Размножение клеток растений и животных

Обновлено: 05.10.2024

У растений и животных пути образования гамет различаются. У растений половые клетки возникают путем деления соматических клеток, по-другому митозом. У животных же помимо митоза есть и мейоз.

Гаметогенез растений

Перед самим процессом образования гамет в пыльниках тычинок образуются микроспоры. Образование мужских половых клеток непосредственно связано с делением материнской клетки путем митоза. Так, из одной клетки получаются четыре микроспоры, каждая из которых имеет гаплоидный набор хромосом. После этого происходит деление одной из получившихся спор с образованием мужского гаметофита. Он, в свою очередь, состоит из большой вегетативной и маленькой генеративной клетки. После деления гаметофит покрывается плотной оболочкой и образует пыльцевое зерно. Иногда, в процессе созревания пыльцы или же после переноса её на рыльце пестика, маленькая генеративная клетка делится митозом, в результате которого образуется две неподвижные мужские половые клетки, называемые спермиями. Из вегетативной же клетки, после опыления, образуется пыльцевая трубка, способствующая проникновению спермиев в завязь пестика для оплодотворения.

Рис. 1 Образование мужского гаметофита

Образование женских половых клеток у растений называется мегагаметогенезом. Этот процесс происходит в завязи пестика, предшествующий процесс – мегаспорогенез, вследствие которого из мегаспоры материнской клетки путём двух последовательных мейотических делений образуется четыре мегаспоры. Одна из этих мегаспор три раза делится митозом, при этом получается зародышевый мешок с восемью ядрами, называющийся женским гаметофитом. После, цитоплазмы дочерних клеток обособляются, и одна из образовавшихся клеток становится яйцеклеткой, по бокам которой расположены синергиды, на противоположном конце зародышевого мешка образуются три антипода, в центре же формируется диплоидная центральная клетка, возникшая в результате слияния двух гаплоидных ядер.

Рис. 2 Образование женского гаметофита

Развитие половых клеток у животных

Существуют два процесса образования половых клеток у животных, сперматогенез (образование мужских половых клеток) и овогенез (образование женских половых клеток).

У человека сперматогенез осуществляется в семенниках (по-другому яичках) и подразделяется на четыре следующих друг за другом периода: размножение, рост, созревание и окончательное формирование.

Период размножения характеризуется тем, что первичные половые клетки делятся путём митоза, в результате чего, вначале образуется диплоидные сперматогонии. Во время роста сперматогонии накапливают в цитоплазме питательные вещества, размеры их увеличиваются и они преобразуются в первичные сперматоциты, которые также называют сперматоциты первого порядка. После этого, начинается период созревания, в котором они вступают в мейоз. Результатом произошедшего мейоза является образование сначала двух вторичных сперматоцитов, или сперматоцитов второго порядка, с последующим образованием четырёх гаплоидных клеток с большим количеством цитоплазмы – сперматид. В период формирования сперматиды формируют жгутик, превращаясь в сперматозоиды, утрачивая при этом почти всю цитоплазму.

Сперматозоиды – это очень мелкие подвижные мужские половые клетки, они состоят из головки, шейки и хвостика.

В головке имеется ядро и акросома, представляющая собой видоизменённый комплекс Гольджи, который обеспечивает в процессе оплодотворения растворение оболочки яйцеклетки. Шейка сперматозоида является местонахождением центриолей клеточного центра. Основа хвостика образована микротрубочками, которые и обеспечивают движение сперматозоида, также в нём находятся митохондрии, синтезирующие энергию АТФ для движения сперматозоида.

Образование женских половых клеток. Овогенез.

У человека процесс образования яйцеклеток (овогенез) происходит в яичниках.

Яйцеклетка – крупная половая клетка, содержащая гаплоидный набор хромосом и большое количество запасных питательных веществ, необходимых для последующего развития зародыша. Она покрыта четырьмя оболочками для предотвращения повреждения её различными факторами.

