Размножение и индивидуальное развитие
Две стратегии размножения и цена каждой: гаметогенез и оплодотворение, этапы онтогенеза от зиготы до взрослой особи, индукция Шпемана и закон Мюллера-Геккеля.
Весной в пруду плавают комки икры: одна лягушка выметывает тысячи икринок, и до взрослой особи доживают единицы. Слонница за жизнь приносит нескольких детёнышей — и почти каждый выживает. Две стратегии с одной целью: передать гены следующему поколению. Почему у одних видов потомки «дешёвые» и их тысячи, а у других — «дорогие» и их единицы, и что происходит между зиготой и взрослым организмом — разберём в этом уроке.
Бесполое и половое размножение
При бесполом размножении участвует одна особь, а потомство — её генетические копии: гены не перемешиваются. Бактерии и амёба делятся надвое, грибы и папоротники расселяются спорами, гидра и дрожжи почкуются, земляника даёт усы с розетками — вегетативное размножение. Такой путь быстр и выгоден там, где среда стабильна.
Способов бесполого размножения больше, чем кажется. Фрагментация — тело делится на части, и каждая дорастает до целого: так поступают кольчатые черви и спирогира, а ящерица, отращивая отброшенный хвост, демонстрирует родственную регенерацию. Полиэмбриония — из одной зиготы развивается несколько зародышей: у броненосца рождается четыре однояйцевых близнеца, и все они копии друг друга. У малярийного плазмодия — возбудителя малярии — бесполое размножение идёт множественным делением: из одной клетки сразу выходят десятки паразитов.
Половое размножение, гаметы и оплодотворение
Половое размножение собирает организм из двух гамет — гаплоидных клеток, созданных в ходе гаметогенеза путём мейоза. Из одной первичной половой клетки при сперматогенезе выходят четыре сперматозоида, при оогенезе — одна яйцеклетка с запасом питания и три мелких направительных тельца. Слияние гамет — оплодотворение — даёт диплоидную зиготу: у рыб и амфибий оно наружное, в воде, поэтому икринок нужны тысячи; у рептилий, птиц и млекопитающих — внутреннее, и потомство редкое, но защищённое. Главный выигрыш полового пути — комбинативная изменчивость: каждый потомок получает новый набор генов, а это материал для отбора.
Есть и промежуточные варианты. Партеногенез — развитие из неоплодотворённой яйцеклетки: у медоносной пчелы трутни вырастают из неоплодотворённых яиц и несут всего 16 хромосом, а матка и рабочие пчёлы — 32. У дафний летом царит партеногенез, а к осени из зимних яиц выходят и самцы. Многие черви и улитки — гермафродиты: в каждом организме есть и мужские, и женские половые железы, но самооплодотворение обычно предотвращено — наследственный материал всё равно обменивается между двумя особями.
Цена потомства объясняет его количество. Рыба-луна выметывает за нерест до 300 миллионов икринок — выживают единицы; у слона беременность длится почти 22 месяца, слонёнок рождается один, зато под охраной всей семьи. Правило простое: чем меньше заботы о потомстве, тем больше гамет нужно «в отпуск», поэтому у видов с наружным оплодотворением икринок тысячи, а у видов с внутренним оплодотворением и опекой счёт идёт на единицы.
Нажми на элемент, затем на категорию. Нажми на разложенный элемент — вернётся в пул.
Онтогенез: от зиготы до взрослого организма
Онтогенез — индивидуальное развитие от зиготы до смерти. Эмбриональный период открывает дробление: зигота делится митозом так быстро, что клетки-бластомеры не успевают расти, и общий объём зародыша не меняется. Получается бластула — пузырь с однослойной стенкой и полостью внутри. Следующая стадия — гаструла: стенка впячивается, и появляются два слоя, из которых затем закладывается третий: эктодерма, энтодерма и мезодерма. Опыты Ганса Шпемана на зародышах тритонов открыли эмбриональную индукцию: хордомезодерма «приказывает» эктодерме свернуться в нервную трубку — за эти работы Шпеман получил Нобелевскую премию 1935 года. После закладки органов начинается постэмбриональное развитие: прямое, как у человека и птиц, или непрямое — с личинкой и метаморфозом, как у головастика и гусеницы. Наконец, биогенетический закон Мюллера и Геккеля: онтогенез кратко повторяет филогенез — у зародышей позвоночных закладываются жаберные дуги, как у далёких предков.
Дробление у лягушки идёт стремительно: первые борозды деления появляются уже через пару часов после оплодотворения, и за сутки зародыш успевает дойти до бластулы. У человека путь дольше: зародыш добирается до стенки матки лишь на шестой-седьмой день. Часть клеток при этом гибнет по программе: кисть зародыша сначала растёт сплошной лопаточкой, и только гибель клеток между зачатками разделяет пальцы. Развитие — не только рост, но и управляемое удаление лишнего.
