Размножение (воспроизведение, репродукция) — биологический процесс, с помощью которого образуются новые организмы, воспроизведение себе подобных. Размножение — фундаментальная особенность всех известных жизненных форм, каждый индивидуальный организм существует в результате размножения. Известны способы размножения делятся на два основных типа: половое и бесполое (бесполое).

При бесполом размножении новый индивидуум образуется с помощью спор или специальных клеток, без участия гамет. Разделение бактериальных клеток на две дочерние клетки — пример бесполого размножения. Бесполое копирования не ограничивается, однако, одноклеточными организмами. Большинство растений, некоторые животные и некоторые другие многоклеточные организмы также обладают способностью к бесполого размножения.

Половое размножение требует привлечения двух индивидуумов, обычно разных полов. Размножение человека — общий пример полового размножения.

Половое и бесполое размножение

Бесполое размножение

Бесполое размножение — биологический процесс, в котором организм создает генетически подобную или идентичную копию себя без вложения генетического материала другого индивидуума. Бактерии и археи делятся бесполым бинарным делением (который, однако, может быть асимметричным), вирусы используют клетки других организмов для получения новых вирусов, однако обычно не вкладывают в новые вирусы генетический материал клеток-хозяев, много беспозвоночных животных (например, гидры) и дрожжей обычно размножаются почкованием, мицелиальные грибы размножаются с помощью роста мицелия.

Эти организмы не имеют разных полов и способные к «расщепления» себя на два или более индивидуумы. Некоторые бесполые виды, подобно гидры, могут также размножаться половым путем. Бактерии также иногда могут обмениваться генетической информацией с помощью горизонтального переноса генов, а дрожжи — спариваться с помощью простого полового процесса.

Наличие пола не обязательно мешает бесполое размножение. Например, большинство растений способны к вегетативного размножения без семян или спор, хотя также могут размножаться поло.

Другие пути бесполого размножения включают партеногенез, фрагментацию и образования спор, где привлекается только митоз. Партеногенез (от греч. Παρθένος — «дева», «девственница» + γένεσις «происхождение», «образование») — образование и развитие эмбриона или семян без оплодотворения самцом (другим организмом). Партеногенез естественно происходит у некоторых видов, в частности у низших растений, беспозвоночных (например, в водных блох, фоне некоторых пчел и наездников) и позвоночных (например, в некоторых пресмыкающихся, рыб, в частности у акул, и, очень редко, у птиц) животных. Этот же термин иногда также используется для описания размножения в гермафродитных видах, способных к самооплодотворению.

Половое размножение

Половое размножение является типом размножения, при котором организмы образуют потомков, имеющих комбинацию генетического материала от более чем одного (обычно двух) различных представителей вида. Каждый из двух организмов-родителей оказывает примерно половину генетической информации потомку, продуцируя гаплоидные гаметы. Большинство организмов формируют два различных типа гамет. В анизогамних видов гаметы разные, в таком случае различают два пола — самца (производит сперму или микроспоры) и самку (производит яйцеклетки или мегаспоры). Крайний случай анизогамии, когда гаметы очень разные, называется оогамия. В изогамный видов гаметы подобные или идентичные по форме, хотя могут иметь различные отдельные свойства и поэтому иметь различные названия. Например, в зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii есть так называемые «плюс» и «минус» гаметы. Несколько видов организмов, например, реснитчатые, имеют более чем два вида гамет.

Большинство животных (в частности человек) и растений обычно размножаются половым путем. Половые организмы имеют два набора генов для каждого признака (так называемые аллели). Потомки наследуют одну аллель для каждого признака от каждого из родителей, таким образом, потомки гарантированно имеют комбинацию генов родителей. Наличие двух экземпляров каждого гена часто позволяет организму гарантировать наличие жизнеспособного организма, даже если один из генов поврежден.

Однако, спаривания не обязательно привлекает двух особей, для многих организмов возможно и самооплодотворение. Для описания первого случая используется термин алогамия — оплодотворение яйца от одного индивидуума сперматозоидом другого. Противоположный случай, автогамия или самооплодотворение, встречается в гермафродитных организмах, где сливаются две гаметы одного и того же организма. Хотя в аутогамии и привлекается половой аппарат, потомок получает гены только от одной родительской особи, то есть примером бесполого размножения.

