11.2: التكاثر الجنسي
- Page ID
- 196465
المهارات اللازمة للتطوير
- اشرح أن الانقسام الاختزالي والتكاثر الجنسي من السمات المتطورة
- تحديد الاختلاف بين النسل كميزة تطورية محتملة للتكاثر الجنسي
- وصف الأنواع الثلاثة المختلفة لدورة الحياة بين الكائنات الجنسية متعددة الخلايا والقواسم المشتركة بينها
كان التكاثر الجنسي ابتكارًا تطوريًا مبكرًا بعد ظهور الخلايا حقيقية النواة. يبدو أنه كان ناجحًا جدًا لأن معظم حقيقيات النوى قادرة على التكاثر جنسيًا، وفي العديد من الحيوانات، فهي الطريقة الوحيدة للتكاثر. ومع ذلك، يدرك العلماء بعض العيوب الحقيقية للتكاثر الجنسي. على السطح، يبدو أن تكوين ذرية تمثل نسخًا جينية للأب هو نظام أفضل. إذا كان الكائن الحي الأم يحتل موطنًا بنجاح، فإن النسل الذي يحمل نفس الصفات سيكون ناجحًا بالمثل. هناك أيضًا فائدة واضحة للكائن الحي الذي يمكنه إنتاج ذرية عندما تكون الظروف مواتية بسبب النمو اللاجنسي أو التجزئة أو البويضات اللاجنسية. لا تتطلب طرق التكاثر هذه كائنًا آخر من الجنس الآخر. في الواقع، احتفظت بعض الكائنات الحية التي تعيش أسلوب حياة انفرادي بالقدرة على التكاثر اللاجنسي. بالإضافة إلى ذلك، في المجموعات السكانية اللاجنسية، كل فرد قادر على الإنجاب. في المجموعات الجنسية، لا ينتج الذكور النسل بأنفسهم، لذلك من الناحية النظرية يمكن أن ينمو السكان اللاجنسيون بسرعة مضاعفة.
ومع ذلك، فإن الكائنات الحية متعددة الخلايا التي تعتمد حصريًا على التكاثر اللاجنسي نادرة للغاية. لماذا تعتبر الحياة الجنسية (والانقسام الاختزالي) شائعة جدًا؟ هذا هو أحد الأسئلة المهمة التي لم تتم الإجابة عليها في علم الأحياء وكان محور الكثير من الأبحاث التي بدأت في النصف الأخير من القرن العشرين. هناك العديد من التفسيرات المحتملة، أحدها أن الاختلاف الذي يخلقه التكاثر الجنسي بين النسل مهم جدًا لبقاء وتكاثر السكان. وبالتالي، في المتوسط، سيترك السكان الذين يتكاثرون جنسيًا عددًا أكبر من الأحفاد مقارنة بالسكان الذين يتكاثرون جنسيًا. المصدر الوحيد للاختلاف في الكائنات اللاجنسية هو الطفرة. هذا هو المصدر النهائي للاختلاف في الكائنات الجنسية، ولكن بالإضافة إلى ذلك، يتم تعديل هذه الطفرات المختلفة باستمرار من جيل إلى آخر عندما يجمع الآباء المختلفون جينوماتهم الفريدة ويتم خلط الجينات في مجموعات مختلفة عن طريق الانتقال خلال المرحلة التمهيدية الأولى والعشوائية تشكيلة في ميتاباس I.
اتصال التطور: فرضية الملكة الحمراء
لا جدال في أن التكاثر الجنسي يوفر مزايا تطورية للكائنات الحية التي تستخدم هذه الآلية لإنتاج النسل. ولكن لماذا، حتى في مواجهة الظروف المستقرة إلى حد ما، يستمر التكاثر الجنسي عندما يكون أكثر صعوبة وتكلفة للكائنات الحية الفردية؟ الاختلاف هو نتيجة التكاثر الجنسي، ولكن لماذا تعتبر الاختلافات المستمرة ضرورية؟ أدخل فرضية الملكة الحمراء، التي اقترحها لي فان فالين لأول مرة في عام 1973. 1 تمت تسمية المفهوم بالإشارة إلى سباق الملكة الحمراء في كتاب لويس كارول، Through the Looking-Glass.
تتطور جميع الأنواع مع الكائنات الحية الأخرى؛ على سبيل المثال تتطور الحيوانات المفترسة مع فريستها، وتتطور الطفيليات مع مضيفيها. كل ميزة صغيرة يتم الحصول عليها من خلال الاختلاف الإيجابي تمنح الأنواع ميزة على المنافسين المقربين أو الحيوانات المفترسة أو الطفيليات أو حتى الفريسة. الطريقة الوحيدة التي ستسمح للأنواع ذات التطور المشترك بالحفاظ على حصتها الخاصة من الموارد هي أيضًا تحسين لياقتها باستمرار. عندما يكتسب أحد الأنواع ميزة، يؤدي ذلك إلى زيادة الاختيار على الأنواع الأخرى؛ يجب عليهم أيضًا تطوير ميزة أو سيتم التغلب عليهم. لا يوجد نوع واحد يتقدم كثيرًا لأن الاختلاف الجيني بين سلالة التكاثر الجنسي يوفر لجميع الأنواع آلية للتحسين بسرعة. الأنواع التي لا تستطيع الاستمرار تنقرض. كان شعار الملكة الحمراء هو «يتطلب الأمر كل الجري الذي يمكنك القيام به للبقاء في نفس المكان.» هذا وصف مناسب للتطور المشترك بين الأنواع المتنافسة.
