Cykl życia

W biologii, cykl życia jest serią zmian, które organizm przechodzi od jego powstania w drodze reprodukcji, czy to poprzez reprodukcję bezpłciową lub reprodukcję płciową, do powstania następnego pokolenia w tej samej fazie cyklu.

Dla niektórych organizmów, zwłaszcza małych, prostych organizmów, takich jak bakterie i niektóre protisty, cykl życia jest kompletny w jednym pokoleniu. Tak jest również w przypadku wielu zwierząt, gdzie gameta męska i żeńska łączą się w celu utworzenia nowego potomstwa. W roślinach, reprodukcja jest wielopokoleniowy, znany również jako przemienność pokoleń.

Podczas gdy typy cyklu życia mogą być umieszczone w kilku szerokich kategoriach (haplontic, diplontic, itp.), specyficzne cykle życia poszczególnych gatunków wykazują dużą różnorodność, takich jak czas rozpoczęcia różnych etapów, metod zapłodnienia, i tak dalej. Różnorodność wśród organizmów żywych jest podstawową zasadą biologiczną i ważnym składnikiem radości, jaką człowiek czerpie z przyrody. Oczywiście, organizmy blisko spokrewnionych gatunków i taksonów mają podobne cykle życiowe. Prawie wszechobecna obecność rozmnażania płciowego, w połączeniu z rekombinacją genetyczną, promuje unikalność wśród jednostek, jak również.

Cykle życiowe rozmnażania płciowego

Trzy rodzaje cykli życiowych istnieją w zależności od ploidalności, czyli wielokrotności liczby chromosomów w komórce:

• haplontyczny cykl życiowy
• diplobiontyczny cykl życiowy
• diplobiontyczny cykl życiowy (zwany też diplohaplontycznym, haplodiplontycznym lub dibiontycznym cyklem życiowym)

Te trzy typy cykli charakteryzują się naprzemiennymi fazami haploidalną (n) i diploidalną (2n).

Organizm haploidalny staje się diploidalny przez zapłodnienie, z połączeniem gamet. W wyniku tego powstaje diploidalna zygota. Aby powrócić do stadium haploidalnego, musi zajść mejoza.

Cykle różnią się produktem mejozy i tym, czy zachodzi mitoza (wzrost). Mejoza zygotyczna i gametyczna mają jedno stadium mitotyczne i powstają podczas fazy n w mejozie zygotycznej i podczas fazy 2n w mejozie gametycznej. Dlatego mejozę zygotyczną i gametyczną określa się wspólnym mianem haplobiontycznej (jedna mejoza na fazę). Mejoza sporyszowa natomiast ma dwa zdarzenia mejozowe (diplobiontyczna): po jednym w każdej fazie.

Dyplontyczny cykl życiowy

Mejoza gametyczna

W mejozie gametycznej diploidalna zygota ulega mitozie w celu wytworzenia wielokomórkowego diploidalnego osobnika lub grupy większej liczby diploidalnych komórek. Komórki z diploidalnych osobników następnie przechodzą mejozę w celu wytworzenia haploidalnych gamet.

Haploidalne gamety nie przechodzą mitozy i nie rosną w większy haploidalny organizm. Raczej haploidalne gamety łączą się i wytwarzają diploidalną zygotę z gametami przeciwnego typu.

W całym cyklu gamety są jedynymi komórkami haploidalnymi; mitoza występuje tylko w fazie diploidalnej.

Diploidalny osobnik wielokomórkowy jest diplontem, stąd mejoza gametyczna nazywana jest również diplontycznym cyklem życiowym. Do diplontów zalicza się:

• Zwierzęta
• Niektóre glony brunatne

Haplontyczny cykl życiowy

Mejoza zygotyczna

Mejoza zygotyczna to mejoza diploidalnej zygoty bezpośrednio po kariogamii, fuzji dwóch jąder komórkowych. W ten sposób organizm kończy swoją fazę diploidalną i wytwarza kilka komórek haploidalnych. Komórki te ulegają mitozie (dzielą się mitotycznie), tworząc albo większe, wielokomórkowe osobniki, albo więcej komórek haploidalnych. Dwie przeciwstawne typy gamet (np. męska i żeńska) z tych osobników lub komórek łączą się, stając się diploidalną zygotą.

W całym cyklu zygota jest jedyną komórką diploidalną; mitoza zachodzi tylko w fazie haploidalnej.

