7.1: التكاثر الجنسي
- Page ID
- 191603
كان التكاثر الجنسي ابتكارًا تطوريًا مبكرًا بعد ظهور الخلايا حقيقية النواة. إن حقيقة أن معظم حقيقيات النوى تتكاثر جنسياً هي دليل على نجاحها التطوري. في العديد من الحيوانات، إنها الطريقة الوحيدة للتكاثر. ومع ذلك، يدرك العلماء بعض العيوب الحقيقية للتكاثر الجنسي. على السطح، قد يبدو النسل المتطابق وراثيًا مع الوالد أكثر فائدة. إذا كان الكائن الحي الأم يحتل موطنًا بنجاح، فإن النسل الذي يحمل نفس الصفات سيكون ناجحًا بالمثل. هناك أيضًا فائدة واضحة للكائن الحي الذي يمكن أن ينتج ذرية عن طريق التبرعم اللاجنسي أو التجزئة أو البويضات اللاجنسية. لا تتطلب طرق التكاثر هذه كائنًا آخر من الجنس الآخر. ليست هناك حاجة لإنفاق الطاقة في العثور على رفيق أو جذبه. يمكن إنفاق هذه الطاقة على إنتاج المزيد من النسل. في الواقع، احتفظت بعض الكائنات الحية التي تعيش أسلوب حياة انفرادي بالقدرة على التكاثر اللاجنسي. بالإضافة إلى ذلك، فإن السكان اللاجنسيين لديهم أفراد من الإناث فقط، لذلك كل فرد قادر على الإنجاب. في المقابل، لا ينتج الذكور في المجموعات الجنسية (نصف السكان) ذرية بأنفسهم. لهذا السبب، يمكن أن ينمو عدد السكان اللاجنسيين بمعدل ضعف سرعة نمو السكان الجنسيين من الناحية النظرية. هذا يعني أنه في المنافسة، سيكون لدى السكان اللاجنسيين الميزة. كل هذه المزايا للتكاثر اللاجنسي، والتي تعد أيضًا من عيوب التكاثر الجنسي، يجب أن تعني أن عدد الأنواع ذات التكاثر اللاجنسي يجب أن يكون أكثر شيوعًا.
ومع ذلك، فإن الكائنات الحية متعددة الخلايا التي تعتمد حصريًا على التكاثر اللاجنسي نادرة للغاية. لماذا يعتبر التكاثر الجنسي شائعًا جدًا؟ هذا هو أحد الأسئلة المهمة في علم الأحياء وكان محور الكثير من الأبحاث من النصف الأخير من القرن العشرين حتى الآن. التفسير المحتمل هو أن الاختلاف الذي يخلقه التكاثر الجنسي بين النسل مهم جدًا لبقاء وتكاثر تلك النسل. المصدر الوحيد للاختلاف في الكائنات اللاجنسية هو الطفرة. هذا هو المصدر النهائي للاختلاف في الكائنات الجنسية. 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 من خلال عملية الانقسام الاختزالي. الانقسام الاختزالي هو تقسيم محتويات النواة التي تقسم الكروموسومات بين الأمشاج. يتم إدخال التباين أثناء الانقسام الاختزالي، وكذلك عندما تتحد الأمشاج في الإخصاب.
التطور في العمل: فرضية الملكة الحمراء
ليس هناك شك في أن التكاثر الجنسي يوفر مزايا تطورية للكائنات الحية التي تستخدم هذه الآلية لإنتاج النسل. السؤال الإشكالي هو لماذا، حتى في مواجهة الظروف المستقرة إلى حد ما، يستمر التكاثر الجنسي عندما يكون الأمر أكثر صعوبة وينتج عددًا أقل من النسل 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 هذا المفهوم بالإشارة إلى سباق الملكة الحمراء في كتاب لويس كارول، Through the Looking-Glass، الذي تقول فيه الملكة الحمراء إنه يجب على المرء الركض بأقصى سرعة لمجرد البقاء في مكانه.
تتطور جميع الأنواع مع الكائنات الحية الأخرى. على سبيل المثال، تتعايش الحيوانات المفترسة مع فريستها، وتتطور الطفيليات مع مضيفيها. من الأمثلة الرائعة على التطور المشترك بين الحيوانات المفترسة وفريستها التكيف الفريد بين الخفافيش الطائرة ليلاً وفريستها. تجد الخفافيش فريستها من خلال إصدار نقرات عالية النبرة، لكن العثة طورت آذانًا بسيطة لسماع هذه النقرات حتى تتمكن من تجنب الخفافيش. قامت الفراشات أيضًا بتكييف السلوكيات، مثل الطيران بعيدًا عن الخفاش عندما يسمعه لأول مرة، أو السقوط فجأة على الأرض عندما يكون الخفاش عليها. طورت الخفافيش نقرات «هادئة» في محاولة للتهرب من سماع العثة. طورت بعض الفراشات قدرتها على الاستجابة لنقرات الخفافيش بنقراتها الخاصة كاستراتيجية للتشويش على قدرات تحديد الموقع بالصدى للخفافيش.
