Самооплодотворение и партеногенез кратко

Обновлено: 30.06.2024

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.

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?

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.

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.

Оплодотворение — это процесс соединения двух гаплоидных гамет, в результате которого образуется диплоидная зигота.

При соприкосновении головки сперматозоида с наружным покровом яйцеклетки содержащиеся в акросоме ферменты выделяются на поверхность яйцеклетки. Под их действием оболочка яйцеклетки в месте соприкосновения разрушается. Содержимое сперматозоида проникает внутрь яйцеклетки. После этого яйцеклетка восстанавливает оболочку и другие сперматозоиды проникнуть в неё уже не могут. В оплодотворённой яйцеклетке происходит слияние двух ядер и образуется диплоидная зигота.

Наружное оплодотворение происходит у животных, которые живут в воде (например, у рыб и амфибий). Яйцеклетки (икру) и сперматозоиды такие животные выделяют в воду, где и происходит их слияние.

Внутреннее оплодотворении наблюдается у животных, обитающих на суше, а также у некоторых обитателей водной среды (червей, членистоногих, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих). У них гаметы сливаются внутри тела самки, в её половых путях.

Биологическое значение оплодотворения состоит в том, что при слиянии гамет восстанавливается диплоидный набор хромосом, а новый организм приобретает генетическую информацию и признаки обоих родителей.

Партеногенез — особый случай полового размножения, при котором происходит развитие особи из неоплодотворённой яйцеклетки.

Партеногенез наблюдается у некоторых червей, улиток, членистоногих (дафний, пчёл, тлей, муравьёв), а также у рептилий (скальных ящериц, варанов), птиц (индюшек) и других животных. Он чередуется с обычным размножением.

Развитие нового организма начинает без оплодотворения. Гаплоидная яйцеклетка делится митозом. Происходит удвоение ДНК, но во время первого деления хромосомы не расходятся, и в клетке остаётся диплоидный хромосомный набор.

у тлей в тёплое время из неоплодотворённых яиц появляется несколько поколений самок, а осенью рождаются самцы. У пчёл партеногенетическое размножение производит только трутней (самцов), а самки и рабочие пчёлы рождаются из оплодотворённых яиц.

В центре вид англ.) самка, которая приносит потомство с помощью партеногенеза; по обе стороны два вида особей: англ.) слева и англ.) справа, скрещенные в процессе естественной гибридизации, в результате чего образовался вид C. neomexicanus.

В тех случаях, когда партеногенетические виды представлены (всегда или периодически) только самками, одно из главных биологических преимуществ партеногенеза заключается в ускорении темпа размножения вида, так как все особи подобных видов способны оставить потомство. Такой способ размножения используется некоторыми животными (хотя чаще к нему прибегают относительно примитивные организмы). В тех случаях, когда из оплодотворённых яйцеклеток развиваются самки, а из неоплодотворённых — самцы, партеногенез способствует регулированию численных соотношений полов (например, у пчёл). Часто партеногенетические виды и расы являются полиплоидными и возникают в результате отдалённой гибридизации, обнаруживая в связи с этим гетерозис и высокую жизнеспособность. Партеногенез следует относить к половому размножению и следует отличать от бесполого размножения, которое осуществляется всегда при помощи соматических органов и клеток (размножение делением, почкованием и т. п.).

Содержание

Классификации партеногенеза

Существует несколько классификаций партеногенетического размножения.

По способу размножения
- Естественный — нормальный способ размножения некоторых организмов в природе.
- Искусственный — вызывается экспериментально действием разных раздражителей на неоплодотворённую яйцеклетку, в норме нуждающуюся в оплодотворении.
По полноте протекания
- Рудиментарный (зачаточный) — неоплодотворённые яйцеклетки начинают деление, однако зародышевое развитие прекращается на ранних стадиях. Вместе с тем в некоторых случаях возможно и продолжение развития до конечных стадий (акцидентальный или случайный партеногенез).
- Полный — развитие яйцеклетки приводит к формированию взрослой особи. Эта разновидность партеногенеза наблюдается во всех типах беспозвоночных и у некоторых позвоночных.
По способу востановления диплоидности
- Амейотический — развивающиеся яйцеклетки не проделывают мейоза и остаются диплоидными. Такой партеногенез (например, у дафний) является разновидностью клонального размножения.
- Мейотический — яйцеклетки проделывают мейоз (при этом они становятся гаплоидными). Новый организм развивается из гаплоидной яйцеклетки (самцы перепончатокрылых насекомых и коловраток), или яйцеклетка тем или иным способом восстанавливает диплоидность (например, путём эндомитоза или слияния с полярным тельцем)
По наличию других форм размножения в цикле развития
- Облигатный — когда он является единственным способом размножения
- Циклический — партеногенез закономерно чередуется с другими способами размножения в жизненном цикле (напрмер, у дафний и коловраток).
- Факультативный — встречающийся в виде исключения или запасного способа размножения у форм, в норме двуполых.

Распространенность

У животных

У членистоногих

Способность к партеногенезу у членистоногих имеют тихоходки, тля, балянус, некоторые муравьи и многие другие.

Муравьи

У муравьёв телитокический партеногенез обнаружен у 8 видов и может быть разделён на 3 основных типа: тип A — самки производят самок и рабочих через телитокию, но рабочие стерильны и самцы отсутствуют ( Mycocepurus smithii ) ; тип B — рабочие производят рабочих и потенциальных самок через телитокию; тип C — самки производят самок телитокически, а рабочих — обычным половым путём, в то же время, рабочие производят самок через телитокию. Самцы известны для типов B и C [1] . Тип B обнаружен у Cerapachys biroi [2] , двух мирмициновых видов, Messor capitatus [3] и Pristomyrmex punctatus [4] [5] , и у понеринового вида Platythyrea punctata [6] . Тип C обнаружен у муравьёв-бегунков Cataglyphis cursor [7] и двух мирмициновых видов Wasmannia auropunctata [8] и Vollenhovia emeryi [9] .

Термиты

Бесполое размножение в виде телитокического партеногенеза обнаружено у 7 видов термитов, в том числе: Reticulitermes speratus, Zootermopsis angusticollis, Kalotermes ﬂavicollis, Biﬁditermes beesoni [10] .

У позвоночных

Партеногенез редок у позвоночных и встречается примерно у 70 видов, что составляет 0,1 % всех позвоночных животных. Например, существует несколько видов ящериц, в естественных условиях размножающихся партеногенезом (скальные ящерицы, комодские вараны). Партеногенетические популяции также найдены и у некоторых видов рыб, земноводных, птиц (в том числе кур). Случаи однополого размножения пока не известны только среди млекопитающих.

Партеногенез у комодских варанов возможен потому, что оогенез сопровождается развитием полоцита (полярного тельца), содержащего удвоенную копию ДНК яйца; полоцит при этом не погибает и выступает в качестве спермы, превращая яйцеклетку в эмбрион [11] .

У растений

Аналогичный процесс у растений называется апомиксис. Он может представлять собой вегетативное размножение, или размножение семенами, возникшими без оплодотворения: либо в результате разновидности мейоза, не уменьшающей число хромосом в два раза, либо из диплоидных клеток семязачатка. Так как у многих растений существует особый механизм: двойное оплодотворение, то у некоторых из них (например, у нескольких видов лапчатки) возможна псевдогамия — когда семена получаются с зародышем, развивающимся из неоплодотворённой яйцеклетки, но содержат триплоидный эндосперм, возникший в результате опыления и последующего тройного слияния [12] :83 .

В начале 2000 гг. было показано, что обработкой in vitro ооцитов млекопитающих (крыс, макак, а затем и человека) либо предотвращением отделения второго полярного тельца при мейозе возможно индуцировать партеногенез [13] , при этом в культуре развитие можно довести до стадии бластоцист. Полученные таким образом бластоцисты человека потенциально являются источником плюрипотентных стволовых клеток, которые могут быть использованы в клеточной терапии [14] .

В 2004 году в Японии слиянием двух гаплоидных ооцитов, взятых у разных особей мыши, удалось создать жизнеспособную диплоидную клетку, деление которой привело к формированию жизнеспособного эмбриона, который, пройдя стадию бластоцисты, развился в жизнеспособную взрослую особь. Предполагается, что этот эксперимент подтверждает участие роли геномного импринтинга в гибели эмбрионов, образующихся из ооцитов, полученных от одной особи, на бластоцистарной стадии [15] .

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

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).

Партеногенез у тли

Разновидности партеногенеза

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

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)

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]

Читайте также: