Rodzaje cyklów płciowych: z dominacją fazy diploidalnej, z dominacją fazy haploidalnej i przemiana pokoleń. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Wstęp

Czy kiedykolwiek marzyłeś o sklonowaniu siebie (na przykład, aby móc zrobić dwa razy tyle w ciągu dnia)? Ponieważ jesteś człowiekiem, nie możesz po prostu podzielić się na dwie części, otrzymując tym samym dodatkowego siebie. Ale jeśli byłbyś innym typem organizmu - powiedzmy rozgwiazdą lub może kaktusem - klonowanie ciebie mogłoby być mniej skomplikowaną sprawą.
Niektóre rozgwiazdy potrafią stworzyć genetycznie identyczne rozgwiazdy po prostu poprzez oderwanie ramienia, które następnie rozrasta się do kompletnego organizmu. Podobnie niektóre kaktusy potrafią klonować się poprzez zrzucanie fragmentów swoich rozgałęzień, które zapuszczają korzenie i rozwijają się w nowy, genetycznie identyczny kaktus1^1.
Te strategie rozrodcze są przykładami rozmnażania bezpłciowego, w wyniku którego otrzymujemy potomstwo genetycznie identyczne z rodzicem (czyli z oryginalną rozgwiazdą lub kaktusem). Z kolei wiele roślin, zwierząt i grzybów otrzymuje potomstwo poprzez rozmnażanie płciowe.
W rozmnażaniu płciowym, komórki rozrodcze (gamety) pochodzące od dwóch rodziców łączą się w procesie zapłodnienia, prowadząc do powstania nowego, genetycznie odmiennego osobnika. Niektóre organizmy, w tym rozgwiazda i kaktus z przykładu powyżej, mogą rozmnażać się zarówno płciowo i bezpłciowo1,2^{1,2}.
Wszystkie gatunki rozmnażające się płciowo mają wspólne cechy cyklu płciowego, takie jak mejoza (wytwarzanie haploidalnych komórek z komórek diploidalnych) i zapłodnienie (połączenie haploidalnych gamet i utworzenie komórki diploidalnej nazywanej zygotą). Poza tymi podstawowymi elementami, może być wiele rodzajów płciowych cyklów życiowych. W tym artykule, spojrzymy na różne rodzaje cyklów płciowych występujących u różnych organizmów, od ludzi przez paprocie do czarnej pleśni.

Rodzaje cyklów płciowych

Cykle płciowe obejmują następujące po sobie mejozę i zapłodnienie. Mejoza ma miejsce tam, gdzie komórka diploidalna daje początek komórkom haploidalnym a zapłodnienie jest tam, gdzie dwie komórki haploidalne (gamety) łączą się ze sobą tworząc diploidalną zygotę. To co dzieje się pomiędzy tymi dwoma wydarzeniami, jednakże może bardzo różnić się pomiędzy organizmami - powiedzmy, pomiędzy tobą, grzybem i dębem!
Są trzy główne rodzaje cyklów płciowych.
  • W cyklu życiowym z przewagą fazy diploidalnej, wielokomórkowa forma diploidalna jest dominującą formą życiową i jedynymi komórkami haploidalnymi są gamety.
  • W cyklu życiowym z przewagą fazy haploidalnej, wielokomórkowa (lub niekiedy jednokomórkowa) forma haploidalna jest tą dominującą formą życiową. W tym rodzaju cyklu życiowego, jednokomórkowa zygota jest jedyną komórką diploidalną. Grzyby i niektóre algi mają ten rodzaj cyklu życiowego.
  • W przemianie pokoleń, zarówno forma haploidalna jak i diploidalna są wielokomórkowe, chociaż różne mogą być dominujące względem siebie w różnym stopniu u różnych gatunków.
Zatem przejdźmy do konkretów i popatrzmy na przykłady każdego z cyklów życiowych.

Cykl z dominacją fazy diploidalnej

Niemal wszystkie organizmy mają cykl życiowy z dominacją fazy haploidalnej, w którym jedynymi komórkami haploidalnymi są gamety. Na wczesnym etapie rozwoju zarodkowego, specjalne komórki diploidalne, nazywane komórkami zarodkowymi, są wytwarzane w gonadach (jądrach i jajnikach). Komórki zarodkowe mogą się dzielić w procesie mitozy, aby wytworzyć więcej komórek zarodkowych, ale niektóre z nich przechodzą mejozę, tworząc haploidalne gamety (plemniki i komórki jajowe). Zapłodnienie obejmuje połączenie się dwóch gamet, zwykle od innych jednostek, co przywraca stan diploidalny.

