størrelser. Modercellen bevarer et større volumen, mens dattercellen starter mindre, selvom den er fuldt ud i stand til at vokse og dele sig uafhængigt, når forholdene er de rette.
Knopskydning er en almindelig proces hos svampe, cnidarianer og bryozoer . Visse dyrearter kan have indre knopskydning: knopper, der overlever ugunstige forhold takket være et beskyttende lag. I tilfælde af ferskvandssvampe har knopperne en beskyttende kapsel, der indeholder reservestoffer . Når foråret kommer, mistes den beskyttende kapsel, og den nye svamp kommer ud af knoppen. I ferskvandsbryozoer produceres et lag af kitin og calcium, og de behøver ikke reservestoffer, fordi de er i dvale.
Hos dyr som hydraer, vandmændspolypper og koraller dannes knopper på overfladen af forældrenes krop, vokser og løsner sig i mange tilfælde, hvilket giver anledning til uafhængige individer. Hos andre arter forbliver flere individer, der er produceret ved knopskydning, bundet sammen og danner komplekse kolonier, hvor alle deler det samme genetiske materiale, men kan udføre specialiserede funktioner inden for gruppen.
Typer af knopskydning og andre typer aseksuel reproduktion
Der findes flere typer aseksuel reproduktion. Disse omfatter knopskydning , hvor afkommet vokser på moderkroppen (som f.eks. bananplanter gør). En anden type er gemmules, hvor moderorganismen frigiver en masse specialiserede celler, der udvikler sig til et nyt individ.
I den bredere kontekst af aseksuel reproduktion finder vi også:
- Binær fission: Typisk for prokaryote organismer såsom bakterier og arkæer. Det består af duplikering af genetisk materiale og symmetrisk opdeling af modercellen i to datterceller af samme størrelse.
- Sporulation: Findes i næsten alle svampe, nogle planter (såsom bregner) og visse bakterier. De danner resistente sporer omgivet af en tyk mur, der gør det muligt for dem at overleve i fjendtlige miljøer og spire, når forholdene forbedres.
- Fragmentering og regenerering: Organismen deler sig i flere fragmenter, som hver især kan regenerere til et komplet individ. Dette forekommer for eksempel hos fladorme og søstjerner.
- Parthenogenese: En mekanisme, hvorved et nyt individ udvikler sig fra ubefrugtede hunlige kønsceller. Det forekommer hos nogle hvirvelløse dyr (insekter, hjuldyr, fladorme) og hos visse hvirveldyrsarter såsom fisk, padder og nogle krybdyr.
Selvom alle disse mekanismer producerer afkom, der genetisk ligner forælderen, skiller knopskydning sig ud ved sin strukturelle enkelhed og ved i mange tilfælde at muliggøre dannelsen af kolonier , som observeret hos nogle cnidarianer og svampe. Desuden kan knopskydning forekomme eksternt eller internt (for eksempel hos ædelstene i svampe), hvilket giver forskellige fordele afhængigt af artens habitat og livscyklus.
Asexual reproduktion i planter
Dette sker i planter, når en del af dem deler sig (stængel, gren, knop, knold, rhizom osv.) og udvikler sig separat til en ny plante. Det er ekstremt udbredt og har mange forskellige former. Disse omfatter:
- Transplantater: Et stængelfragment fra én plante (podning) indsættes i stænglen eller stammen af den samme art eller en anden, men kompatibel art. Det bruges almindeligvis i frugttræer eller prydplanter til mange forskellige varianter af interesse og forbedre produktionen.
- Indsatser: Formering ved stiklinger indebærer at skære et stængelfragment med knopper over og begrave det. Derefter venter man, indtil rødderne spirer. Dette producerer en ny plante, en metode, der er meget anvendt til buske og prydplanter.
- Skæring eller segmenter: Stænglerne forberedes i beholdere med vand eller fugtig jord, hvor de danner nye rødder, hvorefter de kan plantes. Dette er en meget almindelig formeringsmetode for stueplanter og arter, der let slår rødder.
- Vævskultur: Dyrkningen udføres i et mikroorganismefrit medium ved hjælp af næringsopløsninger og plantehormoner, som inducerer væksten af rødder, stængler og blade fra et plantefragment. Denne teknik muliggør gange tusindvis af identiske planter fra et enkelt eksemplar.
- Lag: Det går ud på at begrave en del af planten og vente på, at den slår rod. Derefter skæres den af og omplantes; den bruges for eksempel i vinstokke og nogle klatreplanter.
- Sporulation: formering ved hjælp af sporer, almindelig i bregner, mosser og andre planter, der ikke producerer frø.
Hos mange planter sker knopskydning gennem aksillære eller terminale knopper , der kan give anledning til nye skud og i nogle tilfælde hele planter, hvis de adskilles og rodfæstes. Et almindeligt eksempel er visse sukkulenter og kaktusser, hvis sideskud kan udvikle sig til nye planter, hvis de placeres på et passende substrat.
Andre eksempler på planter, der formerer sig aseksuelt (enten ved forstørret knopskydning, spiring eller modificerede strukturer) omfatter tulipaner, liljer, kartofler og jordbær . Hos kartofler opbevarer knoldene reserver og spirer til nye planter; hos jordbær genererer krybende stoloner nye planter ved at slå rod på forskellige punkter i jorden.