Прямое и непрямое развитие различаются «ценой» личинки. Непрямое даёт виду преимущество: личинка и взрослый не конкурируют за еду — головастик пасётся водорослями, а лягушка ловит насекомых. Зато превращение рискованно: на стадии метаморфоза животное почти беспомощно, и именно тогда его чаще всего съедают. Прямое развитие обходится дороже: детёныш рождается уже похожим на родителя, но требует долгой опеки — у слонов слонёнка кормят молоком до двух-трёх лет.
| Этап онтогенеза | Что происходит | Пример или факт |
|---|---|---|
| дробление | митозы без роста клеток | бластомеры дробят зиготу лягушки за часы |
| бластула | пузырь с однослойной стенкой | полость внутри называют бластоцелем |
| гаструла | закладываются слои зародыша | эктодерма, энтодерма, затем мезодерма |
| органогенез | формируются зачатки органов | нервная трубка из эктодермы у хордовых |
| постэмбриональный период | рост и созревание | головастик превращается в лягушку |
Как учёные заглянули в зародыш
Заглянуть внутрь зародыша людям помогли микроскопы: в 1827 году эмбриолог Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих и показал, что развитие идёт от простого к сложному, а не из готового миниатюрного существа, как предполагали раньше. Через несколько десятилетий после работ Бэра Карл Мюллер и Эрнст Геккель обобщили наблюдения за зародышами разных животных и сформулировали биогенетический закон. А современная наука помечает клетки зародыша безвредными красителями и следит за судьбой каждой — вплоть до её места в будущем органе.
Критические периоды: когда зародыш уязвим
Зародыш уязвим неравномерно. Первый критический период — начало дробления: сильное вредное воздействие в первую неделю обычно просто останавливает развитие. Второй, самый опасный, — с третьей по восьмую неделю, когда закладываются органы: алкоголь, никотин, некоторые лекарства и инфекции в это время вызывают пороки развития, поэтому будущей маме советуют быть осторожной заранее. Числа для контроля: у курицы инкубация длится 21 день, у утки — 28, у человека — в среднем 280 дней, и почти все органы заложены к концу третьего месяца.
- Гамета#
- половая клетка с гаплоидным набором хромосом
- Зигота#
- диплоидная клетка, возникшая при слиянии гамет
- Гаметогенез#
- созревание половых клеток путём мейоза
- Бластула#
- однослойный зародыш-пузырь с полостью
- Гаструла#
- многослойный зародыш с зачатками тканей
- Метаморфоз#
- перестройка личинки во взрослую особь
- Задача: при оогенезе из одной первичной половой клетки образуется одна яйцеклетка и три направительных тельца. Сколько яйцеклеток и телец дадут 120 первичных клеток?
- Шаг 1. Каждая клетка даёт ровно одну яйцеклетку: 120 клеток — 120 яйцеклеток.
- Шаг 2. Телец на каждую клетку три: 120 × 3 = 360 направительных телец.
- Шаг 3. Сравнение со сперматогенезом: там из одной клетки выходят 4 полноценных сперматозоида, поэтому мужских гамет получается вчетверо больше.
Как это спрашивают на контрольной
- Сравни бесполое и половое размножение: число участников, скорость, разнообразие потомства.
- Назови стадии эмбрионального развития и объясни, чем бластула отличается от гаструлы.
- Что такое эмбриональная индукция и на каких опытах её открыли?
- Почему в первые недели беременности лекарства и алкоголь особенно опасны?
- Что утверждает биогенетический закон и почему его нельзя понимать буквально?
Образец полного ответа. Вопрос: «Чем бластула отличается от гаструлы?» Ответ: «Бластула — однослойный пузырь с полостью внутри, она образуется в ходе дробления, когда бластомеры делятся, не успевая расти. Гаструла возникает дальше, когда стенка бластулы впячивается: зародыш становится многослойным, появляются эктодерма и энтодерма, а затем между ними закладывается мезодерма. Именно из этих листков потом развиваются все ткани и органы».
Понимание онтогенеза — не только экзаменационное: эмбриологи объясняют врождённые пороки, а врачи предупреждают, что в первые недели зародыш особенно чувствителен к лекарствам и алкоголю — именно в это время закладываются органы. Следующий урок продолжит тему прикладной генетики: как человек использует размножение и наследственность в селекции. Пока прогони квиз и разложи примеры по корзинам — путаница «бесполое — половое» стоит больше всех баллов.
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Что характерно для дробления зиготы?
2 Выбери все признаки бесполого размножения.
3 Сколько сперматозоидов образуется из одной первичной половой клетки при сперматогенезе? В ответе — число.
4 Двухслойный зародыш называют бластулой.
5 Расставь стадии эмбрионального развития в порядке прохождения.
6 Соедини зародышевый листок и то, что из него развивается.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
7 Дополни термины развития.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
Индивидуальное развитие организма от зиготы до смерти называют , а утверждение, что онтогенез кратко повторяет филогенез, — законом.
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Чем бластула отличается от гаструлы?
Бластула — пузырь с однослойной стенкой и полостью внутри, результат дробления. Гаструла образуется, когда стенка впячивается: зародыш становится многослойным, и именно из этих слоёв потом растут все ткани.
Что такое биогенетический закон простыми словами?
Мюллер и Геккель заметили, что зародыш кратко повторяет историю своего вида: у эмбриона позвоночного появляются жаберные дуги, как у далёких предков. Повторение неполное и изменённое — зародыш приспособлен к своей жизни, поэтому закон работает лишь как ориентир.
Что такое эмбриональная индукция?
Это влияние одного зачатка зародыша на развитие другого: хордомезодерма заставляет эктодерму свернуться в нервную трубку. Открыл явление Ганс Шпеман в опытах на тритонах, пересаживая кусочек зачатка другому зародышу, — за это он получил Нобелевскую премию 1935 года.
Почему при половом размножении потомство не копия родителей?
Гаметы несут разные комбинации генов после мейоза, а оплодотворение случайно складывает две такие комбинации. Поэтому каждый потомок получает новый набор признаков — этот разнобой и есть материал для естественного отбора.