I den biologiske reproduksjonsprosessen finnes det to typer reproduksjon: seksuell eller generativ reproduksjon og aseksuell eller vegetativ reproduksjon . Begge tillater kontinuitet av arter, men de gjør det gjennom svært forskjellige cellulære og genetiske mekanismer, noe som har direkte konsekvenser for biologisk mangfold, reproduksjonshastigheten og organismers evne til å tilpasse seg miljøet.
Et levende vesen eller en organisme kjennetegnes av sin evne til å utføre grunnleggende livsfunksjoner, inkludert reproduksjon , som gjør at den kan produsere lignende kopier av seg selv, enten aseksuelt fra en enkelt forelder eller seksuelt fra minst to foreldre. Å forstå disse forskjellene er nøkkelen til å forstå hvordan populasjoner utvikler seg og hvorfor noen arter reproduserer seg på en eller annen måte avhengig av miljøet.
Hva er spirende?
Knoppskyting er en av de forskjellige typene aseksuell reproduksjon , der produksjonen av et nytt vesen skjer gjennom dannelsen av fremspring , kalt knopper, på foreldreorganismens kropp, som vokser og utvikler seg, og kan forbli festet til foreldreorganismen eller atskilt fra den.
Fra et biologisk perspektiv er knoppskyting en ujevn deling av foreldrekroppen . Det opprinnelige individet beholder mesteparten av sitt cytoplasma og sin struktur, mens knoppen begynner som en liten fremvekst som inneholder celler med samme genetiske materiale som foreldreorganismen. Over tid øker denne knoppen i størrelse, differensierer og kan til slutt utvikle seg til en komplett organisme.
Begrepet knoppskyting kommer fra det latinske ordet geminus , som betyr «tvilling». Det nye individet er i praksis en «genetisk tvilling» av forelderen, siden begge deler den samme arvelige informasjonen fordi det ikke er noen utveksling av DNA med en annen organisme. Til tross for denne genetiske likheten kan imidlertid miljøforhold føre til at de utvikler forskjeller i størrelse, form eller fysiologisk tilstand.
Knoppskyting observeres i encellede organismer som noen gjærsopper og protozoer, og også i flercellede organismer som visse planter og virvelløse dyr (svamper, hydraer, koraller og noen maneter). Det er derfor en utbredt mekanisme i naturen, spesielt hos arter som lever festet til et substrat eller i vannmiljøer der utveksling av gameter ville være mer kostbart.
Aseksuell reproduksjon
Denne typen reproduksjon kjennetegnes ved at den kun involverer ett foreldreindivid . Reproduksjon skjer i de fleste tilfeller gjennom mitose , der celledeling resulterer i to eller flere genetisk identiske celler.
Det er en type reproduksjon der befruktning ikke forekommer ; følgelig er det ingen utveksling av DNA mellom forskjellige individer. Det nye levende vesenet opprettholder vanligvis egenskapene til organismen det stammer fra. Av denne grunn snakker vi om klonale avkom eller kloner, det vil si genetiske kopier av foreldreorganismen.
Det finnes et bredt utvalg av planter som kan formere seg seksuelt eller aseksuelt, gjennom knopper, underjordiske røtter eller krypende stilker. I disse tilfellene kan en enkelt art veksle mellom begge typer reproduksjon: aseksuell reproduksjon for å formere seg raskt når forholdene er gunstige, og seksuell reproduksjon for å generere genetisk variasjon når miljøet er mer foranderlig.
Andre organismer, som sjøstjerner, kan regenerere seg etter å ha mistet en del av kroppen sin, og mange andre kan formere seg i stort antall ved å dele seg aseksuelt flere ganger. Hos mange marine virvelløse dyr kombineres regenerering, fragmentering og knoppskyting som reproduksjons- og overlevelsesstrategier.
Foruten knoppskyting inkluderer aseksuell reproduksjon andre viktige prosesser som binær fisjon (typisk for prokaryoter som bakterier og arkea), sporulering (finnes i sopp, noen planter og bakterier), fragmentering og partenogenese , blant andre. De deler alle en grunnleggende egenskap: et enkelt individ er tilstrekkelig til å produsere nye avkom, uten behov for en partner.
Seksuell reproduksjon
Seksuell reproduksjon kjennetegnes av deltakelsen av to celler som stammer fra meiose og som forenes gjennom befruktning. Disse kjønnscellene, eller gameter (vanligvis et egg og en sædcelle hos dyr, eller hannlige og hunnlige gameter hos planter), inneholder halvparten så mange kromosomer som et voksent individ.