Овогенез проходит в три стадии, или периода, которые соответственно называются: размножения, роста и созревания. Периоды размножения и роста происходят ещё во внутриутробном состоянии организма человека. Из первичных половых клеток формируются диплоидные оогонии, превращающиеся затем в диплоидные ооциты первого порядка, или первичные ооциты. Далее следует период созревания, с протекающими в нём процессами митоза и цитокинеза. Этот период характеризуется неравномерным делением цитоплазмы материнской клетки, поэтому, вначале формируется один ооцит второго порядка, или вторичный ооцит, после чего из вторичного ооцита образуется яйцеклетка. Яйцеклетка имеет большой запас питательных веществ и сохраняет второе полярное тельце. Первое же полярное тельце делится на две части. Образовавшиеся полярные тельца забирают избыток наследственного материала.

Рис. 3 Сперматогенез и овогенез

Деление клетки как основа размножения, индивидуального развития организмов. Роль митоза и мейоза

Деление клеток – это основной процесс, который лежит в основе размножения, роста и развития всех живых организмов. В результате деления из одной материнской клетки образуется две дочерних идентичных материнскому организму клетки. Рост различных органов и тканей растений и животных возможен только благодаря процессу деления.

Роль митоза. Основным способом деления клетки является митоз. Его биологическое значение в том, что этот процесс лежит в основе роста и вегетативного размножения всех организмов, которые имеют в составе клетки ядро (эукариоты). Благодаря митозу, число хромосом в клеточных поколениях остаётся постоянным, таким образом, дочерний организм получает точно такой же набор хромосом, следовательно, такой же генетический материал, который содержался в ядре материнской клетки.

Роль мейоза. Биологическое значение мейоза заключается в том, что этот процесс поддерживает постоянное число хромосом при наличии полового процесса. Важным является то, что в процессе мейоза происходит кроссинговер, в результате которого происходит обмен генетической информацией и появление в хромосомах новых наследственных признаков. Таким образом, мейоз обеспечивает свойства комбинативной изменчивости, результатом которой служат новые сочетания признаков при дальнейшем оплодотворении.

Эти два процессы играют важнейшую роль в жизнедеятельности каждого организма. Именно они лежат в основе онтогенетического и филогенетического развития живых организмов.

Наверное, нет ни одного более часто изучаемого в рамках школьной программы по биологии понятия, чем клетка. С ней знакомятся в 5 классе на природоведении, затем в 6 рассматривают разновидности и как размножается клетка, ее способы деления. В 7 и 8 классах она изучается с точки зрения растительной, животной и человеческой принадлежности. 9 класс подразумевает рассмотрение внутренних процессов, происходящих в ней, то есть молекулярное строение. В 10 и 11 это клеточная теория, открытие и эволюция.

Программа строится так потому, что именно эти маленькие структуры, "кирпичики жизни", являются самыми важными элементами любого организма. Все жизненные функции, процессы, рост и развитие, становление - все, что связано с жизнью, осуществляется ими и в них. Поэтому в данной статье мы рассмотрим основные моменты размножения, развития клеток и историю их открытия.

Открытие клетки

Эти структурные частицы чрезвычайно малы по размерам. Поэтому для их открытия понадобилось много времени и создание определенной техники. Так, впервые клеточную структуру живой растительной ткани увидел Роберт Гук. Это было в 1665 году. Для того чтобы их рассмотреть, он изобрел первый в мире микроскоп. Данное устройство мало напоминало современные увеличительные приборы. Скорее, было похоже на несколько скомпонованных между собой луп, дающих увеличение.

Используя данный прибор, ученый рассматривал срез пробкового дерева. То, что он увидел, положило начало развитию ряда смежных наук и биологии в целом. Множество плотно прилегающих друг к другу ячеек примерно одинаковой формы и размера. Гук назвал их cella, что означает "клетка".

Впоследствии был сделан ряд открытий, которые позволили знаниям разрастись, накопиться и вылиться в несколько наук, занимающихся их изучением.

