Riproduzione sessuale - Sexual reproduction

Nella prima fase della riproduzione sessuale, la " meiosi ", il numero dei cromosomi si riduce da un numero diploide (2n) ad un numero aploide (n). Durante la " fecondazione ", i gameti aploidi si uniscono per formare uno zigote diploide e il numero originale di cromosomi viene ripristinato.

La riproduzione sessuale è un tipo di riproduzione che coinvolge un ciclo di vita complesso in cui un gamete (come uno spermatozoo o un uovo ) con un singolo set di cromosomi ( aploidi ) si combina con un altro per produrre uno zigote che si sviluppa in un organismo composto da cellule con due serie di cromosomi ( diploide ). La riproduzione sessuale è il ciclo di vita più comune negli eucarioti multicellulari , come animali , funghi e piante . La riproduzione sessuale non si verifica nei procarioti (organismi senza nuclei cellulari ), ma hanno processi con effetti simili come la coniugazione batterica , la trasformazione e la trasduzione , che potrebbero essere stati precursori della riproduzione sessuale nei primi eucarioti.

Nella produzione di cellule sessuali negli eucarioti, le cellule madri diploidi si dividono per produrre cellule aploidi note come gameti in un processo chiamato meiosi che coinvolge la ricombinazione genetica . I cromosomi omologhi si accoppiano in modo che le loro sequenze di DNA siano allineate tra loro, e questo è seguito dallo scambio di informazioni genetiche tra di loro. Due cicli di divisione cellulare producono quindi quattro gameti aploidi, ciascuno con la metà del numero di cromosomi di ciascuna cellula madre, ma con le informazioni genetiche nei cromosomi parentali ricombinate. Due gameti aploidi si combinano in una cellula diploide nota come zigote in un processo chiamato fecondazione . Lo zigote incorpora materiale genetico di entrambi i gameti. Divisioni cellulari multiple , senza variazione del numero di cromosomi, formano quindi una fase o generazione diploide multicellulare.

Nella riproduzione umana , ogni cellula contiene 46 cromosomi in 23 coppie. La meiosi nelle gonadi dei genitori produce gameti che contengono ciascuno solo 23 cromosomi che sono ricombinanti genetici delle sequenze di DNA contenute nei cromosomi dei genitori. Quando i nuclei dei gameti si uniscono per formare un uovo fecondato o uno zigote, ogni cellula del bambino risultante avrà 23 cromosomi da ciascun genitore, o 46 in totale.

Solo nelle piante, la fase diploide, nota come sporofito , produce spore per meiosi che germinano e poi si dividono per mitosi per formare una fase multicellulare aploide, il gametofito , che produce gameti direttamente per mitosi. Questo tipo di ciclo vitale, che prevede l'alternanza tra due fasi multicellulari, il gametofito sessuale aploide e lo sporofito diploide asessuale, è noto come alternanza di generazioni .

L' evoluzione della riproduzione sessuale è considerata paradossale, perché la riproduzione asessuata dovrebbe essere in grado di superarla poiché ogni organismo giovane creato può generare i propri piccoli. Ciò implica che una popolazione asessuale ha una capacità intrinseca di crescere più rapidamente con ogni generazione. Questo costo del 50% è uno svantaggio di fitness della riproduzione sessuale. Il doppio costo del sesso include questo costo e il fatto che qualsiasi organismo può trasmettere solo il 50% dei propri geni alla prole. Un indubbio vantaggio della riproduzione sessuale è che impedisce l'accumulo di mutazioni genetiche .

La selezione sessuale è una modalità di selezione naturale in cui alcuni individui si riproducono più di altri di una popolazione perché sono più bravi a garantire i compagni per la riproduzione sessuale. È stato descritto come "una potente forza evolutiva che non esiste nelle popolazioni asessuali".

Evoluzione

La prima prova fossilizzata della riproduzione sessuale negli eucarioti risale al periodo steniano , da 1 a 1,2 miliardi di anni fa.

I biologi che studiano l' evoluzione propongono diverse spiegazioni per lo sviluppo della riproduzione sessuale e il suo mantenimento. Queste ragioni includono la riduzione della probabilità dell'accumulo di mutazioni dannose, l'aumento del tasso di adattamento agli ambienti che cambiano , la gestione della competizione , la riparazione del DNA e il mascheramento delle mutazioni dannose. Tutte queste idee sul perché la riproduzione sessuale è stata mantenuta sono generalmente supportate, ma alla fine la dimensione della popolazione determina se la riproduzione sessuale è del tutto vantaggiosa. Le popolazioni più grandi sembrano rispondere più rapidamente ad alcuni dei benefici ottenuti attraverso la riproduzione sessuale rispetto alle popolazioni più piccole.

Il mantenimento della riproduzione sessuale è stato spiegato da teorie che funzionano a diversi livelli di selezione , sebbene alcuni di questi modelli rimangano controversi. Tuttavia, i modelli più recenti presentati negli ultimi anni suggeriscono un vantaggio fondamentale per la riproduzione sessuale nella riproduzione lenta di organismi complessi .

La riproduzione sessuale consente a queste specie di esibire caratteristiche che dipendono dall'ambiente specifico in cui abitano e dalle particolari strategie di sopravvivenza che impiegano.

Selezione sessuale

Per riprodursi sessualmente, sia i maschi che le femmine hanno bisogno di trovare un compagno . Generalmente negli animali la scelta del compagno è fatta dalle femmine mentre i maschi competono per essere scelti. Ciò può portare gli organismi a sforzi estremi per riprodursi, come il combattimento e l'esibizione, o produrre caratteristiche estreme causate da un feedback positivo noto come Fisherian runaway . Così la riproduzione sessuale, come forma di selezione naturale , ha un effetto sull'evoluzione . Il dimorfismo sessuale è dove i tratti fenotipici di base variano tra maschi e femmine della stessa specie . Il dimorfismo si trova in entrambi gli organi sessuali e nei caratteri sessuali secondari , dimensioni corporee, forza fisica e morfologia, ornamenti biologici , comportamento e altri tratti corporei. Tuttavia, la selezione sessuale è implicita solo per un lungo periodo di tempo che porta al dimorfismo sessuale.

Animali

insetti

Una libellula imperatore australiana che depone le uova, sorvegliata da un maschio

Le specie di insetti costituiscono più di due terzi di tutte le specie animali esistenti . La maggior parte delle specie di insetti si riproduce sessualmente, sebbene alcune specie siano facoltativamente partenogenetiche . Molte specie di insetti hanno dimorfismo sessuale , mentre in altre i sessi sembrano quasi identici. Tipicamente hanno due sessi con i maschi che producono spermatozoi e le femmine ovuli. Gli ovuli si sviluppano in uova che hanno un rivestimento chiamato corion , che si forma prima della fecondazione interna. Gli insetti hanno strategie riproduttive e di accoppiamento molto diverse che spesso portano il maschio a depositare spermatoforo all'interno della femmina, che immagazzina fino a quando non è pronta per la fecondazione dell'uovo. Dopo la fecondazione, e la formazione di uno zigote, e vari gradi di sviluppo, in molte specie le uova vengono deposte all'esterno della femmina; mentre in altri, si sviluppano ulteriormente all'interno della femmina e nascono vivi.

Uccelli

Mammiferi

Esistono tre tipi esistenti di mammiferi: monotremi , placentati e marsupiali , tutti con fecondazione interna. Nei mammiferi placentati la prole nasce giovanile: animali completi con gli organi sessuali presenti anche se non riproduttivamente funzionali. Dopo diversi mesi o anni, a seconda della specie, gli organi sessuali si sviluppano ulteriormente fino alla maturità e l'animale diventa sessualmente maturo . La maggior parte delle femmine di mammifero è fertile solo in determinati periodi durante il ciclo estrale, a quel punto sono pronte per l'accoppiamento. I singoli mammiferi maschi e femmine si incontrano e si accoppiano . Per la maggior parte dei mammiferi, maschi e femmine si scambiano partner sessuali per tutta la vita adulta .

Pesce

La stragrande maggioranza delle specie ittiche depone le uova che vengono poi fecondate dal maschio. Alcune specie depongono le uova su un substrato come una roccia o sulle piante, mentre altre disperdono le uova e le uova vengono fecondate mentre vanno alla deriva o affondano nella colonna d'acqua.

Alcune specie di pesci usano la fecondazione interna e poi disperdono le uova in via di sviluppo o danno alla luce una prole viva. I pesci che hanno figli vivi includono il guppy e i molly o Poecilia . I pesci che danno alla luce piccoli vivi possono essere ovovivipari , dove le uova vengono fecondate all'interno della femmina e le uova si schiudono semplicemente all'interno del corpo femminile, o nei cavallucci marini , il maschio porta i piccoli in via di sviluppo all'interno di una sacca e dà alla luce piccoli vivi. I pesci possono anche essere vivipari , dove la femmina fornisce nutrimento alla prole che cresce internamente. Alcuni pesci sono ermafroditi , dove un singolo pesce è sia maschio che femmina e può produrre uova e sperma. Nei pesci ermafroditi, alcuni sono maschi e femmine allo stesso tempo mentre in altri pesci sono ermafroditi in serie; iniziando da un sesso e passando all'altro. In almeno una specie ermafrodita, l'autofecondazione si verifica quando gli ovuli e lo sperma vengono rilasciati insieme. L'autofecondazione interna può verificarsi in alcune altre specie. Una specie di pesce non si riproduce per riproduzione sessuale ma usa il sesso per produrre prole; Poecilia formosa è una specie unisex che utilizza una forma di partenogenesi chiamata ginogenesi , in cui le uova non fecondate si sviluppano in embrioni che producono prole femminile. Poecilia formosa si accoppia con maschi di altre specie ittiche che utilizzano la fecondazione interna, lo sperma non feconda le uova ma stimola la crescita delle uova che si sviluppano in embrioni.

Rettili

Gechi di casa comune accoppiamento , vista ventrale con emipene inserito nella cloaca

anfibi

molluschi

Impianti

Gli animali hanno cicli vitali con una singola fase multicellulare diploide che produce gameti aploidi direttamente per meiosi. I gameti maschili sono chiamati sperma e i gameti femminili sono chiamati uova o ovuli. Negli animali, la fecondazione dell'ovulo da parte di uno spermatozoo porta alla formazione di uno zigote diploide che si sviluppa per ripetute divisioni mitotiche in un adulto diploide. Le piante hanno due fasi del ciclo di vita multicellulare, risultando in un'alternanza di generazioni . Gli zigoti delle piante germinano e si dividono ripetutamente per mitosi per produrre un organismo multicellulare diploide noto come sporofito. Lo sporofito maturo produce spore aploidi per meiosi che germinano e si dividono per mitosi per formare una fase gametofita multicellulare che produce gameti a maturità. I gametofiti di diversi gruppi di piante variano di dimensioni. I muschi e altre piante pteridofite possono avere gametofiti costituiti da diversi milioni di cellule, mentre le angiosperme hanno solo tre cellule in ogni granello di polline.

Piante da fiore

I fiori contengono gli organi sessuali delle piante da fiore.

Le piante da fiore sono la forma di pianta dominante sulla terra e si riproducono sessualmente o asessualmente. Spesso la loro caratteristica più distintiva sono i loro organi riproduttivi, comunemente chiamati fiori. L' antera produce grani di polline che contengono i gametofiti maschili che producono nuclei di sperma. Perché avvenga l'impollinazione, i grani di polline devono attaccarsi allo stigma della struttura riproduttiva femminile ( carpello ), dove i gametofiti femminili si trovano all'interno degli ovuli racchiusi all'interno dell'ovaio . Dopo che il tubo pollinico cresce attraverso lo stile del carpello, i nuclei delle cellule sessuali dal grano pollinico migrano nell'ovulo per fertilizzare la cellula uovo e i nuclei dell'endosperma all'interno del gametofito femminile in un processo chiamato doppia fecondazione . Lo zigote risultante si sviluppa in un embrione, mentre l'endosperma triploide (uno spermatozoo più due cellule femminili) e i tessuti femminili dell'ovulo danno origine ai tessuti circostanti nel seme in via di sviluppo. L'ovaio, che ha prodotto il(i) gametofito(i) femminile(i), si trasforma quindi in un frutto , che circonda il(i) seme(i). Le piante possono auto-impollinare o impollinare in modo incrociato .

Nel 2013, sono stati trovati fiori risalenti al Cretaceo (100 milioni di anni prima del presente) racchiusi nell'ambra, la più antica testimonianza di riproduzione sessuale in una pianta da fiore. Le immagini microscopiche hanno mostrato tubi che crescono dal polline e penetrano nello stigma del fiore. Il polline era appiccicoso, suggerendo che fosse trasportato da insetti.

Le piante non fiorite come felci , muschi ed epatiche usano altri mezzi di riproduzione sessuale.

felci

Le felci producono grandi sporofiti diploidi con rizomi , radici e foglie. Le foglie fertili producono sporangi che contengono spore aploidi . Le spore vengono rilasciate e germinano per produrre gametofiti piccoli e sottili che sono tipicamente a forma di cuore e di colore verde. Il gametofito protalli , producono spermatozoi mobili nelle anteridi cellule ed uovo in archegonia sulle stesse o di diverse piante. Dopo le piogge o quando la rugiada deposita un velo d'acqua, gli spermatozoi mobili vengono allontanati dagli anteridi, che normalmente si producono sul lato superiore del tallo, e nuotano nel velo d'acqua fino all'archegonia dove fecondano l'uovo. Per promuovere l'incrocio o la fecondazione incrociata, gli spermatozoi vengono rilasciati prima che gli ovuli ricevano lo sperma, rendendo più probabile che lo sperma fecondi gli ovuli di tallo diverso. Dopo la fecondazione, si forma uno zigote che cresce in una nuova pianta sporofita. La condizione di avere piante sporofite e gametofite separate è chiamata alternanza di generazioni . Altre piante con cicli vitali simili includono Psilotum , Lycopodium ed Equisetum .

briofite

Le briofite , che comprendono epatiche , hornworts e muschi , riproducono sia sessualmente che vegetativa . Sono piccole piante che crescono in luoghi umidi e, come le felci, hanno spermatozoi mobili con flagelli e hanno bisogno di acqua per facilitare la riproduzione sessuale. Queste piante iniziano come una spora aploide che cresce nella forma dominante del gametofito, che è un corpo aploide multicellulare con strutture simili a foglie che fotosintetizzano . I gameti aploidi sono prodotti nell'anteridia (maschile) e nell'archegonia (femmina) per mitosi. Gli spermatozoi rilasciati dagli anteridi rispondono alle sostanze chimiche rilasciate dall'archegonia matura e nuotano verso di loro in una pellicola d'acqua e fertilizzano le cellule uovo producendo così uno zigote. Lo zigote si divide per divisione mitotica e cresce in uno sporofito diploide multicellulare. Lo sporofito produce capsule di spore ( sporangi ), che sono collegate da steli ( sete ) all'archegonia. Le capsule di spore producono spore per meiosi e quando sono mature le capsule si aprono per rilasciare le spore. Le briofite mostrano una notevole variazione nelle loro strutture riproduttive e quanto sopra è uno schema di base. Inoltre in alcune specie ogni pianta è un sesso ( dioica ) mentre altre specie producono entrambi i sessi sulla stessa pianta ( monoica ).

Fungo

Palline che emettono spore

I funghi sono classificati in base ai metodi di riproduzione sessuale che impiegano. Il risultato della riproduzione sessuale il più delle volte è la produzione di spore a riposo che vengono utilizzate per sopravvivere a tempi inclementi e per diffondersi. Ci sono tipicamente tre fasi nella riproduzione sessuale dei funghi: plasmogamia , cariogamia e meiosi . Il citoplasma di due cellule madri si fonde durante la plasmogamia e i nuclei si fondono durante la cariogamia. Durante la meiosi si formano nuovi gameti aploidi che si sviluppano in spore. La base adattativo per il mantenimento della riproduzione sessuale nel Ascomycota e Basidiomiceti ( dikaryon ) funghi è stata valutata da Wallen e Perlin. Hanno concluso che la ragione più plausibile per mantenere questa capacità è il vantaggio di riparare il danno al DNA , causato da una varietà di stress, attraverso la ricombinazione che si verifica durante la meiosi .

Batteri e archea

Tre processi distinti nei procarioti sono considerati simili al sesso eucariotico : trasformazione batterica , che comporta l'incorporazione di DNA estraneo nel cromosoma batterico; coniugazione batterica , che è un trasferimento di DNA plasmidico tra batteri, ma i plasmidi sono raramente incorporati nel cromosoma batterico; e trasferimento genico e scambio genetico negli archei .

La trasformazione batterica comporta la ricombinazione del materiale genetico e la sua funzione è principalmente associata alla riparazione del DNA . La trasformazione batterica è un processo complesso codificato da numerosi geni batterici ed è un adattamento batterico per il trasferimento del DNA. Questo processo avviene naturalmente in almeno 40 specie batteriche. Affinché un batterio si leghi, assorba e ricombina il DNA esogeno nel suo cromosoma, deve entrare in uno stato fisiologico speciale denominato competenza (vedi Competenza naturale ). La riproduzione sessuale nei primi eucarioti unicellulari potrebbe essersi evoluta dalla trasformazione batterica o da un processo simile negli archaea (vedi sotto).

D'altra parte, la coniugazione batterica è un tipo di trasferimento diretto di DNA tra due batteri mediato da un'appendice esterna chiamata pilus di coniugazione. La coniugazione batterica è controllata da geni plasmidici che sono adattati per diffondere copie del plasmide tra i batteri. La rara integrazione di un plasmide in un cromosoma batterico ospite e il successivo trasferimento di una parte del cromosoma ospite in un'altra cellula non sembrano essere adattamenti batterici.

L'esposizione di specie ipertermofile archeali Sulfolobus a condizioni dannose per il DNA induce l'aggregazione cellulare accompagnata da uno scambio di marcatori genetici ad alta frequenza . Ajon et al. ipotizzato che questa aggregazione cellulare migliora la riparazione del DNA specie-specifica mediante ricombinazione omologa. Il trasferimento del DNA in Sulfolobus può essere una prima forma di interazione sessuale simile ai sistemi di trasformazione batterica più ben studiati che coinvolgono anche il trasferimento del DNA specie-specifico che porta alla riparazione omologa ricombinante del danno al DNA.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

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