Какую роль в природе играет такое свойство живого организма как самовоспроизведение

Конспект на интерактивный видео-урок

по предмету «Естествознание» для «10» класса

Урок № 47. Самовоспроизведение живых организмов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Каковы способы самовоспроизведения живых организмов?
• В чем заключаются преимущества полового размножения перед бесполым?
• Какие формы бесполого и полового размножения существуют?
• Как формируются гаметы?
• Как чередуются поколения в жизненных циклах?

Глоссарий по теме:

Бесполое размножение – способ самовоспроизведения живых организмов при котором образование нового организма осуществляется из неспециализированных (соматических) клеток или группы клеток. Дочерние организмы генетически идентичны с материнским организмом. Биологический смысл заключается в быстром воспроизведении большого количества особей при стабильных условиях.

Половое размножение – способ самовоспроизведения живых организмов при котором образование нового организма происходит из одной клетки – зиготы, образованной при слиянии специализированных половых клеток – гамет. Дочерние особи генетически не похожи ни на одного из родителей. Биологический смысл связан с повышением приспособляемости организмов при неблагоприятных условиях.

Мейоз – особый тип деления клеток в результате которого образуются гаплоидные половые клетки.

Жизненный цикл – совокупность фаз развития, пройдя которые организм достигает зрелости и становится способным дать начало следующему поколению.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 214 – 218.

Электронные ресурсы:

Бесполые формы размножения. Образовательный портал «Открытая биология» [Электронный ресурс] // адрес доступа: https://biology.ru/textbook/chapter10/section4/paragraph1/

Половое размножение. Образовательный портал «Открытая биология» [Электронный ресурс]// адрес доступа: https://biology.ru/textbook/chapter10/section4/paragraph2/

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Развитие организма как открытой неравновесной системы является отражением процессов самоорганизации в живой природе. Ключевым в самоорганизации организмов является фундаментальные свойства живого – способность к самообновлению и самовоспроизведению. Самовоспроизведение или воспроизведение себе подобных обеспечивается способностью молекулы ДНК к самоудвоению, что позволяет дублировать генетическую информацию. Все разнообразие процессов размножения в конечном итоге сводятся к двум формам: бесполому и половому. Половое размножение представляет собой слияние двух специализированных (половых) клеток, в результате чего образуется одна клетка, из которой развивается новый организм. При бесполом размножении слияния клеток не происходит, и организм развивается из одной клетки или группы клеток материнского организма. Поскольку существование организмов связано с окружающей средой, то процессы самовоспроизведения являются отражением самосовершенствования и самообновления организмов как динамических систем. Существование разных способов самовоспроизведения живых организмов обеспечивает сохранение биологического разнообразия биосферы, что является необходимым условием её устойчивости.

Бесполое размножение. Доядерные организмы размножаются только бесполым путём. У одноклеточных ядерных организмов встречается несколько способов бесполого размножения, в основе которого преимущественно лежит простое деление клетки (митоз). Многим вида растений, всем видам грибов и простейшим свойственно образование при неблагоприятных условиях специализированные клетки – споры. При благоприятных условиях споры дают начало новому организму.

Многоклеточные организмы чаще используют вегетативное размножение (почкование, при помощи клубней, корневищ и т.д.), при котором организм развивается из группы клеток материнского организма.

В результате бесполого размножения образуются организмы полностью идентичные материнскому. Такой способ размножения является эволюционно более древним и обнаруживает преимущества при сравнительно стабильных условиях.

Половое размножение является более прогрессивным, поскольку образующееся потомство обладает новым сочетанием признаков по сравнению с родительскими особями, а, следовательно, получает больше шансов на выживание при часто меняющихся условиях.

Предшественником полового процесса считают процесс конъюгации бактерий. В ходе которого, две клетки соединяются, и происходит частичный обмен между участками ДНК. В результате образуются две клетки с новым сочетанием генов. Этот процесс эволюционно был усовершенствован. Позднее появляются специализированные половые клетки – гаметы. В процессе слияния половых клеток (оплодотворение) образуется клетка – зигота, из которой развивается организм, сочетающий гены обоих родителей.