Jednostki lub komórki w wyniku mitozy są haplontami, stąd ten cykl życiowy nazywany jest również haplontycznym cyklem życiowym. Haplontami są:

• Wszystkie grzyby
• Niektóre zielone glony
• Wiele pierwotniaków

Diplobiontyczny cykl życiowy

Mejoza sporowa

Alternacja pokoleń

W mejozie sporowej, zwanej też mejozą pośrednią, mitozy występują zarówno w fazie diploidalnej, jak i haploidalnej. Organizm wykazuje przemienność pokoleń, w której występują wytwarzające zarodniki wielokomórkowe sporofity (które są diploidalne) i wytwarzające gamety wielokomórkowe gametofity (które są haploidalne). Diagramatycznie mejoza sporowa wygląda tak, jakby złożone połówki mejozy gametycznej i zygotycznej zostały połączone w jedną.

Ten typ cyklu jest diplobiontyczny (znany również jako diplohaplontyczny, haplodiplontyczny lub dibiontyczny).

Mejoza sporowa występuje u roślin i wielu glonów. Posiadanie wielokomórkowych osobników w obu fazach oznacza, że dla niektórych wodorostów trudno jest określić, czy makroskopowy okaz jest gametofitem czy sporofitem, chyba że obserwuje się go pod mikroskopem, nazywa się to izogamią. Jednak nie wszystkie gatunki, u których występuje mejoza sporowa, mają zarówno duże pokolenia gametofitów, jak i sporofitów. Tendencją u roślin wyższych jest posiadanie mniejszych gametofitów, które są bardziej zależne i pasożytują na sporofitach, zjawisko znane jako heterogamia.

Cykl życiowy rozmnażania bezpłciowego

W przypadku rozmnażania bezpłciowego, cykl życiowy jest kompletny w jednym pokoleniu, gdzie osobnik dziedziczy wszystkie swoje chromosomy od jednego z rodziców i jest genetycznie identyczny ze swoimi rodzicami. Prokariota, takie jak bakterie, przechodzą rozszczepienie binarne, gdzie każda komórka dzieli się na pół, tworząc dwie komórki z identycznym DNA do oryginalnej komórki. Aby pierwotna komórka mogła się podzielić, prokariotyczny chromosom, będący pojedynczą cząsteczką DNA, musi się najpierw zreplikować, a następnie przyczepić do innej części błony komórkowej. Większość protistów, jednokomórkowych eukariotów, również rozmnaża się bezpłciowo, z wyjątkiem sytuacji, gdy pod wpływem stresu rozmnażają się płciowo.

Rozszczepienie binarne

Rozszczepienie binarne jest formą rozmnażania bezpłciowego stosowaną przez większość prokariotów do rozmnażania. Proces ten prowadzi do reprodukcji żywej komórki przez podział na dwie równe lub prawie równe części.

Rozszczepienie binarne zaczyna się, gdy replikacja DNA występuje. Każda kolista nić DNA następnie przyczepia się do błony komórkowej. Komórka wydłuża się, powodując oddzielenie dwóch chromosomów. Błona komórkowa następnie inwazji (rośnie do wewnątrz) i dzieli komórkę na dwie komórki córki w procesie zwanym cytokineza.

Organizmy, które rozmnażają się przez rozszczepienie binarne ogólnie rosną wykładniczo.

Ten typ bezpłciowego rozmnażania normalnie powoduje dwóch identycznych komórek. Jednakże, bakteryjne DNA ma stosunkowo wysoki wskaźnik mutacji. To szybkie tempo zmian genetycznych jest tym, co czyni bakterie zdolnymi do rozwijania odporności na antybiotyki i pomaga im wykorzystywać inwazję w szerokim zakresie środowisk.

Różne jednokomórkowe eukarionty również rozmnażają się przez podział pierwotnej komórki na dwie komórki, chociaż wiąże się to z mitozą i cytokinezą podobną do komórek wielokomórkowych organizmów eukariontów. O ile historycznie te jednokomórkowe podziały u eukariotów były określane w literaturze jako rozszczepienie binarne, to obecnie termin ten jest często zarezerwowany dla rozmnażania prokariotów, które nie biorą udziału w mitozie, ponieważ nie posiadają jądra otoczonego błoną. Wśród eukariotów, które rozmnażają się przez podział pierwotnej komórki na dwie są

• Większość protistów (na przykład, Amoeba proteus)
• Entamoeba histolytica (pierwotniak, który jest pasożytem jelitowym człowieka)
• Pyrodictium abyssi (beztlenowa hipertermofilna archaea z głębinowych kominów hydrotermalnych)
• Schizosaccharomyces pombe (organizm grzybowy, który jest gatunkiem drożdży)

W dodatku, mitochondria i chloroplasty komórek eukariotycznych również dzielą się przez rozszczepienie binarne.

