Охарактеризуйте биологическое преимущество полового размножения организма. Чем половое размножение отличается от бесполого
При бесполом размножении наследственные особенности в ряду поколений передаются без изменений. Генотип потомков в этом случае может изменяться лишь за счет случайных мутаций. Изменчивость таких организмов обычно незначительна.
Преимущество полового размножения по сравнению с бесполым заключается в том, что в диплоидной зиготе объединяются гаплоидные наборы хромосом разных клонов организмов, а, кроме того, при последующем образовании гамет происходит обмен гомологичными участками хромосом между гомологичными хромосомами исходных гаплоидных наборов ( кроссинговер). Таким образом, особи, возникшие при половом размножении, имеют новые, различающиеся между собой генотипы. При этом достигается перекомбинация наследственных свойств родителей, что увеличивает изменчивость и дает более богатый материал для естественного отбора. Приспособительные возможности и скорость эволюции организмов, размножающихся половым путем, оказывается, таким образом, существенно выше.
Тема: "РАЗМНОЖЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ
Способы размножения организмов"
Семинар 2 часа
МОУ гимназии № 10 г. Мурманска
Учитель
: Подмятникова Л.С.
,
учитель биологии, победитель конкурса лучших учителей РФ (НППО)
11 клас
Цели:
Учащиеся должны усвоить понятия «бесполое размножение, половое размножение, вегетативное размножение, споруляция, фрагментация, почкование, гаметы, гермафродизм, коньюгация, партеногенез, яичники, семенники, яйцеклетка, сперматозоид, гаметогенез, оогенез, сперматогенез, направительные тельца, зона размножения, зона роста, зона созревания, оплодотворение, зигота, двойное оплодотворение, микроспоры, мегаспоры, пыльцевое зерно, зародышевый мешок», знать сущность процессов гаметогенеза, оплодотворения, преимущества и недостатки бесполого и полового способов размножения.
Учащиеся должны уметь самостоятельно прорабатывать учебный материал, сравнивать биологические процессы, давать аргументированный ответ, делать выводы, применять знания в нестандартной ситуации.
Способствовать формированию научного мировоззрения, коммуникативных
качеств у обучающихся.
Размножение – это воспроизведение
себе подобных через себе неподобных.
Ход занятия.
I. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ, ВВЕДЕНИЕ В ТЕМУ.
На прошлом занятии мы подробно изучили разные способы деления
клеток, которые лежат в основе размножения и развития не только
одноклеточных, но и многоклеточных организмов.
- В чём заключается основное отличие митоза от мейоза?
- Каково биологическое значение митоза? мейоза?
Способность к размножению – одна из важнейших особенностей живого.
В процессе размножения происходит передача генетического материала
от родителей потомкам. Значение размножения для вида в целом
состоит в непрерывном восполнении количества особей данного
вида, умирающих по различным причинам. Кроме того, размножение
позволяет в благоприятных условиях увеличить количество особей.
Процесс размножения – один из самых разнообразных в природе.
В одних случаях размножение происходит непрерывно в течение
всей жизни организма, в других – только один раз. Иногда размножение
начинается после прекращения роста особи, а иногда оно возможно
и в процессе роста. Способы размножения можно разделить на две
группы: бесполое и половое (слайд
3) . . Хотя половое размножение по праву считается более
прогрессивным способом, многие организмы в жизненном цикле сохранили
способность размножаться бесполое способом (слайд 4).
- Почему половое размножение полностью не вытеснило
бесполое размножение?
II. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Познакомимся с особенностями и формами бесполого размножения
1. Бесполое размножение организмов – устный ответ, обсуждение
Итак, бесполое размножение широко распространено в природе.
Характерны следующие особенности (слайд
5). :
- в размножении принимает участие только одна особь;
- осуществляется без участия половых клеток;
- в основе размножения лежат митоз и мейоз (образование спор у растений);
- потомки идентичны и являются точными генетическими копиями материнской особи.
