Развитие тли неоплодотворенной яйцеклетки

Партеногенез

Партеногенез — форма полового размножения, при которой яйцеклетки самок развиваются в новый организм без предварительного оплодотворения. [1]

Способно развиваться партеногенетически.»/>

Способно развиваться партеногенетически.

Яйцо бабочки-голубянки.

Способно развиваться партеногенетически.

Способно развиваться партеногенетически.»/>

Терминология

Раньше многие авторы (например, Б.Н.Шванвич) определяли партеногенез как вариант бесполой формы размножения, хотя это и противоречило общепринятой биологической терминологии. Бесполое размножение – это появление новых особей из соматических клеток материнского организма, а не из половых, как это происходит при партеногенезе. Таким образом, в настоящее время партеногенез принято относить к половому размножению, так как в его процессе дочерние особи образуются из яиц, а не из частей тела «матери», как, например, при простом делении бактерий, почковании дрожжей, сегментации тела у плоских червей и т.д. [4]

Явление партеногенеза в большинстве случаев наблюдается у примитивных организмов, хотя, в целом, встречается среди многих представителей животного мира: Членистоногих, Моллюсков, Рыб и даже Пресмыкающихся. [4] Интересно предположение о существовании партеногенеза у человека: по неподтвержденным данным, были случаи, когда у погибших женщин обнаруживали беременность ранних сроков, и при исследовании плодного яйца выяснялось, что эмбрион представляет полную генетическую копию матери. Впрочем, если у высших животных такое явление и возможно (имеется в виду, в естественных условиях), то полного развития яйцеклетки никогда не происходит, оно обычно останавливается на стадии бластулы. (прим.авт.) (фото)

Относительно часто данное явление наблюдают среди насекомых. В большинстве своем эти существа являются раздельнополыми, о чем даже на первый взгляд можно догадаться по половому диморфизму особей многих видов, однако иногда партеногенез сочетается у них с классическим половым размножением или даже полностью его замещает. [3]

Медоносная пчела. Матка кладет яйца.

Партеногенез как биологический процесс

Цитологическая основа этого явления бывает различной. В одних случаях происходит «нарушение» развития нормальной яйцеклетки, например, изменение числа делений генетического материала. В других роль сперматозоидов берут на себя другие структуры. Например, существует такое образование, как направительное (полярное) тельце. Оно прикреплено к яйцеклетке, содержит небольшое количество цитоплазмы и генетический материал. В «норме», то есть при половом размножении, оно отделяется от яйца после определенного количества делений мейоза. У некоторых же партеногенетических особей, например, червеца Lecanium, тельце не дегенерирует и не открепляется, а проникает внутрь и сливается с ядром яйцеклетки, имитируя проникновение сперматозоида и давая толчок к развитию эмбриона. [3]

Партеногенез представляется явлением, которое не зависит от «воли» насекомого. Однако в некоторых случаях особи сами управляют формами своего размножения. У некоторых перепончатокрылых (медоносных пчел), а также у калифорнийской расы червецов, сперматозоиды хранятся в специальной камере, откуда самка может выпустить или не выпустить их на яйцо – в зависимости от «цели» осуществления кладки. [3] (фото)

Из неоплодотворенного яйца могут развиваться организмы разных полов. В соответствии с этим, выделяют:

• телитакию (из яиц выходят самки);
• арренотокию (развиваются самцы);
• амфитакию (появляются особи обоих полов).

Каждая из половых клеток, как мужская, так и женская, имеет гаплоидный набор хромосом. Сливаясь при оплодотворении во время «обычного» размножения, они удваивают объем своей генетической информации, образуя «нормальный» диплоидный эмбрион. Генетический набор зародыша, сформировавшегося партеногенетически, может быть диплоидным или «половинным», гаплоидным. Когда организм развивается из яйца без оплодотворения, это приводит к тому, что каждая из клеток тела нового организма имеет гаплоидный набор, а если же зародыш образуется путем слияния яйцеклетки с полярным тельцем, он будет диплоидным. [1]

Партеногенез у тли

Разновидности партеногенеза

Партеногенез – это весьма неоднородное явление, которое разделяют на несколько категорий.

Спорадический: большую часть времени обоеполые особи размножаются «обычным» путем, но при создании определенных условий (снижение численности популяции, отсутствие самцов) могут переходить и на партеногенез. Данное явление характерно для Тополевого бражника, Непарного шелкопряда и других насекомых, в первую очередь, Чешуекрылых. [3] В редких случаях спорадический партеногенез наблюдается у пауков, к примеру, тропических сенокосцев, однако обычно их неоплодотворенные яйца гибнут, не завершив своего развития. [2]

Постоянный: наблюдается все время, наряду с половой формой размножения. Типичный пример – общественные перепончатокрылые, у которых самцы всегда развиваются из неоплодотворенных яиц, а самки – из оплодотворенных. В ряде случаев партеногенез полностью или практически полностью замещает собой половое размножение. Так, у некоторых видов палочников, червецов, орехотворок и пилильщиков самцы либо редки, либо вообще неизвестны. [3] Аналогичное явление встречается и среди клещей.

Существуют организмы, у которых частота встречаемости самцов различается, в зависимости от ареала обитания. К примеру, самцы Кистевиков (многоножек) часто встречаются во Франции (42% особей), при этом, в Голландии их всего 39%, в Дании – 8%, а при дальнейшем продвижении на север их нет вообще. [2]

Циклический: происходит правильное чередование половых и бесполых поколений, как, например, у подотряда Тлей. У них оплодотворенное яйцо переживает зиму, после чего из него выходит девственная самка, дающая еще ряд генераций, также размножающихся партеногенетически. Осенью отрождаются нормальные самки и самцы, которые спариваются и откладывают яйца, начиная новый виток жизненного цикла. [3] (фото)

Искусственный: эту категорию можно рассматривать как разновидность спорадического партеногенеза, но в природе она не встречается. Сущность данной формы состоит в том, что особи, которые размножаются «обычным» половым путем, переходят на партеногенез при воздействии на яйцо особыми физическими (электричество, температура) и химическими факторами. Впервые это явление было открыто в 1886 году. [3]

Педогенез: разновидность партеногенеза, при которой девственное размножение происходит среди личинок, как, например, у неполовозрелых особей комарика Oligarces, у которых это явление выглядит весьма интересно и даже в некоторой степени зловеще. Внутри особей, вышедших из яйца, развивается по несколько дочерних личинок, которые в качестве питания используют внутренние органы материнского организма. Когда последний погибает, личинки прогрызают его покровы и выходят наружу, поселяясь в местах, где они могут иметь доступ к органическим веществам (в гнилых пнях и др.). Все то же самое повторяется еще несколько раз. Наконец, когда количество личинок достигнет достаточно большой численности, они окукливаются, а по выходе из куколки превращаются в обычных самцов и самок. [3]

Источник

Самцы не нужны: как и какие животные размножаются без участия сперматозоидов

Некоторые животные могут производить потомство без спаривания с помощью партеногенеза. Как это у них получается? Возможен ли такой вариант размножения у человека? Рассказываем главное о необычном явлении природы.

Читайте «Хайтек» в

Что такое партеногенез?

Процесс, называемый партеногенезом, позволяет различным существам — от медоносных пчел до гремучих змей — размножатся без участия самца. Это форма полового размножения, при котором развитие организма происходит из женской половой клетки (яйцеклетки) без оплодотворения ее мужской (сперматозоид).

Один из самых обсуждаемых случаев партеногенеза произошел с акулой-зеброй Леони, живущей вместе с другими акулами-самками в Австралийском аквариуме Reef HQ. В конце января 2017 года ученые опубликовали статью о ней. Хотя она не пересекалась с самцом акулы уже три года, эта пойманная в неволе особь отложила яйца, из которых вылупились три жизнеспособных детеныша.

Несколькими годами ранее в зоопарке Луисвилля самка сетчатого питона по имени Тельма, которая никогда даже не видела питона-самца, отложила шесть яиц. Из них появились здоровые молодые змеи. Исследование ее ДНК, опубликованное в Биологическом журнале Линнеевского общества, показало, что Тельма является единственным родителем всех змеенышей.

А в 2006 году в Англии самка комодского варана по имени Флора совершила аналогичный подвиг, озадачив хранителей зоопарка Честера.

Как это работает?

Сам по себе партеногенез — это однополое, или «девственное» размножение — одна из форм полового размножения организмов, при которой женские половые клетки (яйцеклетки) развиваются во взрослом организме без оплодотворения. Хотя партеногенетическое размножение не сопровождается слиянием мужских и женских гамет, партеногенез всё же считается половым размножением, так как организм развивается из половой клетки. Считается, что партеногенез возник в процессе эволюции раздельнополых форм.

Половое размножение происходит при участии двух компонентов: яйцеклетке и сперматозоида. Каждый предоставляет половину генетической информации, необходимой для создания живого организма. Но при партеногенезе организм находит уникальный способ восполнения генов, обычно обеспечиваемых сперматозоидом.

