V biologickom reprodukčnom procese existujú dva typy rozmnožovania: pohlavné alebo generatívne rozmnožovanie a nepohlavné alebo vegetatívne rozmnožovanie . Obe umožňujú kontinuitu druhov, ale robia tak prostredníctvom veľmi odlišných bunkových a genetických mechanizmov, čo má priame dôsledky pre biologickú diverzitu, rýchlosť rozmnožovania a schopnosť organizmov prispôsobiť sa prostrediu.
Živá bytosť alebo organizmus sa vyznačuje svojou schopnosťou vykonávať základné funkcie života vrátane rozmnožovania , čo mu umožňuje produkovať podobné kópie seba samého, buď nepohlavne z jedného rodiča , alebo pohlavne z najmenej dvoch rodičov. Pochopenie týchto rozdielov je kľúčom k pochopeniu toho, ako sa populácie vyvíjajú a prečo sa niektoré druhy rozmnožujú tak či onak v závislosti od prostredia.
Čo je to nádej?
Púčanie je jeden z rôznych typov nepohlavného rozmnožovania , pri ktorom k vzniku nového jedinca dochádza tvorbou výrastkov nazývaných púčiky na tele materského organizmu, ktoré rastú a vyvíjajú sa a môžu zostať pripojené k materskému organizmu alebo od neho oddelené.
Z biologického hľadiska je pučanie nerovnomerným rozdelením tela rodičovského organizmu . Pôvodný jedinec si zachováva väčšinu svojej cytoplazmy a štruktúry, zatiaľ čo púčik začína ako malý výrastok obsahujúci bunky s rovnakým genetickým materiálom ako rodičovský organizmus. Postupom času sa tento púčik zväčšuje, diferencuje a nakoniec sa môže vyvinúť do kompletného organizmu.
Termín pučanie pochádza z latinského slova geminus , ktoré znamená „dvojča“. Nový jedinec je v skutočnosti „genetickým dvojníkom“ rodiča, pretože obaja zdieľajú rovnakú dedičnú informáciu, pretože nedochádza k výmene DNA s iným organizmom. Napriek tejto genetickej podobnosti však môžu podmienky prostredia spôsobiť, že sa u nich vyvinú rozdiely vo veľkosti, tvare alebo fyziologickom stave.
Púčanie sa pozoruje u jednobunkových organizmov, ako sú niektoré kvasinky a prvoky, a tiež u mnohobunkových organizmov, ako sú niektoré rastliny a bezstavovce (huby, hydry, koraly a niektoré medúzy). Preto je to v prírode rozšírený mechanizmus, najmä u druhov, ktoré žijú pripojené k substrátu alebo vo vodnom prostredí, kde by výmena gamét bola nákladnejšia.
Asexuálne rozmnožovanie
Tento typ rozmnožovania sa vyznačuje zapojením iba jedného rodičovského jedinca . Rozmnožovanie prebieha vo väčšine prípadov mitózou , kde bunkové delenie vedie k vzniku dvoch alebo viacerých geneticky identických buniek.
Ide o typ rozmnožovania, pri ktorom nedochádza k oplodneniu ; v dôsledku toho nedochádza k výmene DNA medzi rôznymi jedincami. Nový živý tvor si vo všeobecnosti zachováva vlastnosti organizmu, z ktorého pochádza. Z tohto dôvodu hovoríme o klonálnych potomkoch alebo klonoch, teda o genetických kópiách rodičovského organizmu.
Existuje široká škála rastlín, ktoré sa môžu rozmnožovať pohlavne alebo nepohlavne, prostredníctvom púčikov, podzemných koreňov alebo plazivých stoniek. V týchto prípadoch sa jeden druh môže striedať medzi oboma typmi rozmnožovania: nepohlavným rozmnožovaním, ktoré umožňuje rýchle rozmnožovanie, keď sú podmienky priaznivé, a pohlavným rozmnožovaním , ktoré vytvára genetickú variabilitu, keď je prostredie premenlivejšie.
Iné organizmy, ako napríklad hviezdice, sa dokážu regenerovať po strate časti tela a mnohé ďalšie sa dokážu rozmnožovať vo veľkom počte delením sa nepohlavne viackrát. U mnohých morských bezstavovcov sa regenerácia, fragmentácia a pučanie spájajú ako reprodukčné a prežívajúce stratégie.
