Ciclul de viață

În biologie, ciclul de viață reprezintă șirul de schimbări pe care le suferă un organism de la debutul său prin reproducere, fie prin reproducere asexuată, fie prin reproducere sexuată, până la debutul generației următoare în aceeași fază a ciclului.

Pentru unele organisme, în special organisme mici și simple, cum ar fi bacteriile și unele protiste, ciclul de viață este complet într-o singură generație. Acesta este, de asemenea, cazul multor animale, unde gameții masculi și femele fuzionează pentru a forma noii descendenți. La plante, reproducerea este multigenerațională, cunoscută și sub numele de alternanță de generații.

În timp ce tipurile de cicluri de viață pot fi încadrate în câteva categorii generale (haplontic, diplontic etc.), ciclurile de viață specifice speciilor individuale prezintă o mare diversitate, cum ar fi momentul apariției diferitelor etape, metodele de fertilizare și așa mai departe. Diversitatea dintre organismele vii este un principiu biologic de bază și o componentă importantă în bucuria pe care oamenii o resimt din partea naturii. Bineînțeles, organismele din speciile și taxonii strâns înrudite au cicluri de viață similare. Prezența aproape omniprezentă a reproducerii sexuale, combinată cu recombinarea genetică, promovează, de asemenea, unicitatea între indivizi.

Cicluri de viață de reproducere sexuală

Există trei tipuri de cicluri de viață, în funcție de ploidie, un multiplu al numărului de cromozomi dintr-o celulă:

• ciclul de viață haplontic
• ciclul de viață diplontic
• ciclul de viață diplobiontic (denumit și ciclu de viață diplohaplontic, haplodiplontic sau dibiontic)

Aceste trei tipuri de cicluri prezintă o alternanță de faze haploide (n) și diploide (2n).

Organismul haploid devine diploid prin fecundare, cu unirea gameților. Aceasta are ca rezultat un zigot diploid. Pentru a reveni la un stadiu haploid, trebuie să aibă loc meioza.

Ciclurile diferă în ceea ce privește produsul meiozei și dacă are loc sau nu mitoza (creșterea). Meiioza zigotică și cea gametică au un singur stadiu mitotic și se formează în timpul fazei n în cazul meiozei zigotice și în timpul fazei 2n în cazul meiozei gametice. Prin urmare, meiozele zigotică și gametică sunt denumite colectiv haplobionte (o singură meioză pe fază). Meioza sporică, pe de altă parte, are două evenimente de meioză (diplobiontică): unul în fiecare fază.

Ciclul de viață diplontic

Meioza gametică

În meioza gametică, zigotul diploid suferă mitoza pentru a produce un individ diploid multicelular sau un grup de mai multe celule diploide. Celulele din indivizii diploizi suferă apoi meioză pentru a produce gameți haploizi.

Gameții haploizi nu suferă mitoză și nu se dezvoltă într-un organism haploid mai mare. Mai degrabă, gameții haploizi fuzionează și produc zigotul diploid cu gameți de tip opus.

În întregul ciclu, gameții sunt singurele celule haploide; mitoza are loc numai în faza diploidă.

Individul pluricelular diploid este un diplont, de aceea o meioză gametică se mai numește și ciclu de viață diplontic. Diplonții includ:

• Animale
• Câteva alge brune

Ciclul de viață haplontic

Meioza zigotă

Mioza zigotă este o meioză a unui zigot diploid imediat după cariogamie, fuziunea a două nuclee celulare. În acest fel, organismul își încheie faza diploidă și produce mai multe celule haploide. Aceste celule suferă mitoză (se divid mitotic) pentru a forma fie indivizi mai mari, pluricelulare, fie mai multe celule haploide. Două tipuri opuse de gameți (de exemplu, mascul și femelă) din acești indivizi sau celule fuzionează pentru a deveni un zigot diploid.

În întregul ciclu, zigotul este singura celulă diploidă; mitoza are loc numai în faza haploidă.

Indivizii sau celulele în urma mitozei sunt haplonți, de aceea acest ciclu de viață se mai numește și ciclu de viață haplontic. Haplonții sunt:

• Toate ciupercile
• Câteva alge verzi
• Multe protozoare

Ciclul de viață diplogonic

Meioza sporică

Alternanță de generații

În meioza sporică, cunoscută și sub denumirea de meioză intermediară, apar mitoze atât în faza diploidă, cât și în faza haploidă. Organismul prezintă alternanță de generații, care prezintă sporofite multicelulare producătoare de spori (care sunt diploide) și gametofite multicelulare producătoare de gameți (care sunt haploide). Schematic, meioza sporică arată ca și cum jumătățile complexe ale meiozei gametice și ale meiozei zigotice sunt contopite într-una singură.