Сравнение двух типов размножения

Организмы, которые размножаются с помощью бесполого механизма, тратят на размножение значительно меньше ресурсов и имеют возможность быстрого увеличения размера популяции. Однако половое размножение также имеет несколько преимуществ, ведь "половые" организмы имеют больше возможностей для адаптации к условиям окружающей среды. Для обеспечения достаточного уровня генетических изменений, приспособление к новым условиям оба типа организмов должны обеспечить определенный уровень мутаций в своих геномах. Однако бесполые организмы при этом теряют первоначальные варианты генов, хранящихся в популяции. Кроме того, организмы с половым размножением могут меняться значительно сильнее, ускоряя процесс эволюции. О преимуществах полового размножения свидетельствует тот факт, что генетический алгоритм, математическая модель, построенная на его основе, имеет значительные преимущества для поиска минимума на сложной многомерной поверхности, чем эволюционные алгоритмы, аналогичные бесполое размножение.

Многие организмы могут размножаться как половым путем, так и бесполым. Тли, слизистые грибы, актинии, некоторые виды морских звезд и большинство растений имеют возможность размножаться почкованием или фрагментацией.

Когда внешние факторы благоприятны, обычно используется бесполое размножение, максимально эксплуатируя ресурсы окружающей среды. Популяция в таком случае экспоненциально растет, а бесполое размножение предпочитает быстрого роста.

Когда источники пищи истощаются, климат ухудшается или возникает другая неблагоприятное изменение, эти организмы переключаются на половую форму размножения. Половое размножение гарантирует смешивания генофонда вида. Изменения, полученные потомками в результате полового размножения, позволяют некоторым индивидуумам лучше приспособиться к выживанию в новых условиях и обеспечивают механизм отборной адаптации. Кроме того, половое размножение часто приводит к образованию устойчивой жизненной стадии, которая может выдержать условия, угрожающие потомкам, полученным бесполым путем. Поэтому семена, споры, яйца, куколки и другие «зимующие» стадии гарантируют выживание в течение неблагоприятного времени и дают возможность организму «ждать» улучшения внешних условий.

Бесполое размножение возникло гораздо раньше половую в процессе эволюции. Считается, что это был первый тип размножения, возникший в момент получения организмами индивидуальности. Хотя преимущества полового размножения среди многоклеточных организмов хорошо известны, их количественный вклад и эволюция полового размножения все еще активно исследуются.

Стратегии размножения

K- и r-стратегии

Некоторые организмы, как, например, человек, достигают половой зрелости только через довольно значительный отрезок времени после рождения, но и во время нее дают небольшое количество потомков. Другие воспроизводят быстро, но при обычных обстоятельствах большинство потомков не доживают до половозрелого состояния. Например, кролик (достигает половой зрелости через 8 месяцев после рождения) дает от 10 до 30 потомков в год, а плодовая муха Drosophila melanogster (достигает половой зрелости через 10 — 14 дней) дает до 900 потомков в год. Эти две главные стратегии известны как, соответственно, K-селекция (немного потомков) и r-селекция (много потомков). Выбранная эволюцией стратегия будет зависеть от разнообразия обстоятельств. Животные с небольшим числом потомков могут посвятить больше ресурсов воспитанию и защиты каждой индивидуальной ребенка, сокращая потребность во многих потомках. С другой стороны, животные со многими потомками могут посвятить меньше ресурсов каждой индивидуальной ребенку. Многие из этих детей погибнут вскоре после рождения, но обычно остается достаточное количество для поддержания постоянства популяции.

Многоплодные и одноплодные организмы

Другим типом стратегий воспроизведения многоклеточных организмов является одноплодные и многоплодные стратегии. Одноплодные организмы (однолетние и двухлетние растения, многие насекомые и несколько позвоночных животных, в том числе горбуша и угорь) размножаются в течение одного акта за всю жизнь организма. Многоплодные организмы (большинство животных, грибов и многолетних растений), с другой стороны, размножаются непрерывно или периодически в течение диапазона половой зрелости, который обычно составляет значительную часть жизни.