دورات حياة الكائنات الحية التي تتكاثر جنسياً
يتناوب التسميد والانقسام الاختزالي في دورات الحياة الجنسية. ما يحدث بين هذين الحدثين يعتمد على الكائن الحي. تقلل عملية الانقسام الاختزالي عدد الكروموسوم بمقدار النصف. يؤدي التسميد، وهو ضم اثنين من الأمشاج أحادية الصبغيات، إلى استعادة الحالة ثنائية الصبغية. هناك ثلاث فئات رئيسية من دورات الحياة في الكائنات متعددة الخلايا: المهيمنة على ثنائي الصبغيات، حيث تكون مرحلة ثنائية الصبغيات متعددة الخلايا هي مرحلة الحياة الأكثر وضوحًا، كما هو الحال مع معظم الحيوانات بما في ذلك البشر؛ المهيمنة أحادية الصبغيات، حيث تكون المرحلة أحادية الصبغية متعددة الخلايا هي الأكثر وضوحًا مرحلة الحياة الواضحة، كما هو الحال مع جميع الفطريات وبعض الطحالب؛ والتناوب بين الأجيال، حيث تظهر المرحلتان بدرجات مختلفة حسب المجموعة، كما هو الحال مع النباتات وبعض الطحالب.
دورة الحياة المهيمنة على ثنائي الصيغة الصبغية
تستخدم جميع الحيوانات تقريبًا إستراتيجية دورة الحياة السائدة على ثنائي الصبغيات حيث تكون الخلايا أحادية الصبغية الوحيدة التي ينتجها الكائن الحي هي الأمشاج. في وقت مبكر من نمو الجنين، يتم إنتاج خلايا ثنائية الصبغيات متخصصة، تسمى الخلايا الجرثومية، داخل الغدد التناسلية، مثل الخصيتين والمبايض. الخلايا الجرثومية قادرة على الانقسام لإدامة خط الخلية والانقسام الاختزالي لإنتاج الأمشاج. بمجرد تكوين الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية، تفقد القدرة على الانقسام مرة أخرى. لا توجد مرحلة حياة أحادية الخلية متعددة الخلايا. يحدث الإخصاب مع اندماج اثنين من الأمشاج، عادة من أفراد مختلفين، لاستعادة الحالة ثنائية الصبغيات (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
دورة الحياة المهيمنة على Haploid
تستخدم معظم الفطريات والطحالب نوعًا من دورة الحياة يكون فيه «جسم» الكائن الحي - الجزء المهم بيئيًا من دورة الحياة - غير صبغي. تتكون الخلايا أحادية الصبغيات التي تشكل أنسجة المرحلة المهيمنة متعددة الخلايا عن طريق الانقسام الفتيلي. أثناء التكاثر الجنسي، تنضم الخلايا أحادية الصبغية المتخصصة من شخصين، والتي حددت أنواع التزاوج (+) و (-)، لتشكل زيجوت ثنائي الصبغيات. يخضع الزيجوت على الفور للانقسام الاختزالي لتكوين أربع خلايا أحادية الصبغيات تسمى الجراثيم. على الرغم من أن هذه الجراثيم أحادية الصبغية مثل «الوالدين»، إلا أنها تحتوي على تركيبة جينية جديدة من أبوين. يمكن أن تظل الجراثيم خاملة لفترات زمنية مختلفة. في النهاية، عندما تكون الظروف مواتية، تشكل الجراثيم هياكل أحادية الصبغية متعددة الخلايا من خلال العديد من جولات الانقسام الفتيلي (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
آرت كونيكشن
إذا حدثت طفرة بحيث لم تعد الفطريات قادرة على إنتاج نوع التزاوج الناقص، فهل ستظل قادرة على التكاثر؟
تناوب الأجيال
النوع الثالث من دورة الحياة، الذي تستخدمه بعض الطحالب وجميع النباتات، هو مزيج من النقيضين المهيمنين على ثنائي الصبغيات وثنائي الصبغيات. تحتوي الأنواع ذات التناوب بين الأجيال على كائنات متعددة الخلايا أحادية الصبغية وثنائية الصبغيات كجزء من دورة حياتها. تسمى النباتات أحادية الصبغيات متعددة الخلايا بالفيتات المشيمية، لأنها تنتج الأمشاج من خلايا متخصصة. لا يشارك الانقسام الاختزالي بشكل مباشر في إنتاج الأمشاج في هذه الحالة، لأن الكائن الحي الذي ينتج الأمشاج هو بالفعل أحادي الصيغة الصبغية. يشكل التسميد بين الأمشاج زيجوت ثنائي الصبغي. سيخضع الزيجوت للعديد من جولات الانقسام ويؤدي إلى ظهور نبات ثنائي الصبغيات متعدد الخلايا يسمى سبوروفيت. ستخضع الخلايا المتخصصة في البوروفيت للانقسام الاختزالي وتنتج جراثيم أحادية الصبغيات. سوف تتطور الجراثيم لاحقًا إلى الفطريات المشيمية (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
على الرغم من أن جميع النباتات تستخدم نسخة من تناوب الأجيال، إلا أن الحجم النسبي للسبوروفيت والمشيج والعلاقة بينهما تختلف اختلافًا كبيرًا. في النباتات مثل الطحالب، يكون الكائن المشيجي هو النبات الذي يعيش بحرية، وتعتمد الأبواغ جسديًا على الفطريات المشيمية. في النباتات الأخرى، مثل السرخس، تعيش كل من النباتات المشيجية ونباتات البوروفيت بحرية؛ ومع ذلك، فإن البوروفيت أكبر بكثير. في نباتات البذور، مثل أشجار ماغنوليا والإقحوانات، تتكون الفطريات المشيمية من عدد قليل من الخلايا فقط، وفي حالة الفيت المشيجي الأنثوي، يتم الاحتفاظ بها بالكامل داخل البوغروفيت.