Яичники производят яйцеклетки посредством сложного процесса — мейоза. Во время него клетки реплицируются, реорганизуются и разделяются. Такие яйцеклетки содержат только половину материнских хромосом с одной копией каждой хромосомы. Они называются гаплоидными клетками (те, что содержат две хромосомные копии, называются диплоидными).

В процессе мейоза появляются побочные продукты: более мелкие клетки — полярные тельца.

• В одной из версий партеногенеза — автомиксиса, в организме полярное тело объединяется с яйцеклеткой для создания потомства. Этот процесс, который задокументирован у акул, слегка перетасовывает материнские гены для создания потомства, похожего на мать, но не создания ее точных клонов.

• В другой форме партеногенеза, апомиксисе, клетки реплицируются посредством митоза. В этом процессе одна клетка дублируется, чтобы создать две диплоидные. Таким образом осуществляется своего рода генетическое копирование и вставка. Поскольку эти клетки никогда не подвергаются процессу смешения генов мейоза, потомство, полученное таким образом, является генетически идентичными клонами своих родителей. Эта форма партеногенеза чаще встречается у растений.

Для большинства организмов, которые размножаются первым способом, посредством автомиксиса, потомство обычно получает две Х-хромосомы от своей матери. Две Х-хромосомы, основная генетическая кладовая, сцепленная с полом, дают потомство только женского пола.

Но в редких случаях такие животные, как тля, могут производить плодовитое потомство мужского пола, которое генетически идентично своей матери, за исключением отсутствия второй Х-хромосомы. Эти самцы обычно плодовиты, но поскольку они способны производить только сперму, содержащую Х-хромосомы, все их потомство будет самками.

Партеногенез следует отличать от бесполого размножения, которое осуществляется всегда при помощи соматических органов и клеток (размножение делением, почкованием и т.п.).

Кстати, партеногенез бывает естественный — нормальный способ размножения некоторых организмов в природе и искусственный, вызываемый экспериментально действием разных раздражителей на неоплодотворенную яйцеклетку, в норме нуждающуюся в оплодотворении.

Вообще партеногенез делят также на генеративный, или гаплоидный, и соматический (он может быть диплоидным и полиплоидным). При генеративном партеногенезе в делящихся клетках тела наблюдается гаплоидное число хромосом (n); этот случай относительно редок (гаплоидные самцы — трутни пчел). При соматическом партеногенезе в делящихся клетках тела наблюдается исходное диплоидное (2n) или полиплоидное (Зn, 4n, 5n, редко даже 6n и 8n) число хромосом.

Партеногенез у животных

Исходная форма партеногенеза — зачаточный, или рудиментарный партеногенез — свойственен многим видам животных в тех случаях, когда их яйца остаются неоплодотворёнными. Как правило, зачаточный партеногенез ограничивается начальными стадиями зародышевого развития; однако иногда развитие достигает конечных стадий.

За миллионы лет животные воспроизводились посредством партеногенеза, который впервые появился у некоторых из самых маленьких и простых организмов. Ученые считают, что для более продвинутых животных, таких как позвоночные, способность к бесполому размножению стала последней попыткой для видов, находящихся в неблагоприятных условиях. Это может объяснить, почему партеногенез возможен у стольких видов пустынных и островных видов.

Большинство животных, размножающихся посредством партеногенеза, — это мелкие беспозвоночные, такие как пчелы, осы, муравьи и тли, которые могут чередоваться между половым и бесполым размножением. Партеногенез наблюдается у более чем 80 видов позвоночных, около половины из которых — рыбы или ящерицы. Редко когда сложные позвоночные, такие как акулы, змеи и крупные ящерицы, полагаются на бесполое размножение, поэтому Леони и другие поначалу ставили ученых в тупик.

Различают облигатный партеногенез, при котором яйца способны только к партеногенетическому развитию, и факультативный, при котором яйца могут развиваться и посредством партеногенеза, и в результате оплодотворения (у многих перепончатокрылых насекомых, например у пчел, из неоплодотворенных яиц развиваются самцы (трутни), из оплодотворенных — женские особи (матки и рабочие пчелы).

Многие виды животных, не имеющие самцов, способны к длительному размножению путем партеногенеза — константный партеногенез. У некоторых видов наряду с партеногенетической женской расой существует обоеполая раса (исходный вид), занимающая иногда другой ареал — географический партеногенез (бабочки чехлоноски, многие жуки, многоножки, моллюски, коловратки, дафнии, из позвоночных — ящерицы и др.).

А бывает искусственный партеногенез?