1675 г. - ученый Мальпиги изучал разнообразие клеток по форме и пришел к выводу, что это чаще всего округлые или овальные пузырьки, заполненные жизненным соком.
1682 г. - Н. Грю подтвердил выводы Мальпиги, а также занимался изучением строения оболочки клетки.
1674 г. - Антонио ван Левенгук открывает клетки бактерий, а также кровяные структуры и сперматозоиды.
1802-1809 гг. - Ш. Бриссо-Мирбе и Ж. Б. Ламарк предполагают существование тканей и схожесть животных и растительных клеток.
1825 г. - Пуркинье открывает ядро в половой клетке птиц.
1831-1833 гг. - Роберт Броун открывает наличие ядра в растительных клетках и вводит понятие о значимости внутреннего состава, а не клеточной оболочки, как считалось ранее.
1839 г. - Теодор Шванн делает выводы о том, что все живые организмы состоят из клеток, а также о схожести последних между собой (будущая клеточная теория).
1874-1875 гг. - Чистяков и Страсбургер открывают способы размножения клеток - митоз, мейоз.

Все дальнейшие открытия в области строения клеток, их функций, многообразия и роли в жизни организмов были совершены достаточно быстро благодаря интенсивному развитию специальной увеличительной и осветительной техники.

Размножение клеток

Каждая клетка в течение жизни совершает целый клеточный цикл - это время ее жизни с момента появления на свет и до смерти (или деления). Причем, совершенно неважно, животная она или растительная. Жизненный цикл одинаков для всех из них, и чаще всего, в конце его клетки размножаются делением.

Конечно, не для всех организмов этот процесс идентичен. Для эукариотов и прокариотов он принципиально различается, также имеются некие отличия и в размножении растительных и животных клеток.

Как размножается клетка? Для этого существует несколько основных способов.

Каждый из них представляет собой целый ряд процессов, фаз. Причем все эти процессы характерны именно для многоклеточных организмов, как растительного, так и животного происхождения. У одноклеточных размножение происходит путем простого деления надвое. То есть способы размножения клеток не одинаковы. Существует даже такое явление, как клеточный суицид. Это самоуничтожение клеток вместо процессов деления.

Как размножается клетка, например, бактерий, сине-зеленых водорослей, некоторых простейших? Бесполым путем, самым простым способом: содержимое их клетки удваивается, в клеточной стенке формируется поперечная или продольная перетяжка и одна клетка делится на два совершенно новых, идентичных материнскому, организма.

Данный процесс называется прямым делением клетки. Размножаются им одноклеточные и бактерии, но он не имеет отношения ни к митотическим, ни к мейотическим процессам. Они происходят только в организме многоклеточных живых организмов.

Митоз

В многоклеточных существах содержится миллиарды клеток. И каждая из них стремится завершить свой жизненный цикл, именно оставив потомство, а не умерев. Клетки размножаются делением, однако данный процесс не у всех из них одинаков.

Соматические структуры (к таким относятся все клетки организма, кроме половых) своим способом для размножения выбирают митоз или амитоз. Это очень интересный, емкий и сложный процесс, в результате которого из одной материнской диплоидной клетки (то есть с двойным набором хромосом) образуются две идентичные ей дочерние с таким же диплоидным составом.

Весь процесс включает в себя два основных момента:

Кариокинез - деление ядра и всего его содержимого.
Цитокинез - деление протоплазмы (цитоплазмы и всех клеточных органоидов).

Протекают эти процессы одномоментно, приводя к формированию полноценных материнских копий уменьшенного размера.

Митоз состоит из четырех фаз (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) и состояния, предшествующего делению - интерфазы. Рассмотрим каждую подробно.

Интерфаза

Рост и размножение клеток осуществляется в течение всей жизни организма. Однако не все клетки имеют одинаковый срок существования. Какие-то из них погибают через два-три дня (форменные элементы крови), какие-то остаются функционировать всю жизнь (нервные).

Но в жизни каждой клетки большую часть времени сохраняется такое состояние, которое называется интерфазой. Это период подготовки к делению зрелой сформировавшейся клетки, который занимает до 90% времени всего процесса.

Биологический смысл данной стадии в накоплении питательных веществ, РНК и белков, синтезе молекул ДНК. Ведь после деления в каждую дочернюю клетку должно попасть ровно такое количество органоидов, веществ и генетического материала, сколько было в материнской. Для этого должно произойти удвоение всех имеющихся структур, в том числе и нитей ДНК.