To foreldre må delta og overføre DNA-et sitt til avkommet. Følgelig finnes det genetiske forskjeller mellom foreldre og avkom, så vel som mellom avkommet selv. Denne variasjonen skyldes kombinasjonen av gener som oppstår under meiose (gjennom genetisk rekombinasjon) og den tilfeldige foreningen av gameter under befruktning.
Seksuell reproduksjon, til tross for at den krever mer energi og tid (å finne en partner, produksjon av kjønnsceller, kurtisering, befruktning, embryonal utvikling), har en stor fordel: den genererer genetisk mangfold . Dette mangfoldet øker sannsynligheten for at det i en populasjon vil finnes individer med egenskaper som lar dem overleve og reprodusere seg under skiftende miljøforhold eller i møte med nye sykdommer.
Hos noen organismer, som for eksempel gjær, er det evnen til å veksle mellom aseksuell reproduksjon (ved knoppskyting) og seksuell reproduksjon, avhengig av miljøforholdene. I næringsrike miljøer har de en tendens til å bruke aseksuell reproduksjon på grunn av hastigheten, mens de i stress- eller knapphetssituasjoner kan aktivere seksuelle mekanismer for å øke genetisk variasjon.
Hvordan skjer knoppskyting?
Aseksuell reproduksjon er reproduksjon som skjer uten interaksjon mellom to medlemmer av samme art. Celler deler seg ved hjelp av mitose, der hvert kromosom kopieres før cellekjernen deler seg, og hver ny celle mottar den samme genetiske informasjonen. I tilfelle av encellede organismer dannes en bule kalt en knopp på en del av plasmamembranen . Kjernen til morcellen deler seg, og en av datterkjernene migrerer inn i knoppen. Under gunstige forhold kan knoppen produsere en ny knopp før den endelig skiller seg fra morcellen.
På encellet nivå er det en prosess med asymmetrisk mitose som forekommer i noen encellede organismer, som for eksempel gjær. En encellet organisme består av en enkelt celle. Eksempler på encellede organismer inkluderer bakterier, mikroskopiske alger, noen sopptyper og protozoer. Overraskende nok representerer encellede organismer det store flertallet av levende ting som for tiden bebor jorden, både når det gjelder antall individer og utvalget av habitater de koloniserer.
Gjær, eller ferment, refererer til en hvilken som helst av de forskjellige eukaryote organismene som klassifiseres som sopp, enten mikroskopiske ascomyceter eller basidiomyceter , med en overveiende encellet form i livssyklusen. De er generelt karakterisert ved aseksuell reproduksjon gjennom knoppskyting eller binær fisjon og ved å ha seksuelle stadier som ikke er festet til en sporokarp (fruktlegeme). Hos disse mikroorganismene avhenger beslutningen om å bruke aseksuell eller seksuell reproduksjon av kjemiske og miljømessige signaler, for eksempel tilstedeværelsen av næringsstoffer eller feromoner produsert av andre celler.
Mitose er i seg selv celledeling, og den produserer to genetisk identiske datterceller . Det kan forekomme i cellene til både haploide og diploide eukaryote organismer. Denne prosessen sikrer at genetisk materiale fordeles likt mellom de resulterende cellene, slik at det opprettholdes samme antall kromosomer som morcellen.
Det er derfor en prosess med celleproduksjon som hovedsakelig består av den langsgående deling av kromosomene og deling av kjernen og cytoplasmaet. Som et resultat dannes to datterceller med samme antall kromosomer og samme genetiske informasjon som morcellen. I knoppskytingen, etter denne mitosen, er kjernen som vil migrere til knoppen strategisk plassert i fremspringet som dannes.
Knoppskyting er en prosess der kjernen deler seg og cytoplasmaet deler seg, men den resulterende kjernen migrerer mot cellemembranen og danner en knopplignende struktur omgitt av cytoplasma, og dermed skaper to celler i forskjellige størrelser. Foreldrecellen beholder et større volum, mens dattercellen starter mindre, men er fullt i stand til å vokse og dele seg uavhengig når forholdene ligger til rette for det.
Knoppskyting er en vanlig prosess hos svamper, nesledyr og bryozoer . Enkelte dyrearter kan ha indre knoppskyting: knopper som overlever ugunstige forhold takket være et beskyttende dekke. Når det gjelder ferskvannssvamper, har knoppene en beskyttende kapsel som inneholder reservestoffer . Når våren kommer, går den beskyttende kapselen tapt, og den nye svampen kommer ut av knoppen. Hos ferskvannsbryozoer produseres et lag med kitin og kalsium, og de trenger ikke reservestoffer fordi de er i dvale.