Формы бесполого размножения разнообразны (слайд 6) .
А). Бинарное деление – деление, при котором образуются две равноценные дочерние клетки (амеба) – (слайд 7) .
Б) Множественное деление, или шизогония. Материнская клетка распадается на большое количество более или менее одинаковых дочерних клеток (малярийный плазмодий).
В) Споруляция. Размножение посредством спор – специализированных клеток грибов и растений. Если споры имеют жгутик и подвижны, то их называют зооспорами (хламидомонада) (слайд 8) .
Г) Почкование. На материнской особи происходит образование выроста – почки, из которой развивается новая особь (дрожжи, гидра) (слайд 9).
Д) Фрагментация – разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых развивается в новую особь. У растений (спирогира) и у животных (кольчатые черви). В основе фрагментации лежит свойство регенерации.
Е) Размножение частями вегетативных органов. Характерно для многих групп растений. При вегетативном размножении новая особь развивается либо из части материнской, либо из особых структур (луковица, клубень и т.д.), специально предназначенных для вегетативного размножения.
Ж) Полиэмбриония. Размножение во время эмбрионального развития, при котором из одной зиготы развивается несколько зародышей – близнецов (однояйцевые близнецы у человека). Потомство всегда одного пола (слайд 10) .
З) Клонирование. Искусственный способ бесполого
размножения. В естественных условиях не встречается. Клон –
генетически идентичное потомство, полученное от одной особи
в результате того или иного способа бесполого размножения (слайд
11) ..
Задание 1.
Могут ли потомки, возникшие при
бесполом размножении, иметь признаки, отличающие их от признаков
материнского организма?
Проверка выполнения.
Давайте выявим достоинства и недостатки бесполого размножения
(слайд 12)
1. Половое размножение. Способы полового
размножения – устный ответ, обсуждение
Особенности полового размножения (слайд 13) :
Участвуют 2 родительские особи
Формируются гаметы – половые клетки
Происходит оплодотворение
В основе лежит процесс мейоза
Потомки генетически разнородны.
2. Строение гамет. Гаметогенез – устный
ответ, обсуждение
(слайд
14)
Задание 2.
Рассмотрите рис 1. и заполните таблицу
«Образование половых клеток»
Рис 1. Схема образования половых клеток
Образование половых клеток
В чём основное сходство и основное различие в этих процессах?
Проверка выполнения (слайд
15) .
Дополнения.
Размер яйцеклеток колеблется в широких пределах – от нескольких
десятков микрометров до нескольких сантиметров (яйцеклетка человека
– около 100 мкм, яйцо страуса, имеющее длину со скорлупой порядка
155 мм, – тоже яйцеклетка).
В ходе оогенеза яйцеклетка накапливает все необходимые вещества
для начальных этапов развития зародыша. Способы получения этих
веществ различны: у низших животных – путём фагоцитоза яйцеклеткой
соседних клеток, у высших животных – из фолликулярных клеток
через цитоплазматические мостики (насекомые) или щелевые контакты
(позвоночные). При этом желток часто синтезируется в органах,
далёких от яйцеклетки, например, в клетках печени. Желток обычно
сосредоточен у вегетативного полюса, а ядро – у анимального
полюса. Кроме желтка яйцеклетка накапливает некоторые органоиды
– рибосомы (до 10 13). Происходит амплификация генов р-РНК (млн.
экземпляров). У яйцеклетки поверх мембраны образуется ещё одна
оболочка – первичная. Она состоит из гликопротеидов и участвует
в видоспецифическом узнавании сперматозоидов. У многих животных
образуется также вторичная (выделяемая фолликулярными клетками)
и третичная (выделяемая стенками яйцеводов0 оболочки яйца. Они
образуются после оплодотворения. Пример – белок, пергаментная
оболочка, скорлупа яйца птицы. Под оболочкой яйцеклетки накапливаются
кортикальные гранулы – мембранные пузырьки, участвующие в оплодотворении.
