Boundless Biology

Cíle výuky

Vysvětlete procesy rozmnožování živočichů a embryonálního vývoje

Klíčové poznatky

Klíčové body

• Většina živočichů se rozmnožuje pohlavně, ale někteří živočichové jsou schopni nepohlavního rozmnožování prostřednictvím partenogeneze, pučení nebo fragmentace.
• Po oplození vzniká embryo a živočišné tkáně se uspořádávají do orgánových soustav; někteří živočichové mohou také projít neúplnou nebo úplnou metamorfózou.
• Rozpad zygoty vede ke vzniku blastuly, která prochází dalším buněčným dělením a buněčným uspořádáním během procesu zvaného gastrulace, což vede ke vzniku žaludku.
• Během gastrulace se vytvoří trávicí dutina a zárodečné vrstvy, které se později vyvinou v určité typy tkání, orgánů a orgánových soustav během procesu zvaného organogeneze.
• Hox geny jsou zodpovědné za určení celkového tělesného plánu, jako je počet tělesných segmentů živočicha, počet a umístění přídatných orgánů a směrování hlavy a ocasu živočicha.
• Hox geny, podobné u většiny živočichů, mohou zapínat nebo vypínat jiné geny tím, že kódují transkripční faktory, které řídí expresi mnoha dalších genů.

Klíčové pojmy

• metamorfóza: změna tvaru a často i návyků živočicha po embryonálním stádiu během normálního vývoje
• Hox gen: geny zodpovědné za určení celkového tělesného plánu, jako je počet tělních segmentů živočicha, počet a umístění přídatných orgánů a směrovost hlavy a ocasu živočicha
• blastuly:

  Rozmnožování a vývoj živočichů

  Většina živočichů jsou diploidní organismy (jejich tělní neboli somatické buňky jsou diploidní) s haploidními rozmnožovacími ( gametovými ) buňkami, které vznikají meiózou. U většiny živočichů dochází k pohlavnímu rozmnožování. Tato skutečnost odlišuje živočichy od hub, protist a bakterií, kde je nepohlavní rozmnožování běžné nebo výlučné. Několik skupin, jako jsou hlístice, ploštěnci a hlístice, však prochází nepohlavním rozmnožováním, ačkoli téměř všichni tito živočichové mají také pohlavní fázi svého životního cyklu.

  Procesy rozmnožování živočichů a embryonálního vývoje

  Při pohlavním rozmnožování se haploidní gamety samčího a samičího jedince určitého druhu spojí v procesu zvaném oplození. Obvykle malá, pohyblivá samčí spermie oplodní mnohem větší, přisedlé samičí vajíčko. Při tomto procesu vzniká diploidní oplozené vajíčko zvané zygota.

  Některé živočišné druhy (včetně mořských hvězdic a mořských sasanek, ale i některých druhů hmyzu, plazů a ryb) jsou schopny nepohlavního rozmnožování. Mezi nejběžnější formy nepohlavního rozmnožování u nehybných vodních živočichů patří pučení a fragmentace, kdy se část rodičovského jedince může oddělit a vyrůst v nového jedince. Naproti tomu forma nepohlavního rozmnožování, která se vyskytuje u některých druhů hmyzu a obratlovců, se nazývá partenogeneze, kdy se z neoplozených vajíček může vyvinout nový potomek. Tento typ partenogeneze se u hmyzu nazývá haplodiploidie a jeho výsledkem je potomstvo samčího pohlaví. Tyto typy nepohlavního rozmnožování vedou ke vzniku geneticky identického potomstva, což je z hlediska evoluční přizpůsobivosti nevýhodné kvůli možnému hromadění škodlivých mutací. U živočichů, kteří mají omezenou schopnost získávat partnery, však může asexuální rozmnožování zajistit genetické rozšíření.

  Po oplození dochází k řadě vývojových stadií, během nichž se vytvářejí primární zárodečné vrstvy, které se reorganizují a vytvářejí embryo. Během tohoto procesu se živočišné tkáně začínají specializovat a organizovat do orgánů a orgánových soustav, což určuje jejich budoucí morfologii a fyziologii. Někteří živočichové, například kobylky, procházejí neúplnou metamorfózou, při níž se mláďata podobají dospělým jedincům. U jiných živočichů, například u některých druhů hmyzu, dochází k úplné metamorfóze, kdy jedinci vstupují do jednoho nebo více larválních stadií, která se mohou od dospělého jedince lišit strukturou a funkcí. Při úplné metamorfóze mohou mít mláďata a dospělí jedinci odlišnou stravu, což omezuje jejich vzájemnou potravní konkurenci. Bez ohledu na to, zda daný druh prochází úplnou nebo neúplnou metamorfózou, zůstává řada vývojových stadií embrya u většiny zástupců živočišné říše do značné míry stejná.

  

  Neúplná a úplná metamorfóza: (a) Kobylka prochází neúplnou metamorfózou. (b) Motýl prochází úplnou metamorfózou.

  Proces vývoje živočichů začíná štěpením neboli sérií mitotických dělení zygoty. Tři buněčná dělení přemění jednobuněčnou zygotu na osmibuněčnou strukturu. Po dalším buněčném dělení a přeskupení stávajících buněk vznikne 6-32buněčná dutá struktura zvaná blastula. Blastula dále prochází dalším buněčným dělením a přestavbou buněk během procesu zvaného gastrulace. To vede ke vzniku dalšího vývojového stádia, gastruly, v níž vzniká budoucí trávicí dutina. Během gastrulace se vytvářejí různé buněčné vrstvy (tzv. zárodečné vrstvy). Tyto zárodečné vrstvy jsou naprogramovány tak, aby se během procesu zvaného organogeneze vyvinuly v určité typy tkání, orgánů a orgánových systémů.

  

  Embryonální vývoj: Během embryonálního vývoje prochází zygota sérií mitotických buněčných dělení neboli štěpení, až vznikne osmibuněčné stadium a poté dutá blastula. Během procesu zvaného gastrulace se blastula skládá dovnitř a vytváří dutinu v žaludku.

  Úloha homeoboxových (Hox) genů ve vývoji živočichů

  Od počátku 19. století vědci pozorovali, že mnoho živočichů, od velmi jednoduchých až po složité, má podobnou embryonální morfologii a vývoj. Překvapivě se lidské embryo a embryo žáby v určité fázi embryonálního vývoje jeví jako pozoruhodně podobné. Vědci dlouho nechápali, proč tolik živočišných druhů vypadá během embryonálního vývoje podobně, ale v dospělosti se velmi liší. Ke konci 20. století byla objevena zvláštní třída genů, které určují směr vývoje. Tyto geny, které určují stavbu živočichů, se nazývají „homeotické geny“. Obsahují sekvence DNA nazývané homeoboxy, přičemž specifické sekvence se označují jako Hox geny. Tato rodina genů je zodpovědná za určení obecného tělesného plánu: počtu tělesných segmentů živočicha, počtu a umístění přídatných orgánů a směru hlavy a ocasu živočicha. Jako první byly sekvenovány geny Hox u ovocné mušky (Drosophila melanogaster). Jediná mutace Hox genů u ovocné mušky může vést k tomu, že z „nesprávné“ části těla vyroste pár křídel navíc nebo dokonce přídavky.

  Existuje mnoho genů, které hrají roli v morfologickém vývoji živočicha, ale Hox geny jsou tak silné, protože mohou zapínat nebo vypínat velké množství dalších genů. Hox geny to dělají tak, že kódují transkripční faktory, které řídí expresi mnoha dalších genů. Hox geny jsou v živočišné říši homologní: jejich genetické sekvence a umístění na chromozomech jsou u většiny živočichů (např. u červů, much, myší, lidí) pozoruhodně podobné, protože se vyskytují u společného předka. Hox geny prošly během evoluce živočichů nejméně dvěma duplikacemi: dodatečné geny umožnily vývoj složitějších typů těl.

  

  Hox geny: Hox geny jsou vysoce konzervované geny kódující transkripční faktory, které určují průběh embryonálního vývoje živočichů. U obratlovců byly tyto geny zdvojeny do čtyř shluků: Hox-A, Hox-B, Hox-C a Hox-D. Geny v těchto shlucích jsou exprimovány v určitých tělesných segmentech v určitých fázích vývoje. Zde je znázorněna homologie mezi geny Hox u myší a lidí. Všimněte si, jak se exprese genů Hox, jak je naznačeno oranžovým, růžovým, modrým a zeleným stínováním, vyskytuje ve stejných tělních segmentech u myši i u člověka.