Cykl z dominacją fazy haploidalnej

Większość grzybów i niektóre protisty (jednokomórkowe eukarioty) mają cykl życiowy z dominacją fazy haploidalnej, w którym "ciałem" organizmu - to znaczy dorosłą, ważną ekologicznie formą, jest organizm haploidalny.
Przykładem grzyba z cyklem z dominacją fazy haploidalnej jest czarna pleśń, której cykl płciowy został pokazany na poniższym schemacie. W rozmnażaniu płciowym tego organizmu, strzępki (wielokomórkowe, podobne do nici struktury haploidalne) z dwóch pasujących do siebie organizmów rosną ku sobie nawzajem.
W miejscu spotkania się dwóch strzępek, tworzą one strukturę nazywaną zygosporangium. Zygosporangium zawiera wiele haploidalnych jąder od rodziców w jednej komórce. Haploidalne jądra komórkowe łączą się ze sobą tworząc diploidalne jądra, które są odpowiednikami zygot. Komórka zawierająca te jądra nazywana jest zygosporą.
Zygospora może długo pozostawać w fazie spoczynkowej, ale w odpowiednich warunkach, diploidalne jądra komórkowe przechodzą mejozę i tworzą haploidalne jądra, które zostają uwalniane w pojedynczych komórkach nazywanych sporami 4^4. Ponieważ są one wytwarzane w procesie mejozy, każda spora ma swoją unikatową kombinację materiału genetycznego. Spory kiełkują i dzielą się przez mitozę, aby wytworzyć nowe, wielokomórkowe, haploidalne grzyby.

Przemiana pokoleń

Trzeci rodzaj cyklu życiowego, przemiana pokoleń, jest mieszanką skrajności - cyklów z dominacją fazy haploidalnej i z dominacją fazy diploidalnej. Ten cykl życiowy ma miejsce u niektórych glonów i u wszystkich roślin. Gatunki z przemianą pokoleń mają wielokomórkowe fazy haploidalne i diploidalne.
Wielokomórkowe, haploidalne rośliny (lub glony) są nazywane gametofitami, ponieważ wytwarzają gamety za pomocą wyspecjalizowanych komórek. W tym wypadku mejoza nie jest bezpośrednio zaangażowana w produkcję gamet, ponieważ organizm już jest haploidem. Zapłodnienie między dwoma haploidalnymi gametami tworzy diploidalną zygotę.
Zygota przechodzi wiele rund mitozy i daje początek wielokomórkowej, diploidalnej roślinie nazywanej sporofitem. Wyspecjalizowane komórki sporofitu przechodzą mejozę i wytwarzają haploidalne spory. Te następnie rozwijają się w wielokomórkowe gametofity.
Chociaż wszystkie rozmnażające się płciowo rośliny przechodzą przez niektóre rodzaje przemiany pokoleń, rozmiary sporofitu i gametofitu oraz proporcje pomiędzy nimi różnią się pomiędzy gatunkami.
W roślin takich jak mchy, gametofit jest wolnożyjącą, względnie dużą rośliną, podczas gdy sporofit jest niewielki i zależny od gametofitu. U innych roślin, takich jak paprocie, gametofit i sporofit są wolnożyjące; jednakże, sporofit jest większy i jest tą formą, o której zwykle myślimy jako o paproci.
U roślin nasiennych takich jak magnolie czy stokrotki, sporofit jest znacznie większy niż gametofit: to, co uważamy za "roślinę" jest niemal całą tkanką sporofitu. Gametofit jest zbudowany tylko z kilku komórek i w przypadku żeńskiego gametofitu, jest całkowicie schowany w sporoficie (w kwiecie).

Dlaczego rozmnażanie płciowe się rozpowszechniło?

W pewnym sensie rozmnażanie bezpłciowe, dające potomstwo, które jest genetycznym klonem rodzica, wydaje się prostszym i bardziej efektywnym sposobem niż rozmnażanie płciowe. Znowu, jeśli rodzic dobrze sobie radzi w konkretnym środowisku, dlaczego potomstwo nie miałoby także w tym miejscu żyć równie dobrze? Oprócz tego, rozmnażanie bezpłciowe odpowiada jednostkom, dla których ważne jest eliminowanie problemu znalezienia partnera i umożliwia rozmnażanie organizmowi żyjącemu w izolacji.
Pomimo tego, kilka organizmów wielokomórkowych jest tylko bezpłciowa. Zatem dlaczego rozmnażanie płciowe jest aż tak powszechne? To pytanie było burzliwie dyskutowane i nadal nie ma zgody co do dokładnej odpowiedzi na nie. Ogólnie myślano, że rozmnażanie płciowe daje przewagę ewolucyjną i w związku z tym jest rozpowszechnione wśród organizmów żywych, ponieważ zwiększa różnorodność genetyczną oraz reorganizuje warianty genów tworząc nowe kombinacje. Procesami, które wytwarzają różnorodność genetyczną we wszystkich życiowych cyklach płciowych, są: crossing-over w mejozie, losowy rozdział chromosomów homologicznych i zapłodnienie.
Dlaczego różnorodność genetyczna jest dobra? Jako przykład rozważmy sytuację, kiedy środowisko życia populacji zmienia się poprzez wprowadzenie patogenu lub drapieżnika. Rozmnażanie płciowe ciągle wytwarza nowe, przypadkowe kombinacje wariantów genów. To zwiększa prawdopodobieństwo, że u jednego lub więcej członków rozmnażającej się płciowo populacji wystąpi kombinacja, która pozwoli przetrwać w nowych warunkach (np. taka, która niesie odporność na patogen lub pozwala na ucieczkę przed drapieżnikiem).
Przez pokolenia korzystne warianty genów mogą rozprzestrzeniać się w populacji, pozwalając na jej przetrwanie jako grupa w nowych warunkach.
Ładowanie