У млекопитающих яйцеклетки имеют блестящую оболочку, поверх
которой располагается лучистый венец – слой фолликулярных клеток.
Клетки, завершившие деление митоза, - ооциты 1 порядка. У человека
ещё в ходе эмбрионального развития женского организма ооциты
вступают в профазу 1 деления мейоза и на этой стадии остаются
в течение 12 – 13 лет – до периода полового созревания. Лишь
после этого под действием половых гормонов периодически некоторые
ооциты завершают 1 деление мейоза, становятся гаплоидными –
ооциты 2 порядка. Оплодотворение происходит на стадии метафазы
II. После оплодотворения процесс мейоза завершается, ооциты
становятся зрелыми яйцеклетками. Если оплодотворения не происходит
ооцит разрушается.
3. Оплодотворение – устный ответ, обсуждение
(слайд
16, 17)
Дополнение.
Яйцеклетки многих животных выделяют вещества небелковой природы
2 типов: первые активируют движение сперматозоидов, вторые вызывают
их склеивание. Сперматозоиды также выделяют вещества, замедляющие
движение других сперматозоидов. Сперматозоид связывается при
помощи белка байндина с рецепторами-гликопротеидами первичной
оболочки яйцеклетки. байндины различаются даже у близкородственных
видов.
После прикрепления сперматозоида участок первичной оболочки
растворяется и происходит слияние наружных мембран сперматозоида
и яйцеклетки. Чаще всего сперматозоид полностью втягивается
в яйцо, иногда жгутик остается снаружи и отбрасывается. С момента
проникновения сперматозоида в яйцо гаметы перестают существовать,
так как образуют единую клетку – зиготу. В зависимости от количества
сперматозоидов, проникающих в яйцеклетку при оплодотворении,
различают: моноспермию – оплодотворение, при котором в яйцо
проникает только один сперматозоид (наиболее обычное оплодотворение),
и полиспермию – оплодотворение, при котором в яйцеклетку проникает
несколько сперматозоидов. Но даже в этом случае с ядром яйцеклетки
сливается ядро только одного из сперматозоидов, а остальные
ядра разрушаются.
Кортикальные гранулы сливаются с наружной мембраной, и их содержимое
выливается под первичную оболочку. В результате первичная оболочка
отделяется от наружной мембраны, становится более твёрдой. Её
называют оболочкой оплодотворения. Эти процессы препятствуют
полиспермии.
Задание 3*.
В главном процесс оплодотворения схож для большинства животных,
но в частностях имеет довольно значительные отличия, начиная
от брачного поведения, способов оплодотворения до различий в
механизмах проникновения сперматозоида в яйцеклетку. Как вы
считаете, в чём биологический смысл такого разнообразия?
Задание 4*. Опытным путём можно разрушить ядро яйцеклетки рентгеновскими
лучами или УФО, а затем оплодотворить её двумя сперматозоидами.
После слияния их ядер может развиться полноценное потомство.
Чем будут различаться результаты таких опытов у птиц и у млекопитающих?
Проверка выполнения.
4. Двойное оплодотворение у цветковых растений – устный ответ, обсуждение
Сущность полового размножения заключается в создании новых генетических комбинаций. В наиболее типичных случаях самец и самка спариваются и производят особей, генотипы которых не идентичны ни генотипу отца, ни генотипу матери У некоторых животных новые генотипы могут создаваться в результате процессов иного рода У таких простейших, как парамеции, происходит аутогамия, при которой одна особь создает новый гомозиготный генотип. Другие формы, в том числе некоторые плоские черви и моллюски, гермафродитны, т.е. имеют одновременно как мужские (производящие сперму), так и женские (производящие яйца) половые железы. Существуют гермафродитные формы, способные к самооплодотворению.