Acest tip de ciclu este diplobiontic (cunoscut și sub numele de diplohaplontic, haplodiplontic sau dibiontic).

Mioza sporică apare la plante și la multe alge. Având indivizi pluricelulare în ambele faze înseamnă că, pentru unele alge marine, este dificil de determinat dacă un specimen macroscopic este gametofit sau sporofit dacă nu este observat la microscop, acest lucru se numește izogamie. Cu toate acestea, nu toate speciile cu meioză sporică au atât generații mari de gametofite, cât și de sporofite. Tendința la plantele superioare este de a avea gametofite mai mici care sunt mai dependente și parazite de sporofite, fenomen cunoscut sub numele de heterogamie.

Ciclul de viață al reproducerii asexuate

În cazul reproducerii asexuate, ciclul de viață este complet într-o singură generație, în care un individ moștenește toți cromozomii de la un singur părinte și este identic din punct de vedere genetic cu părinții săi. Procariotele, cum ar fi bacteriile, suferă fisiune binară, în care fiecare celulă se împarte în două pentru a forma două celule cu ADN identic cu cel al celulei inițiale. Pentru ca celula originală să se dividă, cromozomul procariot care este o singură moleculă de ADN trebuie mai întâi să se reproducă și apoi să se atașeze la o parte diferită a membranei celulare. Majoritatea protiștilor, eucariote unicelulare, se reproduc, de asemenea, asexuat, cu excepția cazului în care, în condiții de stres, se reproduc sexual.

Fisiunea binară

Fisiunea binară este forma de reproducere asexuată folosită de majoritatea procariotelor pentru a se reproduce. Acest proces are ca rezultat reproducerea unei celule vii prin diviziunea în două părți egale sau aproape egale.

Fisiunea binară începe atunci când are loc replicarea ADN-ului. Fiecare catenă circulară de ADN se atașează apoi de membrana celulară. Celula se alungește, determinând separarea celor doi cromozomi. Membrana celulară se invaginează apoi (crește spre interior) și împarte celula în două celule fiice printr-un proces numit citochineză.

Organismele care se reproduc prin fisiune binară cresc în general exponențial.

Acest tip de reproducere asexuată rezultă în mod normal în două celule identice. Cu toate acestea, ADN-ul bacterian are o rată de mutație relativ mare. Această rată rapidă de schimbare genetică este ceea ce face ca bacteriile să fie capabile să dezvolte rezistență la antibiotice și le ajută să exploateze invazia într-o gamă largă de medii.

Diferite eucariote unicelulare se reproduc, de asemenea, prin divizarea celulei inițiale în două celule, deși acest lucru implică mitoza și citochineza asemănătoare cu celulele unui organism eucariot multicelular. În timp ce, din punct de vedere istoric, aceste diviziuni unicelulare eucariote au fost denumite în literatura de specialitate „fisiune binară”, acest termen este astăzi adesea rezervat reproducerii procariote, care nu implică mitoza, deoarece acestea nu au un nucleu delimitat de membrană. Printre eucariotele care se reproduc prin divizarea celulei inițiale în două se numără

• Majoritatea protitelor (de ex, Amoeba proteus)
• Entamoeba histolytica (un protozoar care este un parazit intestinal uman)
• Pyrodictium abyssi (o arhaea hipertermofilă anaerobă din fântânile hidrotermale de mare adâncime)
• Schizosaccharomyces pombe (un organism fungic care este o specie de drojdie)

În plus, mitocondriile și cloroplastele celulelor eucariote se divid, de asemenea, prin fisiune binară.

Multe organisme pluricelulare au, de asemenea, capacitatea de a se reproduce asexuat. Multe astfel de organisme vor înmuguri un grup localizat de celule, care apoi se dezvoltă prin mitoză pentru a forma un nou individ. Animalele, cum ar fi bureții, se pot reproduce prin fragmentarea corpului lor. Multe plante au, de asemenea, capacitatea de a se reproduce asexuat.

Alternanță de generații

Ciclul de viață sporic sau diplohaplontic. Un sporofit diploid (2n) suferă o meioză pentru a produce celule reproducătoare haploide (1n), adesea numite spori. Celulele haploide sunt supuse mitozei pentru a produce un gametofit. Gametofitul produce gameți haploizi care fuzionează pentru a forma un sporofit zigot diploid.