يأخذ التكاثر الجنسي أشكالًا عديدة في الكائنات متعددة الخلايا. ومع ذلك، في مرحلة ما من كل نوع من أنواع دورات الحياة، ينتج الانقسام الاختزالي خلايا أحادية الصيغة الصبغية تندمج مع الخلية أحادية الصبغيات لكائن حي آخر. توجد آليات التباين - التقاطع والتشكيلة العشوائية للكروموسومات المتماثلة والتسميد العشوائي - في جميع إصدارات التكاثر الجنسي. تعد حقيقة أن كل كائن حي متعدد الخلايا تقريبًا على الأرض يستخدم التكاثر الجنسي دليلًا قويًا على فوائد إنتاج ذرية بتركيبات جينية فريدة، على الرغم من وجود فوائد أخرى محتملة أيضًا.
ملخص
تخضع جميع حقيقيات النوى تقريبًا للتكاثر الجنسي. يبدو أن الاختلاف الذي أدخله الانقسام الاختزالي في الخلايا التناسلية هو أحد مزايا التكاثر الجنسي الذي جعله ناجحًا للغاية. يتناوب الانقسام الاختزالي والإخصاب في دورات الحياة الجنسية. تنتج عملية الانقسام الاختزالي خلايا تناسلية فريدة تسمى الأمشاج، والتي تحتوي على نصف عدد الكروموسومات كخلية أصلية. يؤدي التسميد، وهو اندماج الأمشاج أحادية الصبغيات من شخصين، إلى استعادة الحالة ثنائية الصبغية. وبالتالي، تتناوب الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا بين المراحل أحادية الصبغية وثنائية الصبغيات. ومع ذلك، تختلف طرق إنتاج الخلايا التناسلية والتوقيت بين الانقسام الاختزالي والإخصاب اختلافًا كبيرًا. هناك ثلاث فئات رئيسية من دورات الحياة: الغلبة على ثنائي الصبغيات، التي تظهرها معظم الحيوانات؛ وهيمنة على أحادية الصبغيات، والتي تظهرها جميع الفطريات وبعض الطحالب؛ وتناوب الأجيال، الذي أظهرته النباتات وبعض الطحالب.
اتصالات فنية
الشكل\(\PageIndex{2}\): إذا حدثت طفرة بحيث لم تعد الفطريات قادرة على إنتاج نوع التزاوج الناقص، فهل ستظل قادرة على التكاثر؟
- إجابة
-
نعم، سيكون قادرًا على التكاثر بشكل غير جنسي.
الحواشي
- 1 لي فان فالين، «قانون تطوري جديد»، نظرية التطور 1 (1973): 1-30
مسرد المصطلحات
- تناوب الأجيال
- نوع دورة الحياة الذي تتناوب فيه المراحل الثنائية والصبغية أحادية الصبغية
- مهيمن ثنائي اللغة
- نوع دورة الحياة التي تسود فيها المرحلة ثنائية الصبغيات متعددة الخلايا
- مهيمن ثنائي اللغة
- نوع دورة الحياة التي تسود فيها المرحلة أحادية الصبغية متعددة الخلايا
- المشيجيت
- مرحلة دورة حياة أحادية الخلية متعددة الخلايا تنتج الأمشاج
- خلايا جرثومية
- خط خلوي متخصص ينتج الأمشاج، مثل البيض أو الحيوانات المنوية
- دورة حياة
- تسلسل الأحداث في تطوير الكائن الحي وإنتاج الخلايا التي تنتج النسل
- سبورويت
- مرحلة دورة حياة ثنائية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا تنتج جراثيم أحادية الصبغيات عن طريق الانقسام الاختزالي