Okrem pučania zahŕňa nepohlavné rozmnožovanie ďalšie dôležité procesy, ako je binárne delenie (typické pre prokaryoty, ako sú baktérie a archeje), sporulácia (prítomná u húb, niektorých rastlín a baktérií), fragmentácia a partenogenéza . Všetky majú spoločnú základnú charakteristiku: jeden jedinec stačí na vyprodukovanie nového potomstva bez potreby partnera.
Sexuálna reprodukcia
Pohlavné rozmnožovanie je charakterizované účasťou dvoch buniek pochádzajúcich z meiózy , ktoré sa spoja oplodnením. Tieto pohlavné bunky alebo gaméty (zvyčajne vajíčko a spermia u zvierat alebo samčie a samičie gaméty u rastlín) obsahujú polovičný počet chromozómov dospelého jedinca.
Na prenose DNA na potomstvo sa musia zúčastniť dvaja rodičia . V dôsledku toho existujú genetické rozdiely medzi rodičmi a potomkami, ako aj medzi samotnými potomkami. Táto variácia je spôsobená kombináciou génov, ku ktorej dochádza počas meiózy (prostredníctvom genetickej rekombinácie), a náhodným spojením gamét počas oplodnenia.
Pohlavné rozmnožovanie, napriek tomu, že si vyžaduje viac energie a času (hľadanie partnera, produkcia gamét, dvorenie, oplodnenie, embryonálny vývoj), má veľkú výhodu: vytvára genetickú rozmanitosť . Táto rozmanitosť zvyšuje pravdepodobnosť, že v populácii budú jedince s vlastnosťami, ktoré im umožnia prežiť a rozmnožovať sa v meniacich sa podmienkach prostredia alebo tvárou v tvár novým chorobám.
Niektoré organizmy, ako napríklad kvasinky, majú schopnosť striedať nepohlavné rozmnožovanie (púčaním) a pohlavné rozmnožovanie v závislosti od podmienok prostredia. V prostredí bohatom na živiny majú tendenciu používať nepohlavné rozmnožovanie kvôli jeho rýchlosti, zatiaľ čo v stresových situáciách alebo v situáciách nedostatku môžu aktivovať pohlavné mechanizmy na zvýšenie genetickej variability.
Ako dochádza k pučaniu?
Nepohlavné rozmnožovanie je rozmnožovanie, ku ktorému dochádza bez interakcie medzi dvoma členmi toho istého druhu. Bunky sa delia pomocou mitózy, kde sa každý chromozóm skopíruje pred delením jadra, pričom každá nová bunka dostane rovnakú genetickú informáciu. V prípade jednobunkových organizmov sa na časti plazmatickej membrány vytvorí vydutina nazývaná púčik . Jadro materskej bunky sa delí a jedno z dcérskych jadier migruje do púčika. Za priaznivých podmienok môže púčik vytvoriť ďalší púčik predtým, ako sa definitívne oddelí od materskej bunky.
Na jednobunkovej úrovni ide o proces asymetrickej mitózy , ktorý sa vyskytuje u niektorých jednobunkových organizmov, ako sú kvasinky. Jednobunkový organizmus sa skladá z jednej bunky. Medzi príklady jednobunkových organizmov patria baktérie, mikroskopické riasy, niektoré huby a prvoky. Prekvapivo, jednobunkové organizmy predstavujú prevažnú väčšinu živých vecí, ktoré v súčasnosti obývajú Zem, a to ako z hľadiska počtu jedincov, tak aj rozsahu biotopov, ktoré kolonizujú.
Kvasinky alebo ferment označujú ktorýkoľvek z rôznych eukaryotických organizmov klasifikovaných ako huby, či už mikroskopické askomycéty alebo bazidiomycéty , s prevažne jednobunkovou formou v ich životnom cykle. Vo všeobecnosti sa vyznačujú nepohlavným rozmnožovaním pučaním alebo binárnym delením a pohlavnými štádiami, ktoré nie sú pripojené k sporokarpu (plodnici). U týchto mikroorganizmov závisí rozhodnutie o použití nepohlavného alebo pohlavného rozmnožovania od chemických a environmentálnych signálov, ako je prítomnosť živín alebo feromónov produkovaných inými bunkami.
