Az állatok szaporodása és fejlődése
A legtöbb állat szexuális szaporodáson megy keresztül, és a Hox-gének által diktált fejlődési formák hasonlóak.
Tanulási célok
Magyarázza az állati szaporodás és az embrionális fejlődés folyamatait
Főbb tanulságok
Főbb pontok
- A legtöbb állat ivaros szaporodással szaporodik, de néhány állat képes aszexuális szaporodásra is a parthenogenezis, a bimbózás vagy a fragmentáció révén.
- A megtermékenyülést követően embrió alakul ki, és az állati szövetek szervrendszerekké szerveződnek; egyes állatoknál hiányos vagy teljes metamorfózis is bekövetkezhet.
- A zigóta hasadása a blasztula kialakulásához vezet, amely a gasztrulációnak nevezett folyamat során további sejtosztódáson és sejtátrendeződésen megy keresztül, ami a gasztrula kialakulásához vezet.
- A gasztruláció során kialakul az emésztőüreg és a csírarétegek; ezekből később bizonyos szövettípusok, szervek és szervrendszerek fejlődnek ki az organogenezisnek nevezett folyamat során.
- Aox-gének felelősek az általános testfelépítés meghatározásáért, például az állat testszegmenseinek számáért, a végtagok számáért és elhelyezéséért, valamint az állatok fej-farok irányultságáért.
- A legtöbb állatban hasonlóox-gének képesek más géneket be- vagy kikapcsolni azáltal, hogy olyan transzkripciós faktorokat kódolnak, amelyek számos más gén kifejeződését szabályozzák.
Főbb fogalmak
- metamorfózis: az állat alakjának és gyakran szokásainak megváltozása az embrionális stádium után a normál fejlődés során
- Hox-gén: az általános testfelépítés meghatározásáért felelős gének, mint például az állat testszegmenseinek száma, a végtagok száma és elhelyezkedése, valamint az állat fej-fark irányultsága
- blastula: 6-32 sejtből álló üreges szerkezet, amely a zigóta sejtosztódása után keletkezik
Az állatok szaporodása és fejlődése
A legtöbb állat diploid szervezet (testük, vagy szomatikus sejtjeik diploidok), a haploid reproduktív ( ivarsejtek ) sejtek meiózis révén jönnek létre. Az állatok többsége ivaros szaporodáson megy keresztül. Ez a tény megkülönbözteti az állatokat a gombáktól, a protistáktól és a baktériumoktól, ahol az ivartalan szaporodás gyakori vagy kizárólagos. Néhány csoport azonban, mint például a cnidariák, a laposférgek és a kerekesférgek, aszexuális szaporodáson megy keresztül, bár szinte minden ilyen állat életciklusának van egy szexuális szakasza is.
Az állati szaporodás és az embrionális fejlődés folyamatai
A szexuális szaporodás során egy faj hím és nőstény egyedeinek haploid ivarsejtjei egyesülnek a megtermékenyítésnek nevezett folyamat során. Jellemzően a kicsi, mozgékony hím spermium termékenyíti meg a jóval nagyobb, szesszilis nőstény petesejtet. Ebből a folyamatból egy diploid megtermékenyített petesejt, az úgynevezett zigóta keletkezik.
Egyes állatfajok (köztük a tengeri csillagok és a tengeri anemonok, valamint egyes rovarok, hüllők és halak) képesek aszexuális szaporodásra. A helyhez kötött vízi állatok esetében az ivartalan szaporodás leggyakoribb formái közé tartozik a rügyfakadás és a fragmentáció, amikor a szülő egyed egy része leválhat és új egyeddé nőheti ki magát. Ezzel szemben az egyes rovaroknál és gerinceseknél található aszexuális szaporodás egyik formája a parthenogenezis, ahol a megtermékenyítetlen petékből új utódok fejlődhetnek. A rovaroknál a parthenogenezisnek ezt a típusát haplodiploiditásnak nevezik, és hím utódokat eredményez. Az ivartalan szaporodás ezen típusai genetikailag azonos utódokat eredményeznek, ami az evolúciós alkalmazkodóképesség szempontjából hátrányos a káros mutációk lehetséges felhalmozódása miatt. Az olyan állatok esetében azonban, amelyek korlátozottan képesek társakat vonzani, az ivartalan szaporodás biztosíthatja a genetikai szaporodást.
A megtermékenyítést követően egy sor fejlődési szakasz következik be, amelyek során az elsődleges csírarétegek kialakulnak és átrendeződnek, hogy embriót alkossanak. E folyamat során az állati szövetek elkezdenek specializálódni és szerveződni szervekké és szervrendszerekké, meghatározva későbbi morfológiájukat és fiziológiájukat. Egyes állatok, például a szöcskék, nem teljes metamorfózison mennek keresztül, amelyben a fiatal egyedek hasonlítanak a kifejlett egyedre. Más állatok, például egyes rovarok, teljes metamorfózison mennek keresztül, amikor az egyedek egy vagy több lárvastádiumba lépnek, amelyek szerkezetükben és működésükben eltérhetnek a kifejlett egyedtől. A teljes metamorfózisban a fiatalok és a kifejlett egyedek tápláléka eltérő lehet, ami korlátozza a táplálékért való versengést közöttük. Függetlenül attól, hogy egy faj teljes vagy nem teljes metamorfózison megy keresztül, az embrió fejlődési szakaszainak sorozata az állatvilág legtöbb tagja esetében nagyjából ugyanaz marad.
Inkomplett és teljes metamorfózis: (a) A szöcske nem teljes metamorfózison megy keresztül. (b) A pillangó teljes metamorfózison megy keresztül.
Az állati fejlődés folyamata a zigóta hasadásával, vagyis a mitotikus sejtosztódások sorozatával kezdődik. Az egysejtű zigótát három sejtosztódás alakítja át nyolcsejtűvé. További sejtosztódások és a meglévő sejtek átrendeződése után egy 6-32 sejtes üreges struktúra, a blasztula jön létre. Ezután a blasztula a gasztrulációnak nevezett folyamat során további sejtosztódáson és sejtátrendeződésen megy keresztül. Ez vezet a következő fejlődési szakasz, a gasztrula kialakulásához, amelyben kialakul a leendő emésztőüreg. A gasztruláció során különböző sejtrétegek (úgynevezett csírarétegek) alakulnak ki. Ezek a csírarétegek az organogenezisnek nevezett folyamat során bizonyos szövettípusok, szervek és szervrendszerek kialakulására programozódnak.
Embryonális fejlődés: Az embrionális fejlődés során a zigóta egy sor mitotikus sejtosztódáson, vagyis hasadáson megy keresztül, hogy kialakuljon egy nyolccsejtes stádium, majd egy üreges blasztula. A gasztrulációnak nevezett folyamat során a blastula befelé hajlik, hogy a gasztrula üregét képezze.
A homeobox (Hox) gének szerepe az állatok fejlődésében
A 19. század eleje óta a tudósok megfigyelték, hogy számos állat, a nagyon egyszerűtől az összetettig, hasonló embrionális morfológiával és fejlődéssel rendelkezik. Meglepő módon az emberi embrió és a békaembrió az embrionális fejlődés egy bizonyos szakaszában feltűnően hasonlónak tűnik. A tudósok sokáig nem értették, hogy miért néz ki olyan sok állatfaj hasonlóan az embrionális fejlődés során, de felnőttként nagyon különbözik egymástól. A 20. század vége felé felfedezték a fejlődés irányát meghatározó gének egy bizonyos osztályát. Ezeket az állati felépítést meghatározó géneket “homeotikus géneknek” nevezik. Homeoboxoknak nevezett DNS-szekvenciákat tartalmaznak, a specifikus szekvenciákat pedig Hox-géneknek nevezik. Ez a géncsalád felelős az általános testfelépítés meghatározásáért: az állat testszegmenseinek számáért, a végtagok számáért és elhelyezkedéséért, valamint az állat fej-farok irányultságáért. Az első szekvenált Hox-gének a gyümölcslégy (Drosophila melanogaster) génjei voltak. A gyümölcslégyben egyetlen Hox-mutáció azt eredményezheti, hogy egy plusz szárnypár vagy akár a “rossz” testrészből kinövő függelék is kialakulhat.
Az állat morfológiai fejlődésében számos gén játszik szerepet, de a Hox-gének azért olyan erősek, mert nagyszámú más gént képesek be- vagy kikapcsolni. A Hox-gének ezt úgy teszik, hogy olyan transzkripciós faktorokat kódolnak, amelyek számos más gén kifejeződését szabályozzák. A Hox-gének homológok az állatvilágban: a genetikai szekvenciák és a kromoszómákon való elhelyezkedésük a legtöbb állatban (pl. férgek, legyek, egerek, emberek) figyelemre méltóan hasonló, mivel egy közös ősben is jelen voltak. A Hox-gének az állati evolúció során legalább két duplikációs eseményen mentek keresztül: a további gének lehetővé tették az összetettebb testtípusok kialakulását.
Hox-gének: A Hox-gének erősen konzervált gének, amelyek olyan transzkripciós faktorokat kódolnak, amelyek meghatározzák az állatok embrionális fejlődésének menetét. A gerincesekben a gének négy klaszterbe duplikálódtak: Hox-A, Hox-B, Hox-C és Hox-D. Az ezekbe a klaszterekbe tartozó gének a fejlődés bizonyos szakaszaiban, bizonyos testrészekben fejeződnek ki. Itt látható az egerek és az emberek Hox génjei közötti homológia. Figyeljük meg, hogy a narancssárga, rózsaszín, kék és zöld árnyékolással jelzett Hox gének kifejeződése az egér és az ember esetében is ugyanazokban a testrészekben fordul elő.