Hos dyr som hydraer, manetpolypper og koraller dannes knopper på overflaten av foreldrenes kropp, vokser og løsner i mange tilfeller, noe som gir opphav til uavhengige individer. Hos andre arter forblir flere individer produsert ved knoppskyting festet og danner komplekse kolonier der alle deler det samme genetiske materialet, men kan utføre spesialiserte funksjoner innenfor gruppen.
Typer knoppskyting og andre typer aseksuell reproduksjon
Det finnes flere typer aseksuell reproduksjon. Disse inkluderer knoppskyting , der avkommet vokser på foreldrekroppen (slik bananplanter gjør, for eksempel). En annen type er gemmuler, der foreldreorganismen frigjør en masse spesialiserte celler som utvikler seg til et nytt individ.
I den bredere konteksten av aseksuell reproduksjon finner vi også:
- Binær fisjon: Typisk for prokaryote organismer som bakterier og arkea. Den består av duplisering av genetisk materiale og symmetrisk deling av morcellen i to datterceller av samme størrelse.
- Sporulasjon: Finnes i nesten alle sopper, noen planter (som bregner) og visse bakterier. De danner resistente sporer omgitt av en tykk vegg som lar dem overleve i fiendtlige miljøer og spire når forholdene bedres.
- Fragmentering og regenerering: Organismen deler seg i flere fragmenter, som hver kan regenerere seg til et komplett individ. Dette skjer for eksempel hos flatormer og sjøstjerner.
- Parthenogenese: En mekanisme der et nytt individ utvikler seg fra ubefruktede hunnlige kjønnsceller. Det forekommer hos noen virvelløse dyr (insekter, rotatorer, flatormer) og hos visse virveldyrarter som fisk, amfibier og noen reptiler.
Selv om alle disse mekanismene produserer avkom som er genetisk likt foreldrene, skiller knoppskyting seg ut ved sin strukturelle enkelhet og ved at den i mange tilfeller tillater dannelsen av kolonier , slik det observeres hos noen nesledyr og svamper. Videre kan knoppskyting forekomme eksternt eller internt (for eksempel gemmules i svamper), noe som gir forskjellige fordeler avhengig av artens habitat og livssyklus.
Asexual reproduksjon i planter
Dette skjer i planter når en del av dem deler seg (stilk, gren, knopp, knoll, rhizom osv.) og utvikler seg separat til en ny plante. Den er ekstremt utbredt og har mange forskjellige former. Disse inkluderer:
- Grafter: Et stilkfragment fra én plante (pode) settes inn i stilken eller stammen til samme art eller en annen, men kompatibel art. Det brukes ofte i frukttrær eller prydplanter til mange forskjellige varianter av interesse og forbedre produksjonen.
- Innsatser: Formering med stiklinger innebærer å kutte et stengelfragment med knopper og begrave det. Deretter venter du til røttene spirer. Dette produserer en ny plante, en metode som er mye brukt for busker og prydplanter.
- Skjæring eller segmenter: Stilkene tilberedes i beholdere med vann eller fuktig jord, hvor de danner nye røtter, hvoretter de kan plantes. Dette er en veldig vanlig formeringsmetode for potteplanter og arter som roter lett.
- Vevskultur: Dyrkingen utføres i et mikroorganismefritt medium ved bruk av næringsløsninger og plantehormoner, som induserer vekst av røtter, stilker og blader fra et plantefragment. Denne teknikken tillater multiplisere tusenvis av identiske planter fra et enkelt eksemplar.
- Lag: Det går ut på å begrave en del av planten og vente på at den skal slå rot. Deretter kuttes den og omplantes; den brukes for eksempel i vinranker og noen klatreplanter.
- Sporulasjon: type reproduksjon ved hjelp av sporer, vanlig i bregner, moser og andre planter som ikke produserer frø.
Hos mange planter skjer knoppskyting gjennom aksillære eller terminale knopper som kan gi opphav til nye skudd og i noen tilfeller hele planter hvis de separeres og rotfestes. Et vanlig eksempel er visse sukkulenter og kaktus, hvis sideskudd kan utvikle seg til nye planter hvis de plasseres på et passende substrat.
Andre eksempler på planter som formerer seg aseksuelt (enten ved forstørret knoppskyting, spiring eller modifiserte strukturer) inkluderer tulipaner, liljer, poteter og jordbær . Hos poteter lagrer knollene reserver og spirer til nye planter; hos jordbær genererer krypende stoloner nye planter ved å rote seg på forskjellige punkter i jorden.
Fordeler og ulemper ved aseksuell reproduksjon
Aseksuell reproduksjon er mer effektiv for organismer som holder seg på ett sted og ikke flytter for å finne partnere, eller som lever i relativt stabile miljøer . Det er metoden som brukes av mange enkle organismer, som bakterier, en rekke sopp, protozoer og planter, som raskt koloniserer et bestemt miljø.