Alternarea generațiilor este un termen aplicat unui ciclu de reproducere (un ciclu de viață diplobiontic) al anumitor plante vasculare, ciuperci și protiști. Termenul este un pic confuz pentru persoanele familiarizate doar cu ciclul de viață al unui animal tipic. O denumire mai ușor de înțeles ar fi „alternanța fazelor unei singure generații”, deoarece, de obicei, considerăm că o generație a unei specii cuprinde un ciclu de viață complet. Ciclul de viață al organismelor cu „alternanță de generații” se caracterizează prin faptul că fiecare fază constă într-unul dintre cele două organisme separate, cu viață liberă: un gametofit (talus sau plantă), care este genetic haploid, și un sporofit (talus sau plantă), care este genetic diploid.

O plantă haploidă din generația gametofit produce gameți prin mitoză. Doi gameți (proveniți din organisme diferite din aceeași specie sau din același organism) se combină pentru a produce un zigot, care se dezvoltă într-o plantă diploidă din generația sporofită. Acest sporofit produce spori prin meioză, care germinează și se dezvoltă într-un gametofit al generației următoare. Acest ciclu, de la gametofit la gametofit, este modul în care plantele și multe alge se reproduc pe cale sexuală.

Distincții

Partea inferioară a unei frunze de Dicksonia Antarctica care arată sori, sau structurile care țin sporii.

Distincția de „viață liberă” este importantă, deoarece toate organismele care se reproduc sexual pot fi considerate ca implicând faze alternante, cel puțin la nivel celular, ca meioză. Cu toate acestea, nu toți biologii sunt de acord. Se afirmă adesea că alternanța generațiilor se referă la faptul că atât stadiile diploide, cât și cele haploide sunt „multicelulare” și că acest lucru este mai important decât „free-living” (Taylor T.N. et al. 2005). O astfel de distincție schimbă conceptul în unul care separă animalele și plantele.

Toate plantele au stadii sporofite diploide și gametofite haploide care sunt multicelulare, iar diferențele dintre grupurile de plante constau în dimensiunile relative, formele și abilitățile trofice ale formelor gametofite sau sporofite, precum și nivelul de diferențiere în gametofite. Un exemplu ar fi compararea polenului și a ovulelor cu talii gametofitelor bisexuate.

Biologii recunosc două categorii de alternanță: prima dacă formele de sporofit și gametofit sunt mai mult sau mai puțin identice, alternanța se numește izomorfă; și a doua dacă formele au înfățișări foarte diferite, alternanța se numește heteromorfă. După cum s-a menționat mai sus, termenii aplicați acestui tip de ciclu de viață sunt numiți în mod diferit diplobiontic, diplohaplontic, haplodiplontic sau dibiontic.

Heterogamia este un termen folosit pentru a descrie alternanța între fazele partenogene și cele de reproducere sexuală care apare la unele nevertebrate și vertebrate. Deși, din punct de vedere conceptual, este similară cu „alternanța generațiilor”, genetica heterogamiei este semnificativ diferită.

Fungi

Miceliile fungice sunt de obicei haploide. Atunci când miceliile de tipuri de împerechere diferite se întâlnesc, ele produc două celule multinucleate în formă de bilă, care se unesc prin intermediul unei „punți de împerechere”. Nucleii se deplasează de la un miceliu la celălalt, formând un heterocarion (ceea ce înseamnă „nuclee diferite”). Acest proces se numește plasmogamie. Fuziunea efectivă pentru a forma nuclee diploide se numește cariogamie și este posibil să nu aibă loc până la formarea sporangiei. Karogamia produce un zigot diploid, care este un sporofit de scurtă durată care, în scurt timp, trece prin meioză pentru a forma spori haploizi. Când sporii germinează, se dezvoltă în noi micelii.

Protiștii

Câteva protiste suferă o alternanță de generații, inclusiv mucegaiurile de noroi, foraminiferele și multe alge marine.

Ciclul de viață al mucegaiurilor de noroi este foarte asemănător cu cel al ciupercilor. Sporii haploizi germinează pentru a forma celule de roi sau myxamoebae. Acestea fuzionează în cadrul unui proces denumit plasmogamie și cariogamie pentru a forma un zigot diploid. Zigotul se dezvoltă într-un plasmodiu, iar plasmodiul matur produce, în funcție de specie, de la unul până la mai multe corpuri fructifere care conțin spori haploizi.

