1. Что такое оплодотворение? Каково его биологическое значение? Какие этапы включает процесс оплодотворения?

Оплодотворение – это процесс слияния половых клеток (гамет), в результате которого формируется зигота. В ядре зиготы все хромосомы становятся парными: в каждой паре гомологичных хромосом одна является отцовской, другая – материнской. Следовательно, оплодотворение приводит к восстановлению диплоидного набора хромосом и объединению в зиготе наследственной информации родительских особей.

Процесс оплодотворения включает несколько этапов:

● Проникновение сперматозоида в яйцеклетку, что вызывает у яйцеклетки отслоение оболочки оплодотворения, препятствующей проникновению других сперматозоидов.

● Слияние гаплоидных ядер обеих гамет с образованием диплоидной зиготы: ядро сперматозоида увеличивается и достигает размеров ядра яйцеклетки, затем ядра сближаются и сливаются, в результате образуется зигота.

● Активация зиготы к дальнейшему развитию.

2. Для каких животных характерно наружное оплодотворение? Внутреннее? В чём заключается преимущество внутреннего оплодотворения перед наружным?

Наружное оплодотворение характерно для большинства организмов, постоянно обитающих (или только размножающихся) в водной среде – костных рыб, амфибий, многих водных беспозвоночных. Внутреннее оплодотворение характерно прежде всего для обитателей суши – многих беспозвоночных (например, круглых червей, пауков, насекомых) и всех наземных позвоночных (рептилий, птиц, млекопитающих). Этот тип оплодотворения наблюдается и у некоторых водных животных, например, у хрящевых рыб и головоногих моллюсков.

При наружном оплодотворении половые клетки выводятся в воду (т.е. во внешнюю среду), где и происходит их слияние. Значительная часть гамет погибает от неблагоприятных условий среды, поэтому животным с наружным типом оплодотворения необходимо продуцировать большое количество половых клеток. Внутреннее оплодотворение происходит в материнском организме, для этого сперматозоиды вводятся в половые пути самки. Вероятность встречи мужских и женских гамет гораздо выше, чем при наружном оплодотворении, поэтому у животных со внутренним оплодотворением формируется меньшее количество половых клеток.

3. Как происходит оплодотворение у цветковых растений? Почему оно называется двойным?

У цветковых растений оплодотворению предшествует опыление – перенос пыльцевых зёрен с тычинок на рыльце пестика. Пыльцевое зерно вскоре начинает прорастать, образуя пыльцевую трубку, которая достигает семязачатка (семяпочки).

Внутри каждого семязачатка содержится зародышевый мешок, содержащий семь клеток – гаплоидную яйцеклетку, диплоидную центральную клетку, а также пять вспомогательных гаплоидных клеток. При входе в зародышевый мешок конец пыльцевой трубки лопается, и из неё изливается внутреннее содержимое с двумя мужскими гаметами – спермиями.

Один из спермиев сливается с яйцеклеткой, образуя зиготу, а другой – с центральной клеткой зародышевого мешка. Таким образом, почти одновременно осуществляются два слияния половых клеток, из-за чего оплодотворение у цветковых растений называется двойным.

В дальнейшем из зиготы развивается зародыш семени, имеющий диплоидный набор хромосом, а из оплодотворённой центральной клетки – эндосперм, клетки которого имеют триплоидный набор хромосом. В эндосперме откладываются питательные вещества, необходимые зародышу. После оплодотворения каждый семязачаток превращается в семя, а в результате разрастания завязи формируется плод.

Процесс двойного оплодотворения у покрытосеменных растений был открыт русским учёным С. Г. Навашиным в 1898 г. В результате двойного оплодотворения происходит формирование не только зародыша, но и питательной ткани (эндосперма), что ускоряет весь процесс развития семени.

4. Чем диплоидный партеногенез отличается от гаплоидного?

5. В чём заключаются преимущества и недостатки партеногенеза перед обычными формами полового размножения?

Важное преимущество партеногенеза – отсутствие необходимости в поиске партнёра. Это помогает поддерживать численность популяции в условиях, когда затруднена встреча особей разного пола, либо в условиях интенсивного истребления организмов (например, тлей – хищными насекомыми, дафний – рыбами).

У ряда насекомых, например пчёл, способность к размножению как путём гаплоидного партеногенеза, так и с оплодотворением, лежит в основе формирования различных каст организмов. Такой механизм размножения позволяет регулировать численность потомков мужского и женского пола.

Главный недостаток партеногенеза – низкое генетическое разнообразие дочерних особей, что ограничивает возможности их адаптации к условиям окружающей среды.

6. Назовите отличительные особенности, а также преимущества и недостатки бесполого и полового размножения.

Отличительные особенности бесполого размножения:

● Происходит без участия гамет.

● Во всех случаях участвует только один родительский организм.

Отличительные особенности полового размножения:

● Происходит с участием гамет.

● В большинстве случаев участвуют две родительские особи (исключения – самооплодотворение у некоторых гермафродитных видов и партеногенез).

Основные преимущества бесполого размножения:

● Нет необходимости в поиске партнёра, практически любая особь может оставить потомство.

● "Удачные" сочетания генов и признаков передаются следующему поколению. Эта особенность широко используется человеком, например, для получения однородного потомства культурных растений (потомки сохраняют все сортовые качества).

Основное преимущество полового размножения:

● Генетическое разнообразие потомства, что повышает возможность организмов приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды и имеет первостепенное значение в эволюции живой природы.

Основные недостатки бесполого размножения:

● В большинстве случаев (кроме способа, при котором формированию спор предшествует мейоз) потомство генетически идентично родителю, что снижает адаптивные возможности организмов.