В целом, интерфаза происходит в три этапа:

пресинтетический;
синтетический;
постсинтетический.

Результат: накопление питательных элементов, энергии и ДНК молекул для дальнейших процессов деления. Таким образом, данная стадия - это лишь начало того, как размножается клетка в дальнейшем.

Профаза

На данном этапе происходят следующие основные процессы:

растворяется ядерная оболочка;
исчезают (растворяются) ядрышки;
хромосомы становятся видимы в микроскоп за счет скручивания (спирализации) структуры;
центриоли расходятся к полюсам клетки, вытягивая и формируя веретено деления.

На этой стадии размножение животных клеток ничем не отличается от такового у всех других.

Метафаза

Данная фаза достаточно короткая, всего около 10 минут. Основа ее в том, что хроматиды выстраиваются по экватору клетки. Ниточки веретена деления одним концом цепляются за центриоль у полюса клетки, а другим за центромеру каждой хроматиды. Между собой генетические структуры уже почти не связаны и поэтому легко готовы к рассоединению.

Анафаза

Самая короткая стадия всего митотического цикла. Длительность составляет около 3 минут. В этот период каждая хроматида уходит к своему полюсу клетки и достраивает себе недостающую половинку, превращаясь в нормального строения хромосому.

Однако для этого образования требуется специальный фермент - теломераза. Именно его накопление шло в интерфазе.

Телофаза

У каждого клеточного полюса появляется свой генетический полноценный материал, который одевается в ядерную оболочку, формируя ядро. Появляются ядрышки. Весь процесс занимает примерно 30 минут. То есть довольно продолжительное время. Это происходит потому, что формирование ядрышек и ядерной оболочки требует больших энергетических затрат, а также наличия строительного материала - питательных веществ (белков, углеводов, ферментов, жиров, аминокислот).

Цитокинез

Данный процесс завершает весь митотический цикл. Протоплазма делится вместе с органоидами строго пополам, и каждая дочерняя особь получает ровно столько же, сколько ее сестра. Затем поперек клетки формируется белковая перетяжка (актиновой природы), которая сдавливает структуру поперек и делит ее на две равные, но меньшие по размерам, по сравнению с материнской, клетки.

На этой стадии есть некоторые отличия животной клетки от того, как размножается клетка растения. Дело в том, что в растительных структурах белка меньше, а актина вообще нет. Поэтому посередине формируется не перетяжка, а перегородка, по обе стороны которой откладывается целлюлоза. Это придает растительной клетке жесткость, формирует каркас в виде клеточной стенки.

Рост и размножение клеток далее идет по пути обычного жизненного цикла: специализация, формирование тканей, затем органов, активная работа и деление, либо смерть.

Половые клетки и их размножение

На вопрос о том, как размножается клетка, ответ может быть дан при уточнении, какая именно. Ведь рассмотренные нами процессы митоза характерны только для соматических структур. Тогда как половые клетки размножаются несколько иным образом, а точнее, мейозом.

Данный процесс является основой таких жизненных функций у животных, как гаметогенез, то есть половое размножение. Развитие половых клеток происходит многостадийно. Поэтому мейоз - еще более сложное и емкое деление, нежели митоз.

Для растительных клеток мейоз - основа спорогенеза, то есть образования половых клеток. Основная биологическая роль мейоза для всех организмов заключается в том, что в результате него образуются четыре гаплоидные (с половинчатым или одинарным набором хромосом) половые клетки. Зачем? Для того, чтобы при оплодотворении (слиянии мужской и женской половых клеток) происходило восстановление диплоидности в новой зиготе (будущем зародыше). Это дает генетическое разнообразие организмам, приводит к комбинации генов, появлению и закреплению новых признаков.

Структура процесса мейоза

Выделяют два основных деления в мейозе: редукционное и эквационное. Каждое из них включает в себя все те же фазы, что и митоз: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Рассмотрим немного подробнее каждое из них.