Мейоз. Половые клетки образуются в результате специального деления клетки, получившим название мейоз. В процессе мейоза происходит кратное уменьшение числа хромосом. В результате, в каждой гамете остаётся гаплоидный (одинарный) набор хромосом. Этот процесс необходим для обеспечения постоянства количества ДНК, т.к. при оплодотворении нормальное количество хромосом (диплоидный набор) восстанавливается. При этом, дочерние гомологичные хромосомы будут сочетать по одной родительской хромосоме. Новая комбинация генов обеспечивает новое сочетание признаков, что является существенным фактором эволюции.

Механизм мейоза представляет собой следующие друг за другом два простых деления клетки. При этом перед началом второго деления удвоения хромосом не происходит. Стадии мейоза идентичны митотическому делению. Важным событием профазы I (первого деления) является сближение гомологичных хромосом (конъюгация). В результате перекрёста хромосом они могут обменяться участками (кроссинговер). Такая перетасовка служит дополнительным механизмом наследственной изменчивости организмов. По окончанию телофазы I образуются две клетки с диплоидным набором хромосом. Поскольку во втором делении хромосома состоит из двух хроматид, то в метафазе II к полюсам расходятся отдельные хроматиды гомологичных хромосом. В результате из каждой исходной клетки образуется четыре клетки с гаплоидным набором хромосом. Случайность расхождения хромосом из гомологичных пар даёт большое разнообразие гамет, образующихся у родительских организмов.

Чередование поколений. Некоторые организмы сочетают половое и бесполое размножение в течении жизни. Чаще всего это связано с условиями, в которых существует организм. При относительно стабильных условиях организмы размножаются интенсивно бесполым путём. При наступлении неблагоприятных условий они переходят к половому размножению, вслед за этим возобновляется бесполое размножение. Такой тип чередования способов размножения характерен для некоторых простейших (например, инфузории), а также для некоторых многоклеточных организмов (например, гидра).

У некоторых видов такое чередование размножений носит циклический характер. Жизненный цикл таких организмов проходит через чередование ряда поколений. Примером могут служить жизненный цикл сцифомедуз у которых имеется чередование фаз полипов и медуз.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ.

Сколько хромосом в гаметах у организма с диплоидным набором хромосом равным 6 (2n = 6)?

• 2
• 3
• 6

Ответ: 3

Пояснение: диплоидный набор соответствует удвоенному гаплоидному

Задание 2. Найдите ошибку (ошибки) и вычеркните их.

«Характеристиками бесполого размножения являются:

• Участвуют клетки одной особи;
• Организм развивается из неспециализированных клеток материнского организма;
• Новый организм появляется из одной клетки, образовавшейся в результате слияния двух клеток;
• Дочерний организм генетически не похож на материнский организм.»

Ответ:

«Характеристиками бесполого размножения являются:

• Участвуют клетки одной особи;
• Организм развивается из неспециализированных клеток материнского организма;
• Новый организм появляется из одной клетки, образовавшейся в результате слияния двух половых клеток;
• Дочерний организм генетически не похож на материнский организм.»

Пояснение: Слияние или оплодотворение в бесполом процессе не происходит.

Естествознание
10 класс

Нет живого не из яйца!

Все живое от живого.

Л. Окен

Каковы способы самовоспроизведения живых организмов? В чем заключаются преимущества полового размножения перед бесполым? Какие формы бесполого и полового размножения существуют? Как формируются гаметы? Как чередуются поколения в жизненных циклах?

Урок-лекция

Процессы самоорганизации в биологических системах представляют собой развитие любого организма как открытой неравновесной системы, его жизненный цикл. В ходе такого развития могут сменяться не только разные стадии (личинки и взрослые особи), но и разные поколения (бесполое и половое). Рассмотрим многообразие этих процессов и биологические механизмы, лежащие в их основе.

САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ КАК ПРОЦЕСС САМООРГАНИЗАЦИИ. Способность воспроизводить себе подобных (размножение) — одно из главных свойств живых организмов. Оно обеспечивается благодаря репликации ДНК, позволяющей дублировать генетическую информацию. Размножение же организмов, как таковое, может быть бесполым и половым При бесполом размножении новая особь образуется из одной клетки или группы клеток материнского организма. При половом размножении новая особь развивается из зиготы — клетки, которая образуется при слиянии двух специализированных половых клеток. Они носят название гамет и продуцируются родительскими особями. Поскольку при формировании зиготы сливаются и ядра гамет, то число хромосом соответственно удваивается. В ходе развития половых клеток имеет место близкий митозу процесс — мейоз, который обеспечивает уменьшение (редукцию) числа хромосом в гаметах.

В соматических клетках высших растений и животных каждая хромосома представлена в двух экземплярах. Такие пары хромосом называют гомологичными. В ходе мейоза образующиеся гаметы получают по одинарному (гаплоидному) набору хромосом, а при слиянии ядер двух гамет в зиготе двойной (диплоидный) набор хромосом восстанавливается. Однако в каждой паре гомологичных хромосом в зиготе одна хромосома будет от одного родительского организма, а другая — от другого. Поэтому развивающийся из зиготы организм будет обладать новым сочетанием (комбинаций) различных признаков и свойств, т. е. отличаться от своих родителей. Это комбинативная форма наследственной изменчивости.

Она является существенным фактором эволюции, обеспечивающим приспособление видов к меняющимся условиям среды. В этом, собственно, и заключается смысл полового размножения и его преимущество перед бесполым размножением. Неудивительно, что половое размножение возникло на ранних этапах эволюции и служит доминирующей формой размножения высших многоклеточных организмов.

Рис.86. Мейоз

Мейоз состоит из двух следующих друг за другом делений клетки (рис. 86). В интерфазе I, предшествующей первому делению, как и в интерфазе митоза (§ 31), происходит удвоение хромосом, причем обе копии остаются тесно связанными друг с другом. В профазе I происходит тесное смыкание (конъюгация) гомологичных хромосом; при этом возможен перекрест хромосом (кроссинговер), когда гомологичные хромосомы обмениваются участками. В метафале I происходит образование метафазной пластинки. В анафазе I каждая пара гомологичных хромосом перемещается к разным полюсам клетки, вслед за чем в телофазе I образуется ядерная оболочка и делится цитоплазма. Затем следует непродолжительная интерфаза II, во время которой хромосомы уже не удваиваются. Второе мейотическое деление принципиально не отличается от митоза. Удвоенные еще в первой интерфазе хромосомы выстраиваются в метафазную пластинку, и хромосомы каждой пары расходятся в анафазе II к разным полюсам. В результате разделения цитоплазмы в тело фазе II образуются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Общий итог двух делений мейоза — четыре гаплоидные клетки. Заметим, что мейоз (так же как и митоз) может проходить и без деления цитоплазмы клетки.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ. Бесполое размножение характерно для всех микроорганизмов. У одноклеточных эукариот оно осуществляется несколькими способами, чаще всего благодаря делению клеток надвое (рис. 87).

Рис. 87. Бесполое размножение инфузории-туфельки

У многоклеточных организмов бесполое размножение чаще всего встречается в форме вегетативного размножения и спорообразования. При вегетативном размножении новая особь образуется из части (группы клеток) материнского организма. У водорослей, грибов и беспозвоночных часто встречается почкование, при котором новая особь появляется на теле материнской в результате интенсивного размножения ее соматических клеток на определенном участке тела — зоне почкования (рис. 88). Разнообразные формы вегетативного размножения характерны и для высших растений: при помощи клубней, ползучих побегов, корневищ, луковиц и т. п.