● Все "неудачные" сочетания родительских генов и признаков (в ряде случаев – и вредные мутации) передаются следующему поколению.

Основные недостатки полового размножения:

● Потомство может оставить не каждая особь, необходимы определённые условия для встречи партнеров, образования родительских пар, выведения потомства.

● У отдельных особей могут возникать "неудачные" (неподходящие для данных условий среды) сочетания родительских генов и признаков, проявляться вредные мутации, возникшие в половых клетках родителей (например, синдром Дауна у человека).

7*. Тли производят за лето несколько партеногенетических поколений, состоящих только из бескрылых самок. При перенаселении или других неблагоприятных обстоятельствах самки начинают откладывать яйца, из которых развиваются крылатые особи обоих полов. Какое это имеет биологическое значение?

Появление разнополого потомства обусловливает высокое генетическое разнообразие особей следующего поколения (по сравнению с предшествующими партеногенетическими поколениями), что повышает адаптивные возможности организмов. Наличие крыльев способствует расселению особей в новые местообитания. Всё это увеличивает шансы на выживание.

* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.

Живых организмов происходит при участии только одной клетки без образования гамет . При этом новые организмы образуются у одних видов в специальных органах, а у других - из одной или нескольких клеток материнского организма. Выделяют такие виды бесполого размножения: вегетативное размножение, спорообразование, полиэмбриония, фрагментация, почкование и деление .

• Вегетативное размножение - это вид бесполого размножения, при котором воспроизведение клеток нового организма происходит из специальных структур материнского организма (клубней, корневища и т.д.) или из части вегетативного тела материнской особи. Такой вид размножения часто встречается среди растений.

Вегетативное размножение в примерах.

• Спорообразование - это размножение с помощью спор. Споры - это клетки, которые обычно образуются в спорангиях - специализированных органах. У высших организмов перед образованием пор происходит мейоз .

• Полиэмбриония (шизогония ) - это вид бесполого размножения, при котором новое поколение развивается из частей, на которые распадается зародыш (монозиготные близнецы).

• Фрагментация - это вид бесполого размножения, при котором дочерние организмы образуются из частей, на которые распадается материнский организм. Таким образом размножаются элодеи, спирогиры, морские звезды, кольчатые черви.

• Почкование - это вид бесполого размножения, при котором дочерние организмы образуются в виде отростков на материнском организме. При почковании новый организм может отделяться от материнского и жить отдельно (например, гидра), а может оставаться прикрепленным к родительскому организму. Последний вид почкования распространен в коралловых колониях.

• Деление - это простейший способ бесполого размножения, при котором материнский организм делится на два или более дочерних организма. Этот способ характерен для многих одноклеточных организмов.

Скрещивание, в котором участвуют две пары аллелей, генов, расположенных в разных, негомологичных хромосомах, называется дигибридным. При дигибридном скрещивании Г. Мендель изучал наследование двух пар признаков, за которые отвечают пары аллелей, лежащих (как выяснилось значительно позднее) в разных парах гомологичных хромосом.Если в дигибридном скрещивании разные пары аллельных генов находятся в разных парах гомологичных хромосом, то пары признаков наследуются независимо друг от друга (закон независимого наследования). Рассмотрим опыт Г. Менделя, который привел его к открытию закона независимого наследования. Для дигибридного скрещивания Мендель взял гомозиготные растения гороха, отличающиеся по двум генам - окраски семян (желтые и зеленые) и формы семян (гладкие и морщинистые). Доминантные признаки - желтая окраска (А) и гладкая форма семян (В). Каждое растение образует один сорт гамет по изучаемым аллелям. При слиянии этих гамет все потомство будет единообразным (рис. 9). При образовании гамет у гибрида (F1) из каждой пары аллельных генов в гамету попадет только один. При этом вследствие случайности расхождения отцовских и материнских хромосом в мейозе I аллель А может попасть в одну гамету с аллелем В или с аллелем b. Точно так же, как аллель а может объединиться в одной гамете с аллелем В или b (рис. 10). Поскольку в каждом организме образуется много половых клеток, в силу статистических закономерностей у гибрида равновероятно образование четырех сортов гамет: АВ, Ab, aB, ab, в равных количествах. Во время оплодотворения каждая из четырех типов гамет одного организма случайно встречается с любой из гамет другого организма. Все возможные сочетания мужских и женских гамет можно легко установить с помощью решетки Пеннета (рис. 9). Над решеткой по горизонтали выписываются гаметы одного родителя, а по левому краю решетки по вертикали - гаметы другого родителя. В квадратики вписываются генотипы зигот, образующихся при слиянии гамет. Нетрудно подсчитать, что по фенотипу потомство делится на четыре группы в следующем отношении: 9 желтых гладких; 3 желтых морщинистых; 3 зеленых гладких; 1 зеленая морщинистая (рис. 9). Если учитывать результаты расщепления по каждой паре признаков в отдельности, то получится, что отношение числа желтых семян к числу зеленых и отношение числа гладких к числу морщинистых для каждой пары равно 3:1. Таким образом, в дигибридном скрещивании каждая пара признаков при расщеплении в потомстве ведет себя так же, как в моногибридном скрещивании, т.е. независимо от другой пары признаков. Иначе можно сказать, что расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов. Однако в отличие от закона расщепления, который справедлив всегда, закон независимого наследования проявляется только в тех случаях, когда пары аллельных генов расположены в разных парах гомологичных хромосом. Законы Г. Менделя статистичны, они подтверждаются только в опытах с достаточно большим материалом (подсчеты сотен и тысяч особей).