Wiele organizmów wielokomórkowych ma również zdolność do rozmnażania bezpłciowego. Wiele takich organizmów będzie pączkować off zlokalizowane skupisko komórek, które następnie rośnie przez mitozę, aby utworzyć nowy osobnik. Zwierzęta takie jak gąbki mogą rozmnażać się przez fragmentację swojego ciała. Wiele roślin ma zdolność do rozmnażania bezpłciowego, jak również.

Alternacja pokoleń

Sporic lub diplohaplontic cyklu życia. Diploidalny (2n) sporofit ulega mejozie, aby wytworzyć haploidalne (1n) komórki rozrodcze, często nazywane zarodnikami. Haploidalne komórki ulegają mitozie, w wyniku której powstaje gametofit. Gametofit produkuje haploidalne gamety, które łączą się, tworząc diploidalny sporofit zygotyczny.

Alternacja pokoleń to termin stosowany do cyklu reprodukcyjnego (diplobiontycznego cyklu życiowego) niektórych roślin naczyniowych, grzybów i protistów. Termin ten jest nieco mylący dla osób zaznajomionych tylko z cyklem życiowym typowego zwierzęcia. Bardziej zrozumiałą nazwą byłaby „przemienność faz jednego pokolenia”, ponieważ zwykle uważamy, że jedno pokolenie gatunku obejmuje jeden pełny cykl życiowy. Cykl życia organizmów z „przemiennością pokoleń” charakteryzuje się tym, że każda faza składa się z jednego z dwóch oddzielnych, żyjących w stanie wolnym organizmów: gametofitu (thallus lub roślina), który jest genetycznie haploidalny, i sporofitu (thallus lub roślina), który jest genetycznie diploidalny.

Haploidalna roślina z pokolenia gametofitu wytwarza gamety w procesie mitozy. Dwie gamety (pochodzące z różnych organizmów tego samego gatunku lub z tego samego organizmu) łączą się, tworząc zygotę, która rozwija się w diploidalną roślinę pokolenia sporofitu. Ten sporofit wytwarza w procesie mejozy zarodniki, które kiełkują i rozwijają się w gametofit następnego pokolenia. Ten cykl, od gametofitu do gametofitu, jest sposobem, w jaki rośliny i wiele alg przechodzi rozmnażanie płciowe.

Różnice

Spodnia strona frontu Dicksonia Antarctica pokazująca sori, czyli struktury utrzymujące zarodniki.

Wyróżnienie „wolno żyjących” jest ważne, ponieważ wszystkie organizmy rozmnażające się płciowo mogą być uważane za obejmujące zmienne fazy, przynajmniej na poziomie komórkowym jako mejoza. Jednakże, nie wszyscy biolodzy się z tym zgadzają. Często mówi się, że przemienność pokoleń odnosi się do tego, że zarówno diploidalne jak i haploidalne stadia są „wielokomórkowe” i to jest ważniejsze niż „wolno żyjące” (Taylor T.N. et al. 2005). Takie rozróżnienie zmienia koncepcję na jedną oddzielającą zwierzęta i rośliny.

Wszystkie rośliny mają diploidalny sporofit i haploidalne stadia gametofitu, które są wielokomórkowe, a różnice między grupami roślin są we względnych rozmiarach, formach i zdolnościach troficznych form gametofitu lub sporofitu, jak również poziom zróżnicowania w gametofitach. Przykładem może być porównanie pyłku i zalążni z dwupłciowymi taliami gametofitu.

Biolodzy rozpoznają dwie kategorie alternacji: pierwsza, jeśli formy sporofitu i gametofitu są mniej więcej identyczne, alternacja nazywana jest izomorficzną; druga, jeśli formy mają bardzo różne wyglądy, alternacja nazywana jest heteromorficzną. Jak zauważono powyżej, terminy stosowane do tego rodzaju cyklu życiowego są różnie nazywane: diplobiontic, diplohaplontic, haplodiplontic, lub dibiontic.

Heterogamia jest terminem używanym do opisania naprzemienności pomiędzy fazami partenogenetycznymi i rozmnażania płciowego, która występuje u niektórych bezkręgowców i kręgowców. Chociaż koncepcyjnie podobny do „przemienności pokoleń”, genetyka heterogamii jest znacząco różna.