Mitóza je samotné bunkové delenie, pri ktorom vznikajú dve geneticky identické dcérske bunky . Môže sa vyskytnúť v bunkách haploidných aj diploidných eukaryotických organizmov. Tento proces zabezpečuje, že genetický materiál je rovnomerne rozdelený medzi výsledné bunky, pričom sa zachováva rovnaký počet chromozómov ako v materskej bunke.
Ide teda o proces bunkovej reprodukcie, ktorý pozostáva predovšetkým z pozdĺžneho delenia chromozómov a delenia jadra a cytoplazmy; výsledkom sú dve dcérske bunky s rovnakým počtom chromozómov a rovnakou genetickou informáciou ako materská bunka. Pri pučaní, po tejto mitóze, je jadro, ktoré bude migrovať do púčika, strategicky umiestnené vo výbežku, ktorý sa tvorí.
Púčanie je proces, pri ktorom sa jadro delí a cytoplazma sa delí, ale výsledné jadro migruje smerom k bunkovej membráne a vytvára púčikovitý útvar obklopený cytoplazmou, čím vznikajú dve bunky rôznych veľkostí. Materinska bunka si zachováva väčší objem, zatiaľ čo dcérska bunka je spočiatku menšia, hoci je za vhodných podmienok plne schopná rásť a deliť sa nezávisle.
Púčanie je bežný proces u hubiek, žahavcov a machoviek . Niektoré druhy zvierat môžu mať vnútorné púčanie: púčiky, ktoré prežijú nepriaznivé podmienky vďaka ochrannému obalu. V prípade sladkovodných hubiek majú púčiky ochrannú kapsulu obsahujúcu rezervné látky . Keď príde jar, ochranná kapsula sa stratí a z púčika sa vynorí nová špongia. U sladkovodných machoviek sa vytvára vrstva chitínu a vápnika a nepotrebujú rezervné látky, pretože sú v stave hibernácie.
U živočíchov, ako sú hydry, medúzy, polypy a koraly, sa púčiky tvoria na povrchu tela rodičovskej jedince, rastú a v mnohých prípadoch sa oddelia, čím vznikajú nezávislé jedince. U iných druhov zostáva niekoľko jedincov, ktoré vzniknú pučaním, pripojených a vytvárajú komplexné kolónie, v ktorých všetky zdieľajú rovnaký genetický materiál, ale v rámci skupiny môžu vykonávať špecializované funkcie.
Typy pučania a iné typy nepohlavného rozmnožovania
Existuje niekoľko typov nepohlavného rozmnožovania. Patrí medzi ne pučanie , pri ktorom potomstvo rastie na tele rodičovskej bunky (napríklad ako banánovníky). Ďalším typom sú gemmuly, pri ktorých rodičovský organizmus uvoľňuje množstvo špecializovaných buniek, z ktorých sa vyvinie nový jedinec.
V širšom kontexte nepohlavného rozmnožovania nachádzame aj:
- Binárne štiepenie: Typické pre prokaryotické organizmy, ako sú baktérie a archea. Spočíva v duplikácii genetického materiálu a symetrickom rozdelení materskej bunky na dve dcérske bunky rovnakej veľkosti.
- Sporulácia: Sú prítomné takmer vo všetkých hubách, niektorých rastlinách (napríklad v papradiach) a niektorých baktériách. Tvoria rezistentné spóry obklopené hrubou stenou, ktorá im umožňuje prežiť v nehostinnom prostredí a vyklíčiť, keď sa podmienky zlepšia.
- Fragmentácia a regenerácia: Organizmus sa rozdelí na niekoľko fragmentov, z ktorých každý sa môže regenerovať do kompletného jedinca. Toto sa deje napríklad u plochých červov a hviezdic.
- Partenogenéza: Mechanizmus, ktorým sa nový jedinec vyvinie z neoplodnených samičích pohlavných buniek. Vyskytuje sa u niektorých bezstavovcov (hmyz, vírniky, ploché červy) a u niektorých druhov stavovcov, ako sú ryby, obojživelníky a niektoré plazy.
Hoci všetky tieto mechanizmy produkujú potomstvo geneticky podobné rodičovi, pučanie vyniká svojou štrukturálnou jednoduchosťou a tým, že v mnohých prípadoch umožňuje tvorbu kolónií , ako sa pozorovalo u niektorých žihadiel a húb. Okrem toho sa pučanie môže diať zvonka alebo zvnútra (napríklad gemmuly u húb), čo ponúka rôzne výhody v závislosti od biotopu a životného cyklu druhu.