Не всякое размножение является половым (т. е создает новые генотипы). Например, парамеции способны делиться надвое с образованием двух новых дочерних организмов, генетически идентичных исходной особи Гидроидные полипы (одна из групп кишечнополостных) могут производить идентичных себе новых особей в результате процесса почкования При этом в одной зоне почкования может образоваться несколько новых организмов. Другие животные, в том числе многие насекомые и некоторые рыбы, способны к партеногенетическому размножению, при котором потомство развивается из неоплодотворенных яиц
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.
При половом размножении в результате слияния гамет образуется оплодотворенная яйцеклетка - зигота, несущая наследственные задатки обоих родителей, благодаря чему резко увеличивается наследственная изменчивость потомков. В этом заключается преимущество полового размножения перед бесполым. Т.е. при наличии генетической рекомбинации родительские особи производят потомков, которые будут отличаться от них самым непредсказуемым образом, причем среди новых случайных сочетаний генов по крайней мере половина может оказаться хуже родительского генотипа, однако перетасовка генов в процессе полового размножения способствует выживанию вида при изменении условий среды. Если родительская особь производит много потомков с самыми разнообразными комбинациями генов, имеется больше шансов на то, что хотя бы один потомок окажется хорошо приспособленным для будущих жизненных обстоятельств, какими бы они ни были.
При наличии генетической рекомбинации родительские особи производят потомков, которые будут отличаться от них самым непредсказуемым образом, причем среди новых случайных сочетаний генов по крайней мере половина может оказаться хуже родительского генотипа, однако перетасовка генов в процессе полового размножения способствует выживанию вида при изменении условий среды. Если родительская особь производит много потомков с самыми разнообразными комбинациями генов, имеется больше шансов на то, что хотя бы один потомок окажется хорошо приспособленным для будущих жизненных обстоятельств, какими бы они ни были.
Для объяснения преимуществ полового размножения в борьбе за существование было предложено много гипотез. Одна из них дает представление о том, какими могли быть первые этапы эволюции полового размножения. Ход эволюции в значительной мере зависит от мутаций, которые изменяют существующие гены, образуя вместо них новые аллели (варианты) этих генов. Предположим, что у двух особей в некоторой популяции возникли благоприятные мутации, затрагивающие некоторые генетические локусы, а значит, и разные функции. У бесполого вида каждая из этих особей даст начало клону мутантных потомков, и два новых клона будут конкурировать до тех пор, пока один из них не одержит верх. Один из благоприятных аллелей, появившихся благодаря мутациям, будет, таким образом, распространяться, тогда как другой в конце концов исчезнет. Теперь представим себе, что один из исходных мутантов обладает генетически обусловленной особенностью, позволяющей ему время от времени включать в свой геном гены из других клонов. В условиях борьбы за существование приобретение генов у клеток конкурирующего клона равносильно созданию клетки, несущей все благоприятные мутации. Такая клетка будет обладать наибольшей приспособленностью, и полученные ею преимущества обеспечат распространение в популяции особенности, позволяющей включать в свой геном гены других клеток. Естественный отбор будет благоприятствовать такому примитивному половому размножению.
Сперматозоиды - одни из главных действующих лиц полового размножения
Дрожжи помогли учёным показать, что межпопуляционное скрещивание ведёт к
большей экологической приспособляемости вида.
Выживание вида связано с накоплением генетических изменений, которые помогают
организму существовать в определённой среде обитания. Считается, что половое
размножение, в результате которого повышается генетическая изменчивость,
способствует быстрейшей эволюции вида. Но в случае полового размножения
потомство берёт себе гены двух разных особей. Представим, что мать и отец пришли
из разных популяций; гены матери позволяют ей выжить при одних условиях, а гены
отца «заточены» под другие. Потомство в этом случае окажется не приспособленным
ни к тем, ни к другим: гены ослабят друг друга и не смогут адекватно работать
вообще ни в каких условиях. Получается, что половое размножение не способствует
выживанию вида?