Grzyby

Mikcelia grzybów jest zazwyczaj haploidalna. Kiedy spotykają się grzybnie różnych typów kojarzenia, wytwarzają dwie wielojądrowe komórki w kształcie kuli, które łączą się poprzez „mostek kojarzenia”. Jądra przechodzą z jednej grzybni do drugiej, tworząc heterokarion (co oznacza „różne jądra”). Proces ten nazywany jest plazmogamią. Faktyczna fuzja w celu utworzenia diploidalnych jąder nazywana jest kariogamią i może nastąpić dopiero po uformowaniu sporangiów. Kariogamia powoduje powstanie diploidalnej zygoty, która jest krótkotrwałym sporofitem, który wkrótce ulega mejozie i tworzy haploidalne zarodniki. Gdy zarodniki kiełkują, rozwijają się w nowe grzybnie.

Protisty

Niektóre protisty przechodzą przemianę pokoleń, w tym pleśnie, foraminifery i wiele glonów morskich.

Cykl życiowy pleśni jest bardzo podobny do cyklu życiowego grzybów. Haploidalne zarodniki kiełkują tworząc komórki rojowe lub myxamoebae. Te łączą się w procesie określanym jako plazmogamia i kariogamia, tworząc diploidalną zygotę. Zygota rozwija się w plazmodium, a dojrzałe plazmodium wytwarza, w zależności od gatunku, od jednego do wielu owocników zawierających haploidalne zarodniki.

Foraminifera przechodzą heteromorficzną przemianę pokoleń między haploidalnym gamontem i diploidalną fazą agamontu. Jednokomórkowy organizm haploidalny jest zwykle znacznie większy niż organizm diploidalny.

Alternacja pokoleń występuje u prawie wszystkich morskich wodorostów. W większości czerwonych glonów, wielu zielonych glonów i kilku brązowych glonów, fazy są izomorficzne i żyją swobodnie. Niektóre gatunki glonów czerwonych mają złożoną, trójfazową przemienność pokoleń. Przykładem brązowej algi z heteromorficzną przemiennością pokoleń są krasnorosty. Gatunki z rodzaju Laminaria mają duży sporofit, który wytwarza haploidalne zarodniki, które kiełkują i wytwarzają wolno żyjące mikroskopijne męskie i żeńskie gametofity.

Rośliny

Rośliny nienaczyniowe

Gametofit wątrobowców

Rośliny nietracheofitowe, w tym wątrobowce, rogowce i mchy, przechodzą przemianę pokoleń; pokolenie gametofitu jest najczęstsze. Haploidalny gametofit wytwarza haploidalne gamety w wielokomórkowych gametangiach. Żeńskie gametangia nazywane są archegonium i produkują jaja, podczas gdy męskie struktury zwane antheridium produkują plemniki. Woda jest niezbędna, aby plemniki mogły dopłynąć do archegonium, gdzie jaja są zapładniane, tworząc diploidalną zygotę. Zygota rozwija się w sporofit, który jest zależny od macierzystego gametofitu. Dojrzałe sporofity wytwarzają haploidalne zarodniki w drodze mejozy w sporangiach. Kiedy zarodnik kiełkuje, rozwija się w kolejny gametofit.

Rośliny naczyniowe

Schemat przemienności pokoleń u paproci.

Paprocie i ich sprzymierzeńcy, w tym mchy i skrzypy, rozmnażają się przez przemienność pokoleń. Widoczną rośliną obserwowaną w terenie jest diploidalny sporofit. Roślina ta tworzy w drodze mejozy jednokomórkowe haploidalne zarodniki, które są wyrzucane i rozpraszane przez wiatr (lub w niektórych przypadkach przez unoszenie się na wodzie). Jeśli warunki są odpowiednie, zarodnik kiełkuje i rozwija się w raczej niepozorne ciało roślinne zwane protalionem.

Haploidalny protalion nie przypomina sporofitu, i jako taki paprocie i ich sprzymierzeńcy mają heteromorficzną przemienność pokoleń. Protalion jest krótkotrwały, ale przeprowadza rozmnażanie płciowe, wytwarzając diploidalną zygotę, która następnie wyrasta z protalionu jako sporofit.