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 المتطورة بالاحتفاظ بحصتها الخاصة من الموارد هي أيضًا التحسين المستمر لقدرتها على البقاء وإنتاج النسل. عندما يكتسب أحد الأنواع ميزة، يجب على الأنواع الأخرى أيضًا تطوير ميزة أو سيتم التغلب عليها. لا يوجد نوع واحد يتقدم كثيرًا إلى الأمام لأن الاختلاف الجيني بين سلالة التكاثر الجنسي يوفر لجميع الأنواع آلية لإنتاج أفراد متكيفين. الأنواع التي لا يستطيع أفرادها مواكبة ذلك 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 كروموسوم الأمشاج الناتج بمقدار النصف. يؤدي التسميد، وهو ضم اثنين من الأمشاج أحادية الصبغيات، إلى استعادة حالة الضعف. هناك ثلاث فئات رئيسية من دورات الحياة في الكائنات الحية متعددة الخلايا: المهيمنة على ثنائي الصبغيات، حيث تكون مرحلة ثنائي الصبغيات متعددة الخلايا هي مرحلة الحياة الأكثر وضوحًا (ولا توجد مرحلة أحادية الصبغية متعددة الخلايا)، كما هو الحال مع معظم الحيوانات بما في ذلك البشر؛ المرحلة أحادية الصبغية أحادية الخلية، حيث تكون المرحلة أحادية الصبغية متعددة الخلايا مرحلة الحياة الأكثر وضوحًا (ولا توجد مرحلة ثنائية الصبغيات متعددة الخلايا)، كما هو الحال مع جميع الفطريات وبعض الطحالب؛ وتناوب الأجيال، حيث تظهر المرحلتان، أحادية الصبغية وثنائية الصبغيات، بدرجة أو بأخرى اعتمادًا على المجموعة، كما هو الحال مع النباتات وبعض الطحالب.
تستخدم جميع الحيوانات تقريبًا إستراتيجية دورة الحياة السائدة على ثنائي الصبغيات حيث تكون الخلايا أحادية الصبغية الوحيدة التي ينتجها الكائن الحي هي الأمشاج. يتم إنتاج الأمشاج من الخلايا الجرثومية ثنائية الصبغيات، وهي عبارة عن خط خلوي خاص ينتج الأمشاج فقط. 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\(\PageIndex{1}\) أ).
آرت كونيكشن
إذا حدثت طفرة بحيث لم تعد الفطريات قادرة على إنتاج نوع التزاوج الناقص، فهل ستظل قادرة على التكاثر؟
تستخدم معظم الفطريات والطحالب استراتيجية دورة الحياة التي يكون فيها «جسم» الكائن الحي متعدد الخلايا أحادي الصبغيات. أثناء التكاثر الجنسي، تنضم خلايا أحادية الشكل متخصصة من شخصين لتشكيل زيجوت ثنائي الصبغيات. يخضع الزيجوت على الفور للانقسام الاختزالي لتكوين أربع خلايا أحادية الصبغيات تسمى الجراثيم (الشكل\(\PageIndex{1}\) ب).
النوع الثالث من دورة الحياة، الذي تستخدمه بعض الطحالب وجميع النباتات، يسمى تناوب الأجيال. تحتوي هذه الأنواع على كائنات متعددة الخلايا أحادية الصبغية وثنائية الصبغيات كجزء من دورة حياتها. تُسمى النباتات أحادية الصبغيات متعددة الخلايا بالكائنات المشيجية لأنها تنتج الأمشاج. لا يشارك الانقسام الاختزالي في إنتاج الأمشاج في هذه الحالة، حيث أن الكائن الحي الذي ينتج الأمشاج هو بالفعل أحادي الصبغيات. 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 إلى الفطريات المشيمية (الشكل\(\PageIndex{1}\) ج).
ملخص القسم
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 وراثيًا 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 أحادية الصبغيات، والتي تظهرها جميع الفطريات وبعض الطحالب؛ والتناوب بين الأجيال، الذي تظهره النباتات وبعض الطحالب.
اتصالات فنية
الشكل\(\PageIndex{1}\): 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 الأحادية
- 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
- خلية جرثومية
- خلية متخصصة تنتج الأمشاج، مثل البيض أو الحيوانات المنوية
- دورة حياة
- تسلسل الأحداث في تطوير الكائن الحي وإنتاج الخلايا التي تنتج النسل
- الانقسام الاختزالي
- عملية تقسيم نووي تؤدي إلى أربع خلايا أحادية الصبغيات
- سبورويت
- مرحلة دورة حياة ثنائية الصبغيات متعددة الخلايا تنتج الجراثيم