Редукционное деление

Суть: из одной диплоидной клетки образуются две гаплоидные, с половинчатым набором хромосом. Фазы:

профаза I;
метафаза I;
анафаза I;
телофаза I.

На каждой из фаз повторяются все те же самые преобразования, что и на соответствующих стадиях в митозе. Однако одно отличие все же есть: в интерфазе не происходит удвоение ДНК, она лишь делится пополам, и все. Поэтому в каждую дочернюю клетку попадает лишь половина генетической информации. Это начальное размножение животных клеток, а также растительных, относящихся к половым.

Эквационное деление

Второе деление мейоза, в результате которого образуется еще по две клетки от каждой предыдущей. Теперь уже имеется четыре одинаковых гаплоидных аналога, которые и становятся половыми клетками животных или растений. Стадии эквационного деления: профаза II, метафаза II, анафаза II, телофаза II.

Таким образом, вопрос о том, как размножается клетка, имеет достаточно сложный и емкий ответ. Ведь эти процессы, как и все другие, происходящие в живых существах, очень тонкие и состоят из множества стадий.

Размножение - присущее всему живому свойство воспроизведения себе подобных. Размножение обеспечивает преемственность и непрерывность жизни.

Выделяют две основные формы размножения: бесполое и половое.

Бесполое размножение

Бесполое размножение осуществляется только одной родительской особью без участия половых клеток. Появление дочернего организма происходит из соматических клеток.

Важно заметить, что обычно потомству передаются только мутации, которые происходят в половых клетках (гаплоидных - n). Однако в случае бесполого размножения потомству передаются мутации в соматических клетках (диплоидных - 2n).

Делением материнской клетки на дочерние размножаются все бактерии и простейшие (амеба, эвглена зеленая, инфузории, водоросли).

Обратите внимание, что у ядерных организмов (эукариот) деление клетки подразумевает митоз, а у доядерных (прокариот) - простое бинарное деление (такая разница связана с отсутствием у прокариот ядра).

Часто бесполое размножение помогает быстро увеличить численность вида, оно активируется при благоприятных условиях среды. Осенью, при наступлении неблагоприятных условий становится активно половое размножение.

Споруляция подразумевает размножение с помощью специализированных клеток - спор. Эта форма размножения распространена у растений (водорослей, мхов, папоротников, хвощей и плаунов), грибов и некоторых простейших (споровики - малярийный плазмодий).

У одноклеточной зеленой водоросли - хламидомонады, споры имеют жгутики, вследствие чего называются зооспорами. У растений процесс образования спор происходит в обособленных мешковидных образованиях - спорангиях. Споры покрыты защитной оболочкой, служат для размножения и расселения растений и грибов.

Помимо этого, споры грибов и простейших помогают им пережить влияние неблагоприятных факторов внешней среды, например пересыхание водоема. При наступлении благоприятных условий грибы и простейшие освобождаются от спор и продолжают рост и развитие.

Вариантов вегетативного размножения у растений - масса, им посвящена отдельная статья. Растения размножают с помощью клубнелуковиц, клубней, корнеплодов, корневищ, усов, отводок, черенков, луковиц, делением кустов. Прививка - также является вариантом вегетативного размножения.

В случае вегетативного размножения дочерний организм представляет собой генетическую копию материнского организма, а также имеет шанс унаследовать мутации в соматических клетках.

У некоторых животных дочерние организмы могут появляться из группы клеток - прямо на теле родительской особи. В этом случае небольшой участок тела отделяется от родительского организма и развивается самостоятельно.

Почкованием размножаются многие кишечнополостные, например - пресноводный полип - гидра.

Некоторые живые существа в ходе эволюции развили поразительную способность к регенерации (лат. re - вновь и genus - поколение) - замещению утраченной части организма.

У молочной планарии способность к регенерации развита настолько, что, если разделить ее на несколько частей, то из каждой части восстановится полноценный организм.

Является искусственным методом размножения, которым занимается отдельное направление биологии - биотехнология. Клоном называют дочернюю особь, идентичную в генетическом отношении родительской особи.

На настоящий момент бурно развивается направление выращивания искусственных органов, которые могут заменить "естественные" органы, утратившие вследствие болезней свои физиологические и анатомические свойства.