Rozród ssaków i wczesny cykl życiowy

W ssakach łożyskowych potomstwo rodzi się jako młode: kompletne zwierzęta z obecnymi narządami płciowymi, choć niefunkcjonalnymi. Po kilku miesiącach lub latach, narządy płciowe rozwijają się dalej do dojrzałości i zwierzę staje się dojrzałe płciowo. Większość samic ssaków jest płodna tylko w pewnych okresach i w tym czasie mówi się o nich, że są „w rui”. W tym momencie zwierzę jest gotowe do kopulacji. Poszczególne samce i samice ssaków spotykają się i przeprowadzają kopulację.

Płodność, zwana u ludzi ciążą, to okres czasu, w którym płód rozwija się, dzieląc się poprzez mitozę wewnątrz samicy. W tym czasie płód otrzymuje całe swoje odżywianie i natlenioną krew od samicy, przefiltrowaną przez łożysko, które jest połączone z brzuchem płodu za pomocą pępowiny. Kiedy płód jest już dostatecznie rozwinięty, sygnały chemiczne rozpoczynają proces narodzin. Noworodek, który jest nazywany niemowlęciem u ludzi, powinien zazwyczaj rozpocząć oddychanie na własną rękę wkrótce po urodzeniu.

W monotremes, samice składają jaja. Trzymają jaja wewnętrznie przez kilka tygodni, zapewniając składniki odżywcze, a następnie położyć je i pokryć je jak ptaki. Po mniej niż dwóch tygodniach wykluwa się młode i wpełza do torebki matki, podobnie jak ssaki, gdzie pielęgnuje je przez kilka tygodni, gdy rośnie.

Marsupiale rozmnażają się zasadniczo w ten sam sposób, choć ich młode rodzą się na znacznie wcześniejszym etapie rozwoju niż inne ssaki. Po urodzeniu, marsupial joeys wpełzają do torby matki i przywiązują się do strzyków, gdzie otrzymują pożywienie i kończą rozwój w samowystarczalne zwierzęta.

Teoria historii życia

W biologii zwierząt i człowieka, teoria historii życia jest metodą zrozumienia wyewoluowanych zachowań i strategii w celu optymalizacji sukcesu reprodukcyjnego.

Teoria historii życia jest ramą analityczną szeroko stosowaną w biologii, psychologii i antropologii ewolucyjnej, która postuluje, że wiele cech fizjologicznych i zachowań jednostek może być najlepiej zrozumiana w kategoriach kluczowych cech dojrzewania i reprodukcji, które definiują przebieg życia.

Przykłady tych cech obejmują:

• Age at weaning
• Age of sexual maturity or puberty
• Adult body size
• Age specific mortality schedules
• Age specific fecundity
• Time to first sexual activity or mating
• Czas do pierwszej aktywności seksualnej lub krycia

.

• Czas do pierwszej reprodukcji
• Czas trwania ciąży
• Wielkość miotu
• Odstęp między porodami

Zmiany w tych cechach odzwierciedlają różne alokacje zasobów osobnika (tj.e., czas, wysiłek, i wydatek energetyczny) do konkurujących funkcji życiowych, zwłaszcza wzrostu, utrzymania ciała i reprodukcji. Dla każdego osobnika, dostępne zasoby w danym środowisku są ograniczone. Czas, wysiłek i energia wykorzystywane do jednego celu zmniejsza czas wysiłek i energię dostępną dla innego. Na przykład, zasoby wydane na wzrost do większego rozmiaru ciała nie mogą być wydane na zwiększenie liczby potomstwa. Ogólnie rzecz biorąc, koszty rozmnażania mogą być ponoszone w kategoriach energii przekierowanej z dala od naprawy i konserwacji ciała oraz poprzez zmniejszenie inwestycji w kompetencje immunologiczne.

• Dettmering, C., et al. 1998. The trimorphic life cycle in foraminifera: Obserwacje z kultur pozwalają na nową ocenę. European Journal of Protistology 34:363-368.
• Graham, L., J. Graham, and L. Wilcox. 2003. Plant Biology. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education.
• Raven, P. H., and G. B. Johnson. 1996. Biology. Dubuque, IA: Wn.C. Brown Publishers.
• Roff, D. 1992. The Evolution of Life Histories: Theory and Analysis. New York: Chapman & Hall.
• Stearns, S. 1992. The Evolution of Life Histories. Oxford, England: Oxford University Press.
• Taylor, T. N., et. al. 2005. Life history biology of early land plants: Understanding the gametophyte phase. Proceedings of the National Academy of Sciences 102:5892-5897.