Рис. 88. Почкующаяся гидра

Всем видам растительных организмов, грибам и многим простейшим присуще также и спорообразование. При этом образуются одноклеточные особи (споры), которые покидают материнский организм, рассеиваются в пространстве и дают затем начало новому организму.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ. Начальный этап формирования полового процесса (т. е. обмена генетической информацией) в ходе эволюции — это конъюгация бактерий. Две бактерии частично обмениваются генетическим материалом. Аналогичный процесс (обмен гаплоидными ядрами) наблюдают у инфузорий. Число особей в результате такого полового процесса не изменяется.

Позднее у живых организмов появились специальные половые клетки (гаметы), между которыми и стал осуществляться процесс полного слияния. В процессе эволюции полового размножения возникло разделение на мужские и женские особи, что выразилось в строении гамет: женские гаметы стали крупными и неподвижными (яйца или яйцеклетки), а мужские — мелкими, снабженными жгутиками и подвижными (сперматозоиды).

Процесс оплодотворения заключается в слиянии мужских и женских гамет с образованием зиготы. Различают наружное и внутреннее оплодотворение. Первое характерно для многих водных организмов (например, моллюски, рыбы, водоросли и др.), которые выметывают половые продукты наружу. и слияние мужских и женских гамет происходит в водной среде. При внутреннем оплодотворении слияние гамет происходит внутри женского организма. Оно характерно для обитателей суши (высшие растения, насекомые, позвоночные животные).

ЧЕРЕДОВАНИЕ ПОКОЛЕНИЙ. Для многих организмов характерно сочетание разных способов размножения в течение их жизни — полового и одного или нескольких вариантов бесполого. Многие простейшие при благоприятных условиях интенсивно размножаются бесполым путем (делением), затем у них проходит половой процесс (например, конъюгация у инфузорий), вслед за этим возобновляется бесполое размножение. Сходную картину наблюдают и у некоторых многоклеточных животных. Например, гидра летом размножается почкованием, а с наступлением холодов у нее формируются половые клетки, и происходит оплодотворение (рис. 89, а, б). Из оплодотворенных яиц на следующий год развиваются новые особи.

Рис. 89. Половозрелая гидра: с семенниками (а) с яйцами (б)

Существуют многие виды, у которых чередование полового и бесполого размножения, а соответственно полового и бесполого поколений носит правильный, циклический характер. Жизненный цикл таких видов, начавшись с определенной стадии, проходит через несколько поколений и вновь возвращается к исходной стадии. Например, в жизненном цикле многих кишечнополостных имеет место регулярное чередование полипов и медуз (рис. 90).

Рис. 90. Жизненный цикл сцифомедуз

Для многих водорослей и всех высших растений характерно чередование поколений, при котором половое поколение (гаметофит) гаплоидно, а бесполое (спорофит) диплоидно. Из споры вырастает гаплоидный гаметофит, который продуцирует гаметы. Оплодотворенная яйцеклетка дает начало диплоидному спорофиту, при образовании которым спор происходит мейоз, и споры, таким образом, оказываются гаплоидными. Цикл замыкается.

У семенных растений гаметофит крайне редуцирован. У цветковых мужской гаметофит представлен пыльцевым зерном, а женский сведен к зародышевому мешку, который находится внутри семяпочки, т. е. окружен со всех сторон тканью спорофита.

Основными способами самовоспроизведения живых существ является бесполое и половое размножение. При половом размножении формируются гаплоидные клетки (гаметы). Мужские особи производят сперматозоиды, женские — яйца, или яйцеклетки. В процессе оплодотворения образуется диплоидная зигота, в которой половина хромосом происходит от одного родительского организма, а половина — от другого. В жизненных циклах многих живых существ наблюдают чередование полового и бесполого размножения. Существование разных способов размножения направлено на сохранение биоразнообразия в экосистемах, т. е. биосферы в целом.

• В чем заключается смысл полового размножения? Почему в процессе эволюции он оказался доминирующим?
• Приведите примеры бесполого размножения у организмов разных систематических групп.
• Какое значение в жизни вида имеет чередование поколений в жизненном цикле?