Aseksuell reproduksjon fører imidlertid ikke til betydelig genetisk variasjon mellom organismer, noe som betyr at hele grupper kan bli utryddet av sykdom eller plutselige miljøendringer. Fordi de deler samme genotype, er det svært sannsynlig at en trussel påvirker ett individ på samme måte hvis den påvirker de fleste av klonene.
Advantage
Blant de biologiske fordelene det medfører er den raske delingen og dens enkelhet, siden organismene ikke trenger å produsere kjønnsceller eller bruke energi på operasjonene før befruktning (partnersøk, frieri, møte av gameter osv.).
På denne måten kan et enkelt individ gi opphav til et stort antall avkom gjennom metoder som aseksuell sporedannelse, tverrgående fisjon eller knoppskyting, noe som legger til rette for rask kolonisering av nye territorier . I miljøer som forblir stabile over lange perioder, kan denne strategien være ekstremt effektiv for å okkupere tilgjengelig plass og utnytte ressurser.
I det spesifikke tilfellet med knoppskyting er en annen fordel at avkommet hos mange dyr og planter kan forbli knyttet til forelderen og danne kolonier som gagner hverandre: de deler næringsstoffer, beskyttelse og noen ganger spesialiserte funksjoner (for eksempel hos koraller og noen koloniale nesledyr).
Ulemper
Det har imidlertid den store ulempen at det produserer avkom uten genetisk variasjon – kloner – siden alle er genotypisk identiske med foreldrene sine og med hverandre. Naturlig seleksjon kan ikke "velge" de best tilpassede individene (siden alle er like tilpasset i et gitt miljø), og disse klonede individene er kanskje ikke i stand til å overleve i et skiftende, fiendtlig miljø fordi de mangler den genetiske informasjonen som er nødvendig for å tilpasse seg denne endringen.
Derfor kan den arten forsvinne med mindre det finnes et individ som bærer en gunstig genetisk kombinasjon på grunn av spontane mutasjoner. Selv om mutasjon genererer en viss variasjon selv i aseksuelle populasjoner, er denne variasjonen mindre og akkumuleres saktere enn i seksuelt reproduserende populasjoner.
Et annet viktig aspekt er at aseksuell reproduksjon ikke tillater omorganisering av gener som skjer under meiose og befruktning, en mekanisme som i seksuell reproduksjon kan eliminere ugunstige kombinasjoner og favorisere nye fordelaktige kombinasjoner.
Eksempler på knoppskyting
Hos visse flercellede dyr, som nesledyr, svamper og sekkedyr, skjer celledeling gjennom knoppskyting. Knopper oppstår på kroppen til mororganismen og løsner deretter for å utvikle seg til nye organismer som er identiske med mororganismen. Denne prosessen, kjent som knoppskyting, er analog med den vegetative reproduksjonsprosessen hos planter.
Noen bemerkelsesverdige eksempler på organismer som reproduserer seg ved knoppskyting er:
- Vannsvampene. De danner ytre eller indre knopper (gemmules) som lar dem overleve ugunstige forhold og spre seg til nye steder i vannmiljøet.
- Visse typer gjærsopp. I dem dannes små knopper på overflaten av morcellen, vokser og separerer seg til slutt som uavhengige celler.
- Noen typer maneter. I løpet av livssyklusen kan polypper produsere maneter ved knoppskyting, og dermed generere den mobile reproduksjonsfasen.
- Hydras. Disse ferskvannsnesledyrene produserer små fremspring som vokser og blir uavhengige som nye individer.
- Korallene. Gjennom knoppskyting kan en polypp gi opphav til mange andre, som forblir sammen og danner kolonier som over tid kan gi opphav til korallrev.
Eksempler på knoppskyting observeres også i encellede organismer, som noen bakterier og visse protister (for eksempel noen dinoflagellater), noe som viser at denne mekanismen har oppstått uavhengig i flere evolusjonære grupper på grunn av dens effektivitet i å duplisere individer når miljøet er gunstig.
Knoppskyting, i forbindelse med andre aseksuelle mekanismer, representerer en svært effektiv strategi for rask og massiv ekspansjon av en art, men på bekostning av redusert genetisk variasjon. I motsetning til dette gir seksuell reproduksjon, selv om den er mer energikrevende, det genetiske mangfoldet som er nødvendig for at populasjoner skal kunne tilpasse seg langsiktige miljøendringer. En grundig forståelse av begge typer reproduksjon gir en bedre forståelse av dynamikken i naturlige populasjoner, økosystemers funksjon, og, når det gjelder mikroorganismer som gjær, til og med prosesser av biomedisinsk og bioteknologisk interesse.