Fordele og ulemper ved aseksuel reproduktion
Aseksuel reproduktion er mere effektiv for organismer, der forbliver på ét sted og ikke flytter for at finde en partner, eller som lever i relativt stabile miljøer . Det er den metode, der anvendes af mange simple organismer, såsom bakterier, adskillige svampe, protozoer og planter, der hurtigt koloniserer et specifikt miljø.
Aseksuel reproduktion fører dog ikke til betydelig genetisk variation mellem organismer, hvilket betyder, at hele grupper kan udryddes af sygdom eller pludselige miljøændringer. Fordi de deler den samme genotype, er det meget sandsynligt, at hvis en trussel påvirker ét individ, vil den påvirke de fleste af dets kloner på samme måde.
Advantage
Blandt de biologiske fordele, det medfører, er dets hurtige deling og dets enkelhed, da organismerne ikke behøver at producere kønsceller eller bruge energi på operationerne før befrugtning (søgning efter en partner, kurtisering, møde af gameter osv.).
På denne måde kan et enkelt individ give anledning til et stort antal afkom gennem metoder som dannelse af aseksuel spore, tværgående fission eller knopskydning, hvilket letter den hurtige kolonisering af nye territorier . I miljøer, der forbliver stabile i lange perioder, kan denne strategi være yderst effektiv til at besætte tilgængelig plads og udnytte ressourcer.
I det specifikke tilfælde af knopskydning er en anden fordel, at afkommet hos mange dyr og planter kan forblive knyttet til forælderen og danne kolonier, der gavner hinanden: de deler næringsstoffer, beskyttelse og undertiden specialiserede funktioner (for eksempel hos koraller og nogle koloniale cnidarianer).
Ulemper
Det har dog den store ulempe, at det producerer afkom uden genetisk variation - kloner - da alle er genotypisk identiske med deres forældre og med hinanden. Naturlig selektion kan ikke "vælge" de bedst tilpassede individer (da alle er lige tilpassede i et givet miljø), og disse klonede individer er muligvis ikke i stand til at overleve i et skiftende, fjendtligt miljø, fordi de mangler den genetiske information, der er nødvendig for at tilpasse sig denne forandring.
Derfor kan den art forsvinde, medmindre der er et individ, der bærer en gunstig genetisk kombination på grund af spontane mutationer. Selvom mutation genererer en vis variation, selv i aseksuelle populationer, er denne variation mindre og akkumuleres langsommere end i seksuelt reproducerende populationer.
Et andet vigtigt aspekt er, at aseksuel reproduktion ikke tillader den omlejring af gener , der sker under meiose og befrugtning, en mekanisme, der i seksuel reproduktion kan eliminere ugunstige kombinationer og favorisere nye fordelagtige kombinationer.
Eksempler på knopskydning
Hos visse flercellede dyr, såsom cnidarianer, svampe og sækdyr, sker celledeling gennem knopskydning. Knopperne stammer fra moderorganismens krop og løsnes derefter for at udvikle sig til nye organismer, der er identiske med moderorganismen. Denne proces, kendt som knopskydning, er analog med den vegetative reproduktionsproces i planter.
Nogle bemærkelsesværdige eksempler på organismer, der reproducerer sig ved knopskydning, er:
- Vandsvampene. De danner ydre eller indre knopper (gemmules), der gør det muligt for dem at overleve ugunstige forhold og sprede sig til nye steder i vandmiljøet.
- Visse typer gærsvampe. I dem dannes små knopper på overfladen af modercellen, vokser og adskiller sig til sidst som uafhængige celler.
- Nogle typer vandmænd. I deres livscyklus kan polypper producere vandmænd ved knopskydning, hvilket genererer den mobile reproduktionsfase.
- Hydras. Disse ferskvands cnidarianer genererer små fremspring, der vokser og bliver uafhængige som nye individer.
- Korallerne. Gennem knopskydning kan en polyp give anledning til mange andre, som forbliver sammen og danner kolonier, der over tid kan give anledning til koralrev.
Eksempler på knopskydning observeres også i encellede organismer, såsom nogle bakterier og visse protister (for eksempel nogle dinoflagellater), hvilket viser, at denne mekanisme er opstået uafhængigt i flere evolutionære grupper på grund af dens effektivitet i at duplikere individer, når miljøet er gunstigt.
Knopskydning, i forbindelse med andre aseksuelle mekanismer, repræsenterer en yderst effektiv strategi for hurtig og massiv ekspansion af en art, omend på bekostning af reduceret genetisk variation. I modsætning hertil giver seksuel reproduktion, selvom den er mere energikrævende, den genetiske diversitet, der er nødvendig for, at populationer kan tilpasse sig langsigtede miljøændringer. En grundig forståelse af begge typer reproduktion giver mulighed for en bedre forståelse af dynamikken i naturlige populationer, økosystemernes funktion og, i tilfælde af mikroorganismer som gær, endda processer af biomedicinsk og bioteknologisk interesse.