Nepohlavné rozmnožovanie rastlín
K tomu dochádza u rastlín, keď sa ich časť rozdelí (stonka, konár, púčik, hľuza, odnož atď.) a samostatne sa vyvinie do novej rastliny. Je to mimoriadne rozšírené a má mnoho rôznych foriem. Patria sem:
- Štepy: Fragment stonky z jednej rastliny (vrúbľ) sa vloží do stonky alebo kmeňa toho istého druhu alebo iného, ale kompatibilného druhu. Bežne sa používa u ovocných stromov alebo okrasných druhov na... rozmnožiť zaujímavé druhy a zlepšiť produkciu.
- Podiely: Rozmnožovanie odrezkami zahŕňa odrezanie časti stonky s púčikmi a jej zakopanie. Potom sa čaká, kým nevyrastú korene. Takto vznikne nová rastlina, čo je metóda široko používaná pre kríky a okrasné rastliny.
- Rezanie alebo segmenty: Stonky sa pripravujú v nádobách s vodou alebo vlhkou pôdou, kde sa vytvoria nové korene, po ktorých sa môžu vysadiť. Ide o veľmi bežný spôsob rozmnožovania izbových rastlín a druhov, ktoré ľahko zakoreňujú.
- Tkanivová kultúra: Kultivácia sa vykonáva v médiu bez mikroorganizmov s použitím živných roztokov a rastlinných hormónov, ktoré indukujú rast koreňov, stoniek a listov z rastlinného fragmentu. Táto technika umožňuje rozmnožiť tisíce rovnakých rastlín z jednej kópie.
- Vrstva: Spočíva v zakopaní časti rastliny a čakaní na jej zakorenenie. Potom sa odreže a presadí; používa sa napríklad pri pestovaní viniča a niektorých popínavých rastlín.
- Sporulácia: typ rozmnožovania pomocou spór, bežný u papradí, machov a iných rastlín, ktoré neprodukujú semená.
U mnohých rastlín dochádza k pučaniu prostredníctvom pazušných alebo koncových púčikov , ktoré môžu viesť k vzniku nových výhonkov a v niektorých prípadoch aj celých rastlín, ak sú oddelené a zakorenené. Bežným príkladom sú niektoré sukulenty a kaktusy, ktorých bočné výhonky sa môžu vyvinúť do nových rastlín, ak sú umiestnené na vhodnom substráte.
Medzi ďalšie príklady rastlín, ktoré sa rozmnožujú nepohlavne (buď zväčšeným pučaním, klíčením alebo modifikovanými štruktúrami), patria tulipány, ľalie, zemiaky a jahody . V zemiakoch si hľuzy ukladajú zásoby a klíčia do nových rastlín; v jahodách plazivé stolóny vytvárajú nové rastliny zakorenením na rôznych miestach pôdy.
Výhody a nevýhody nepohlavného rozmnožovania
Nepohlavné rozmnožovanie je účinnejšie pre organizmy, ktoré zostávajú na jednom mieste a nepresúvajú sa, aby si našli partnerov, alebo ktoré žijú v relatívne stabilnom prostredí . Je to metóda, ktorú používajú mnohé jednoduché organizmy, ako sú baktérie, početné huby, prvoky a rastliny, ktoré rýchlo kolonizujú špecifické prostredie.
Nepohlavné rozmnožovanie však nevedie k významným genetickým variáciám medzi organizmami, čo znamená, že celé skupiny môžu byť zničené chorobou alebo náhlymi zmenami prostredia. Keďže majú rovnaký genotyp, ak hrozba postihne jedného jedinca, je veľmi pravdepodobné, že rovnakým spôsobom postihne väčšinu jeho klonov.
Výhoda
Medzi biologické výhody, ktoré prináša, patrí rýchle delenie a jednoduchosť, pretože organizmy nemusia produkovať pohlavné bunky ani vynakladať energiu na operácie pred oplodnením (hľadanie partnera, dvorenie, stretnutie gamét atď.).
Týmto spôsobom môže jeden jedinec dať vzniknúť veľkému počtu potomkov prostredníctvom prostriedkov, ako je nepohlavná tvorba spór, priečne štiepenie alebo pučanie, čo uľahčuje rýchlu kolonizáciu nových území . V prostrediach, ktoré zostávajú dlhodobo stabilné, môže byť táto stratégia mimoriadne účinná na obsadenie dostupného priestoru a využívanie zdrojov.
V konkrétnom prípade pučania je ďalšou výhodou to, že u mnohých živočíchov a rastlín môžu potomkovia zostať pripojení k rodičovi a vytvárať kolónie, ktoré si navzájom prospievajú: zdieľajú živiny, ochranu a niekedy aj špecializované funkcie (napríklad u koralov a niektorých koloniálnych žahavcov).
Nevýhody
Má však hlavnú nevýhodu v podobe produkcie potomstva bez genetickej variability – klonov – pretože všetci sú genotypovo identickí so svojím rodičom a navzájom. Prirodzený výber si nemôže „vybrať“ najlepšie prispôsobené jedince (pretože všetci sú rovnako prispôsobení v danom prostredí) a títo klonovaní jedinci nemusia byť schopní prežiť v meniacom sa, nehostinnom prostredí, pretože im chýba genetická informácia potrebná na prispôsobenie sa tejto zmene.
Preto by tento druh mohol vymiznúť, pokiaľ by sa nenašiel jedinec s priaznivou genetickou kombináciou v dôsledku spontánnych mutácií. Hoci mutácie vytvárajú určitú variabilitu aj v nepohlavných populáciách, táto variácia je menšia a hromadí sa pomalšie ako v pohlavne sa rozmnožujúcich populáciách.
Ďalším dôležitým aspektom je, že nepohlavné rozmnožovanie neumožňuje preskupenie génov , ku ktorému dochádza počas meiózy a oplodnenia, čo je mechanizmus, ktorý pri pohlavnom rozmnožovaní môže eliminovať nepriaznivé kombinácie a uprednostňovať nové výhodné kombinácie.
Príklady pučania
U niektorých mnohobunkových živočíchov, ako sú žahavce, špongie a plášťovce, dochádza k deleniu buniek pučaním. Púčiky vznikajú na tele materského organizmu a potom sa oddeľujú, aby sa vyvinuli do nových organizmov identických s materským organizmom. Tento proces, známy ako pučanie, je analogický s procesom vegetatívneho rozmnožovania u rastlín.
Niektoré pozoruhodné príklady organizmov, ktoré sa rozmnožujú pučaním, sú:
- Voda huby. Vytvárajú vonkajšie alebo vnútorné púčiky (gemuly), ktoré im umožňujú prežiť nepriaznivé podmienky a rozšíriť sa na nové miesta vo vodnom prostredí.
- Niektoré druhy kvasinkových húb. V nich sa na povrchu materskej bunky tvoria malé púčiky, rastú a nakoniec sa oddeľujú ako nezávislé bunky.
- Niektoré druhy medúz. Počas svojho životného cyklu môžu polypy pučaním produkovať medúzy, čím vytvárajú mobilnú reprodukčnú fázu.
- Hydras. Tieto sladkovodné žahavce vytvárajú malé výbežky, ktoré rastú a stávajú sa nezávislými ako nové jedince.
- Koraly. Púčaním môže jeden polyp dať vzniknúť mnohým ďalším, ktoré zostávajú pohromade a vytvárajú kolónie, z ktorých časom môžu vzniknúť koralové útesy.
Príklady pučania sa pozorujú aj u jednobunkových organizmov, ako sú niektoré baktérie a určité protisty (napríklad niektoré dinoflageláty), čo dokazuje, že tento mechanizmus vznikol nezávisle v niekoľkých evolučných skupinách vďaka svojej účinnosti pri duplikácii jedincov, keď je prostredie priaznivé.
Púčenie v spojení s ďalšími nepohlavnými mechanizmami predstavuje vysoko účinnú stratégiu pre rýchle a masívne rozširovanie druhu, hoci za cenu zníženej genetickej variability. Naproti tomu pohlavné rozmnožovanie, hoci je energeticky náročnejšie, poskytuje genetickú diverzitu potrebnú na to, aby sa populácie prispôsobili dlhodobým zmenám prostredia. Dôkladné pochopenie oboch typov rozmnožovania umožňuje lepšie pochopiť dynamiku prirodzených populácií, fungovanie ekosystémov a v prípade mikroorganizmov, ako sú kvasinky, dokonca aj procesy biomedicínskeho a biotechnologického záujmu.