Половое размножение

Осуществляется с помощью особых половых клеток (гамет). Имеет огромное эволюционное значение, так как в результате него образуются особи с новыми комбинациями генов, новыми признаками. Такие особи являются материалом для естественного отбора.

В результате бесполого размножения появляются генетические копии материнских организмов, которые содержат точно такой же набор генов в ДНК. В этом случае при изменении условий среды, если погибает одна особь, рискуют погибнуть все "генетические копии", так как они не обладают разнообразием, имеют одинаковый генотип, а значит одинаково не приспособлены.

Половое размножение в схожих условиях выигрывает значительно, так как создает генетическое разнообразие.

В ходе гаметогенеза у мужских и женских особей образуются половые клетки (гаметы): сперматозоиды (n) и яйцеклетки (n). При оплодотворении происходит их слияние, образуется зигота (2n). Далее следует эмбриональный период развития, который переходит в постэмбриональный.

У ряда организмов существуют свои особые варианты полового процесса. Таким является процесс конъюгации у инфузорий. Конъюгация (лат. conjugatio - соединение) сопровождается обменом ядер между клетками партнеров при их непосредственном контакте.

Важно заметить, что это пример полового процесса без размножения, так как увеличения числа особей не происходит. Однако две разошедшиеся клетки после конъюгации содержат новые комбинации генов, что в дальнейшем приведет к развитию новых признаков и появлению новых свойств у их потомства.

Партеногенез (греч. παρθένος — дева, девица, девушка + γένεσις — возникновение) - одна из форм полового размножения, так называемое "девственное размножение".

При партеногенезе дочерний организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки. Несмотря на то, что в этом процессе не участвует мужская половая клетка, партеногенез относят к половому размножению, так как дочерний организм развивается из половой клетки - яйцеклетки.

Партеногенез выполняет важную функцию регуляции соотношения полов у пчел: из неоплодотворенной яйцеклетки развиваются самцы, из оплодотворенной - самки. Партеногенез встречается также у муравьев, термитов, тлей.

Говоря о половом размножении нельзя не упомянуть интересное явление в природе - гермафродитизм. Это явление заключается в наличии у особи как мужских, так и женских половых органов (назван по имени мифического обоеполого существа - Гермафродита). Аналогичное явление у растений называется однодомностью: и мужские, и женские цветки в таком случае расположены на одном растении.

Очевидно, что особи гермафродиты вырабатывают два типа половых клеток: и сперматозоиды (мужские гаметы), и яйцеклетки (женские гаметы). Гермафродитизм чаще встречается у низших, более примитивных животных. Гермафродитами являются многие черви, моллюски, кишечнополостные.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

В бактериальной клетке содержится одна кольцевая молекула ДНК. Перед делением клетки ДНК удваивается. Образовавшиеся одинаковые молекулы ДНК прикрепляются к цитоплазматической мембране (ЦПМ). Во время деления ЦПМ врастает между двумя молекулами ДНК и делит клетку пополам. В каждой дочерней клетке оказывается по одной идентичной молекуле ДНК.

в высокоспециализированных клетках с низкой активностью (клетках хрящей, роговицы глаза, печени, эндосперма семян, стенок завязи пестика),
у дегенерировавших, обречённых на гибель клеток растений и животных.

При амитозе часто наблюдается только деление ядра, а разделение цитоплазмы не происходит. В результате могут образоваться многоядерные клетки. Если же цитоплазма разделяется, то распределение клеточных компонентов, как и ДНК, происходит произвольно.

Митоз — непрямое деление соматических клеток эукариот, в результате которого хромосомный набор передаётся без изменений. Митоз лежит в основе роста организмов, регенерации повреждённых частей, вегетативного размножения.

Мейоз — деление клеток эукариот, ведущее к образованию гаплоидных клеток, т. е. уменьшению хромосомного набора в два раза. Мейоз приводит к образованию гамет у животных и спор у растений. При этом из одной исходной диплоидной клетки образуются четыре новые клетки с разными гаплоидными хромосомными наборами.

Читайте также: