Reproducerea și dezvoltarea animalelor
Majoritatea animalelor se reproduc pe cale sexuală și au forme similare de dezvoltare dictate de genele Hox.
Obiective de învățare
Explicați procesele de reproducere animală și de dezvoltare embrionară
Key Takeaways
Key Points
- Majoritatea animalelor se reproduc prin reproducere sexuată, dar unele animale sunt capabile de reproducere asexuată prin partenogeneză, înmugurire sau fragmentare.
- În urma fecundării, se formează un embrion, iar țesuturile animale se organizează în sisteme de organe; unele animale pot suferi, de asemenea, o metamorfoză incompletă sau completă.
- Cleagarea zigotului duce la formarea unei blastula, care suferă în continuare diviziuni celulare și rearanjări celulare în timpul unui proces numit gastrulare, care duce la formarea gastrului.
- În timpul gastrulării, se formează cavitatea digestivă și straturile germinative; acestea se vor dezvolta ulterior în anumite tipuri de țesuturi, organe și sisteme de organe în timpul unui proces numit organogeneză.
- Genele Hox sunt responsabile pentru determinarea planului general al corpului, cum ar fi numărul de segmente ale corpului unui animal, numărul și amplasarea apendicelor și direcționalitatea cap-coadă a animalului.
- Genele Hox, similare la majoritatea animalelor, pot activa sau dezactiva alte gene prin codificarea unor factori de transcripție care controlează expresia a numeroase alte gene.
Termeni cheie
- metamorfoză: o schimbare a formei și, adesea, a obiceiurilor unui animal după stadiul embrionar în timpul dezvoltării normale
- Gena Hox: gene responsabile pentru determinarea planului general al corpului, cum ar fi numărul de segmente ale corpului unui animal, numărul și amplasarea apendicelor și direcționalitatea cap-coadă a animalului
- blastula: o structură goală cu 6-32 de celule care se formează după ce un zigot suferă o diviziune celulară
Reproducerea și dezvoltarea animalelor
Majoritatea animalelor sunt organisme diploide (celulele corpului lor, sau celulele somatice, sunt diploide) cu celule reproductive haploide ( gameți ) produse prin meioză. Majoritatea animalelor se reproduc pe cale sexuală. Acest fapt distinge animalele de ciuperci, protiști și bacterii, unde reproducerea asexuată este comună sau exclusivă. Cu toate acestea, câteva grupuri, cum ar fi cnidarii, viermii plați și viermii rotunzi, se reproduc asexuat, deși aproape toate aceste animale au, de asemenea, o fază sexuală în ciclul lor de viață.
Procese de reproducere animală și dezvoltare embrionară
În timpul reproducerii sexuale, gameții haploizi ai indivizilor masculi și femele ai unei specii se combină într-un proces numit fertilizare. În mod obișnuit, spermatozoizii masculi mici și mobili fertilizează ovulul femelă mult mai mare și sesilă. Acest proces produce un ou fertilizat diploid numit zigot.
Câteva specii de animale (inclusiv stelele de mare și anemonele de mare, precum și unele insecte, reptile și pești) sunt capabile de reproducere asexuată. Cele mai comune forme de reproducere asexuată pentru animalele acvatice staționare includ înmugurirea și fragmentarea, unde o parte a unui individ părinte se poate separa și crește într-un nou individ. În schimb, o formă de reproducere asexuată întâlnită la anumite insecte și vertebrate se numește partenogeneză, unde ouăle nefertilizate se pot dezvolta în noi descendenți. Acest tip de partenogeneză la insecte se numește haplodiploidie și are ca rezultat descendenți de sex masculin. Aceste tipuri de reproducere asexuată produc descendenți identici din punct de vedere genetic, ceea ce este dezavantajos din punctul de vedere al adaptabilității evolutive din cauza acumulării potențiale de mutații dăunătoare. Cu toate acestea, pentru animalele care sunt limitate în capacitatea lor de a atrage parteneri, reproducerea asexuată poate asigura propagarea genetică.
După fertilizare, au loc o serie de etape de dezvoltare în timpul cărora se stabilesc și se reorganizează straturile germinative primare pentru a forma un embrion. În timpul acestui proces, țesuturile animale încep să se specializeze și să se organizeze în organe și sisteme de organe, determinând morfologia și fiziologia lor viitoare. Unele animale, cum ar fi lăcustele, suferă o metamorfoză incompletă, în care puii se aseamănă cu adulții. Alte animale, cum ar fi unele insecte, suferă o metamorfoză completă, în care indivizii intră în unul sau mai multe stadii larvare care pot fi diferite de cele ale adultului din punct de vedere structural și funcțional. În cazul metamorfozei complete, puii și adulții pot avea regimuri alimentare diferite, ceea ce limitează concurența pentru hrană între ei. Indiferent dacă o specie suferă o metamorfoză completă sau incompletă, seria de stadii de dezvoltare a embrionului rămâne în mare parte aceeași pentru majoritatea membrilor regnului animal.
Metamorfoza incompletă și completă: (a) Lăcusta suferă o metamorfoză incompletă. (b) Fluturele suferă o metamorfoză completă.
Procesul de dezvoltare animală începe cu clivarea, sau seria de diviziuni celulare mitotice, a zigotului. Trei diviziuni celulare transformă zigotul unicelular într-o structură cu opt celule. După alte diviziuni celulare și rearanjarea celulelor existente, se formează o structură goală cu 6-32 de celule, numită blastula. În continuare, blastula suferă o nouă diviziune celulară și o rearanjare celulară în timpul unui proces numit gastrulare. Acest lucru duce la formarea următorului stadiu de dezvoltare, gastrula, în care se formează viitoarea cavitate digestivă. În timpul gastrulării se formează diferite straturi celulare (numite straturi germinative). Aceste straturi de germeni sunt programate să se dezvolte în anumite tipuri de țesuturi, organe și sisteme de organe în timpul unui proces numit organogeneză.
Dezvoltarea embrionară: În timpul dezvoltării embrionare, zigotul suferă o serie de diviziuni celulare mitotice, sau clivaje, pentru a forma un stadiu cu opt celule, apoi o blastulă goală. În timpul unui proces numit gastrulare, blastula se pliază spre interior pentru a forma o cavitate în gastrula.
Rolul genelor Homeobox (Hox) în dezvoltarea animalelor
De la începutul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au observat că multe animale, de la cele foarte simple până la cele complexe, aveau în comun o morfologie și o dezvoltare embrionară similară. În mod surprinzător, un embrion uman și un embrion de broască, într-un anumit stadiu al dezvoltării embrionare, par remarcabil de asemănătoare. Pentru o lungă perioadă de timp, oamenii de știință nu au înțeles de ce atât de multe specii de animale păreau similare în timpul dezvoltării embrionare, dar erau foarte diferite la vârsta adultă. Spre sfârșitul secolului al XX-lea, a fost descoperită o anumită clasă de gene care dictează direcția de dezvoltare. Aceste gene care determină structura animalelor sunt numite „gene homeotice”. Ele conțin secvențe de ADN numite homeoboxe, cu secvențe specifice denumite gene Hox. Această familie de gene este responsabilă pentru determinarea planului general al corpului: numărul de segmente corporale ale unui animal, numărul și amplasarea apendicelor și direcționalitatea cap-coadă a animalului. Primele gene Hox care au fost secvențiate au fost cele de la musca de fructe (Drosophila melanogaster). O singură mutație Hox la musca de fructe poate avea ca rezultat o pereche suplimentară de aripi sau chiar apendice care cresc din partea „greșită” a corpului.
Există multe gene care joacă roluri în dezvoltarea morfologică a unui animal, dar genele Hox sunt atât de puternice deoarece pot activa sau dezactiva un număr mare de alte gene. Genele Hox fac acest lucru prin codificarea unor factori de transcripție care controlează expresia a numeroase alte gene. Genele Hox sunt omoloage în regnul animal: secvențele genetice și pozițiile lor pe cromozomi sunt remarcabil de asemănătoare la majoritatea animalelor (de exemplu, viermi, muște, șoareci, oameni) datorită prezenței lor la un strămoș comun. Genele Hox au suferit cel puțin două evenimente de duplicare în timpul evoluției animalelor: genele suplimentare au permis evoluția unor tipuri de corpuri mai complexe.
Gene Hox: Genele Hox sunt gene foarte bine conservate care codifică factori de transcripție care determină cursul dezvoltării embrionare la animale. La vertebrate, genele au fost duplicate în patru clustere: Hox-A, Hox-B, Hox-C și Hox-D. Genele din cadrul acestor clustere sunt exprimate în anumite segmente ale corpului în anumite stadii de dezvoltare. Aici este prezentată omologia dintre genele Hox la șoareci și oameni. Observați modul în care expresia genelor Hox, așa cum este indicat cu nuanțe portocalii, roz, albastre și verzi, apare în aceleași segmente corporale atât la șoarece cât și la om.