Искусственный партеногенез у животных впервые получен русским зоологом Александром Тихомировым. В 1886 году ему удалось показать, что неоплодотворенные яйца тутового шелкопряда можно побудить к развитию растворами сильных кислот, трением и другими раздражителями. В дальнейшем искусственный партеногенез был получен Жаком Лёбом и другими учеными у многих животных, главным образом у морских беспозвоночных, а также у некоторых земноводных (лягушка) и даже млекопитающих (кролик).

Искусственный партеногенез вызывают действием на яйца гипертонических или гипотонических растворов ( осмотический партеногенез), уколом яйца иглой, смоченной гемолимфой ( травматический партеногенез), резким охлаждением и особенно нагревом ( температурный партеногенез), а также действием кислот, щелочей и других химикатов.

С помощью искусственного партеногенеза обычно удается получать лишь начальные стадии развития организма; полный партеногенез достигается редко, хотя известны случаи полного партеногенеза даже у позвоночных животных.

В 2003 году ученым из Института развития клеточной технологии (штат Массачусетс, США) удалось получить полноценные эмбрионы из неоплодотворенных яйцеклеток у 4 из 28 испытуемых макак. Это произошло благодаря особому химическому препарату, стимулирующему деление яйцеклетки.

Добиться первого партеногенетического рождения млекопитающих удалось в 2004 году ученым из Токийского сельскохозяйственного университета. Биологи применили разработанную ими технологию гаплоидизации, то есть искусственного превращения соматических клеток самки мыши в гаплоидные (подобные то ли мужским, то ли женским гаметам) клетки. Затем в лабораторных условиях удалось добиться слияния этих клеток, «обманув» при помощи особых технологий геномный импринтинг. И, наконец, уже в материнском организме из клетки начал развиваться зародыш.

Может ли человек размножаться партеногензом?

У человека известны случаи, когда под влиянием стрессовых ситуаций высоких температур и в других экстремальных ситуациях женская яйцеклетка может начать делится, даже если не оплодотворена, но в 99,9% случаев она вскоре погибает.

В рассуждениях о партеногенезе неизбежно всплывает тема одного из главных догматов христианства — непорочного зачатия Девы Марии. Не хранят ли евангельские предания свидетельство о партеногенетическом рождении человека? Противники этой версии указывают на то, что, будь это так, младенец Иисус должен был бы родиться девочкой — разумеется, из-за отсутствия в яйцеклетке Y-хромосом.

К сожалению, на пути партеногенеза человека воздвигнут мощный заслон природой.

Известно, что никакие млекопитающие не воспроизводятся таким образом, потому что, в отличие от более простых организмов, млекопитающие полагаются на процесс, называемый геномным импринтингом.

Дело в том, что для развивающегося зародыша млекопитающего, образно говоря, не безразлично, от кого достался тот или иной ген — от мамы или от папы. Ген, отвечающий за развитие какого-нибудь жизненного важного органа, просто не будет работать, проявлять себя, если он имеет неправильный половой маркер. Если у потомства был бы только один родитель, некоторые гены не смогли бы активироваться вообще, что сделало потомство нежизнеспособным. Именно поэтому, даже если заставить яйцеклетку млекопитающего делиться, скажем, с помощью неких внешних раздражителей, нет никаких шансов на то, что в результате на свет появится жизнеспособный организм. Геномный импринтинг заблокирует развитие зародыша на ранних стадиях. Если, конечно, в дело не вмешается генная инженерия.

Стратегия одиночного выживания

В некоторых очень редких случаях виды животных размножаются исключительно путем партеногенеза. Одним из таких видов является ящерица Aspidoscelis uniparens, все ее особи женского пола.

У некоторых насекомых, саламандр и плоских червей, как ни странно, наличие спермы запускает партеногенез. Сперматозоиды запускают процесс, проникая в яйцеклетку, но позже дегенерируют, оставляя только материнские хромосомы. В этом случае сперма только запускает развитие яйцеклетки — она ​​не вносит никакого генетического вклада.

Способность к бесполому размножению позволяет животным передавать свои гены, не тратя энергию на поиск партнера, и, таким образом, может помочь поддерживать вид в сложных условиях. Например, если варан прибывает на необитаемый остров, она одна может создать популяцию посредством партеногенеза.

Однако, поскольку каждый человек будет генетически идентичным, матери комодских варанов и их дочери будут более уязвимы к болезням и изменениям окружающей среды, чем генетически измененная группа. Например, в некоторых районах Нью-Мексико некоторые популяции самок ящериц имеют почти идентичный генетический профиль.

Источник