Исследователи из Университета Окленда (Новая Зеландия) поставили эксперимент, который должен был прямо ответить на вопрос, помогает ли межпопуляционное скрещивание эволюции или тормозит её. Учёные использовали дрожжи, которые могут размножаться как бесполым, так и половым путём. Первую культуру выращивали при одних условиях, вторую - при иных. В какой-то момент у дрожжей включали механизм полового размножения и давали возможность грибам из разных популяций найти друг друга.
В статье, опубликованной в журнале Ecology Letters, авторы пишут, что потомство, полученное в результате полового размножения, быстрее приспосабливалось к среде. Если родители были из разных популяций, то их дети чувствовали себя одинаково хорошо как в «материнских», так и в «отцовских» экологических условиях. То есть половое размножение не только не мешает, но ещё и стимулирует эволюцию вида, особенно когда встречаются особи из разных популяций.
На самом деле результаты эксперимента подтверждают одну альтернативную, но относительно малоизвестную гипотезу, согласно которой гены, «заточенные» под одни условия, не обязательно мешают жить в других. Гены для разных сред обитания не вступают в конфронтацию, а мирно сосуществуют в одном геноме, включаясь и выключаясь по мере надобности.
Раньше биологам-эволюционистам приходилось выдумывать хитроумные уловки, которые должны были мешать особям из разных популяций скрещиваться друг с другом и тем самым ослаблять эволюционные позиции вида. И хотя, как уже было сказано, существовала альтернативная гипотеза, необходимо было экспериментальное подтверждение, чтобы поднять её над всеми остальными. При подготовке статьи использовалась информация компьюленты .
Вопрос 1. Каковы преимущества полового размножения перед бесполым?
При бесполом размножении участвует только одна родительская особь, которая делится, почкуется или образует споры. При бесполом размножении организм возникает из соматических клеток и источником изменчивости могут быть случайные мутации.
В случае полового размножения особи нового поколения появляются при участии двух организмов: материнского и отцовского. Новый организм возникает из специализированных половых клеток или особей выполняющих эти функции.
Преимущество полового размножения (эволюционно оно появилось позднее бесполого) состоит в перекомбинации наследственных признаков обоих родителей, что является источником изменчивости. Потомство более жизнеспособное и приспособленное к условиям существования. Быстрее происходит эволюция.
Вопрос 2. Объясните, какое биологическое значение имеет наличие у сперматозоида и яйцеклетки половинного набора хромосом.
При половом размножении материнским и отцовским организмами вырабатываются специализированные поле вые клетки - гаметы. Женские неподвижные гаметы называют яйцеклетками, мужские неподвижные - спермиями а подвижные - сперматозоидами. Эти половые клетки сливаются с образованием зиготы, то есть происходит оплодотворение. Половые клетки, как правило, имеют половинный набор хромосом (гаплоидный), так что при их слиянии восстанавливается двойной (диплоидный) набор, из зиготы развивается новая особь.
Таким образом, половое размножение имеет очень большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. В результате повышаются возможности организмов в приспособлении к условиям окружающей среды. Половой процесс заключается в слиянии двух клеток – гамет. Формированию гамет предшествует особая форма деления – мейоз, который приводит к уменьшению количества хромосом вдвое.
Вопрос 3. Где происходит оплодотворение? Что образуется в результате этого процесса?
Процесс оплодотворения у животных, слияние яйцеклетки и сперматозоида, может осуществляться двумя способами: наружно или внутренне. Наружное оплодотворение примитивный и довольно ненадежный способ, происходит у большинства водных животных (рыбы, земноводные и прочие). У животных с внутренним оплодотворением (как правило, наземных) есть дополнительные половые органы для переноса спермальной жидкости из тела самца в тело самки, где и происходит оплодотворение.
Обычно образуется огромное количество сперматозоидов, но оплодотворяет яйцеклетку один. Как только первый сперматозоид проникает сквозь мембрану яйцеклетки, тут же образуется оболочка оплодотворения, которая не допускает проникновения в яйцеклетку других. Затем оба ядра движутся друг к другу и сливаются. Так образуется зигота, которая имеет двойной набор хромосом. У человека слияние яйцеклетки и сперматозоида происходит в маточной трубе.
Вопрос 4. Почему зародыш может удержаться в матке, а неоплодотворенная яйцеклетка - не может?
Неоплодотворенная яйцеклетка, в отличие от зародыша, не имеет ворсинок, которые и позволяют удержаться в матке.
Вопросы в начале параграфа.
Вопрос 1. Почему вид может существовать практически неограниченное время, в то время как каждая отдельная особь смертна?
Особь не может эволюционировать. Она может изменяться, приспосабливаясь к условиям внешней среды. Но эти изменения не эволюционные, так как они не передаются по наследству. Вид, как правило, неоднороден и состоит из ряда популяций. Популяция относительно самостоятельна и может длительное время существовать вне связи с другими популяциями вида. В популяции протекают все эволюционные процессы: у особей возникают мутации, между особями происходит скрещивание, действуют борьба за существование и естественный отбор. В результате генофонд популяции со временем изменяется и она становится родоначальником нового вида. Именно поэтому элементарная единица эволюции - популяция, а не вид.
Вопрос 2. Как созревают сперматозоиды и яйцеклетки?
Мужские половые клетки - сперматозоиды образуются в семенниках (яичках). Созревание сперматозоидов происходит при температуре около 35 "С. Это ниже температуры брюшной полости тела. Поэтому семенники находятся вне брюшной полости, в кожном мешочке - мошонке. Полное созревание сперматозоидов происходит в системе семявыносящих каналов, а затем они попадают в мочеиспускательный канал, в начало которого впадают и протоки дополнительных желез - семенных пузырьков и предстательной железы, или простаты.
Созревание яйцеклетки происходит в граафовом пузырьке яичника. Развитие яйцеклетки продолжается около 28 суток. В результате редукционного деления зрелая яйцеклетка, также как и сперматозоид, остается с половинным набором хромосом. Каждая яйцеклетка имеет в своем составе только Х-хромосому. Следовательно, пол будущего ребенка зависит от отца.
Вопрос 3. От чего зависит пол ребенка?
Пол потомства зависит от половых хромосом.
Если в зародышевой клетке (зиготе) оказались две Х-хромосомы (X от матери и X от отца), родится девочка. Если оказались Х- и У-хромосомы (X от матери и У от отца), родится мальчик.
Вопросы в конце параграфа.
Вопрос 1. Каковы преимущества полового размножения перед бесполым?
При помощи полового размножения генный аппарат потомства обновляется, появляются новые комбинации генов, так как в нем участвует материнский и отцовский организм, а разнообразие индивидуальных признаков выгодно для выживания вида в меняющихся условиях среды. При бесполом размножении, в котором участвует только одна особь, набор генов у материнского и дочернего организмов одинаков.
Вопрос 2. Объясните, какое биологическое значение имеет наличие у сперматозоида и яйцеклетки половинного набора хромосом.
В ядрах мужской и женской половых клеток находится по половине набора хромосом, характерных для данного вида. При слиянии яйцеклетки и сперматозоида их хромосомные наборы объединяются, восстанавливается хромосомный набор, характерный для данного вида, а в будущем организме сочетаются наследственные признаки обоих родителей.
Вопрос 3. Где происходит оплодотворение? Что образуется в результате этого процесса?
Слияние яйцеклетки и сперматозоида происходит в маточной трубе. После проникновения сперматозоида в яйцеклетку образуется зигота - зародышевая клетка, которая несет наследственные признаки обоих родителей.
Вопрос 4. Почему зародыш может удержаться в матке, а неоплодотворенная яйцеклетка - не может?
Неоплодотворенная яйцеклетка, в отличие от зародыша, не имеет ворсинок, которые и позволяют удержаться в матке.