Foraminiferele suferă o alternanță heteromorfă de generații între o fază haploidă gamont și o fază diploidă agamont. Organismul unicelular haploid este, de obicei, mult mai mare decât organismul diploid.

Alternanța de generații are loc la aproape toate algele marine. La majoritatea algelor roșii, la multe alge verzi și la câteva alge brune, fazele sunt izomorfe și de viață liberă. Unele specii de alge roșii au o alternanță trifazică complexă a generațiilor. Kelp sunt un exemplu de alge brune cu o alternanță heteromorfă a generațiilor. Speciile din genul Laminaria au un thallus sporofit mare care produce spori haploizi care germinează pentru a produce gametofite microscopice masculine și feminine care trăiesc liber.

Plante

Plante nevasculare

Gametofitul hepatofitelor

Plantele netrahetofite, inclusiv hepatofitele, cornutele și mușchii, suferă o alternanță de generații; generația gametofită este cea mai frecventă. Gametofitul haploid produce gameți haploizi în gametangii multicelulare. Gametangia feminină se numește archegonium și produce ouă, în timp ce structurile masculine numite anteridium produc spermatozoizi. Este nevoie de apă pentru ca spermatozoizii să poată înota până la archegonium, unde ouăle sunt fertilizate pentru a forma zigotul diploid. Zigotul se dezvoltă într-un sporofit care este dependent de gametofitul părinte. Sporofitele mature produc spori haploizi prin meioză în sporangii. Când un spor germinează, el se dezvoltă într-un alt gametofit.

Plante vasculare

Diagrama alternanței generațiilor la ferigi.

Ferigile și aliații lor, inclusiv clubmoss și coada-calului, se reproduc printr-o alterare a generațiilor. Planta vizibilă observată pe teren este sporofitul diploid. Această plantă creează prin meioză spori unicelulari haploizi, care sunt împrăștiați și dispersați de vânt (sau, în unele cazuri, prin plutirea pe apă). Dacă condițiile sunt favorabile, un spor va germina și va crește într-un corp vegetal destul de puțin vizibil, numit prothallus.

Protalul haploid nu seamănă cu sporofitul și, ca atare, ferigile și aliații lor au o alternanță heteromorfă a generațiilor. Prothallus este de scurtă durată, dar realizează reproducerea sexuată, producând zigotul diploid care apoi crește din prothallus ca sporofit.

Reproducerea mamiferelor și ciclul de viață timpuriu

La mamiferele placentare, puii se nasc ca tineri: animale complete, cu organele sexuale prezente, deși nefuncționale. După câteva luni sau ani, organele sexuale se dezvoltă în continuare până la maturitate, iar animalul devine matur din punct de vedere sexual. Majoritatea mamiferelor femele sunt fertile doar în anumite perioade, iar în acele perioade se spune că sunt „în călduri”. În acest moment, animalul este pregătit să se împerecheze. Mamiferele masculi și femele individuale se întâlnesc și realizează copulația.

Gestația, numită sarcină la om, este perioada de timp în care fătul se dezvoltă, divizându-se prin mitoză în interiorul femelei. În această perioadă, fătul primește toată nutriția și sângele oxigenat de la femelă, filtrat prin placentă, care este atașată de abdomenul fătului prin intermediul unui cordon ombilical. Odată ce fătul este suficient de dezvoltat, semnalele chimice declanșează procesul de naștere. Nou-născutul, care la om se numește sugar, ar trebui de obicei să înceapă să respire singur la scurt timp după naștere.

La monotreme, femelele depun ouă. Ele țin ouăle în interior timp de câteva săptămâni, asigurându-le nutrienți, apoi le depun și le acoperă ca păsările. După mai puțin de două săptămâni, puiul eclozează și se târăște în punga mamei sale, la fel ca la marsupiali, unde se îngrijește timp de câteva săptămâni, pe măsură ce crește.

Marsupialele se reproduc în esență în același mod, deși puii lor se nasc într-un stadiu de dezvoltare mult mai timpuriu decât alte mamifere. După naștere, puii de marsupial se târăsc în punga mamei lor și se atașează de o tetină, unde primesc hrană și își termină dezvoltarea în animale autosuficiente.

Teoria istoriei vieții

În biologia animală și umană, teoria istoriei vieții este o metodă de înțelegere a comportamentelor și strategiilor evoluate pentru a optimiza succesul reproductiv.

Teoria istoriei vieții este un cadru analitic utilizat pe scară largă în biologie, psihologie și antropologie evoluționistă, care postulează că multe dintre trăsăturile fiziologice și comportamentele indivizilor pot fi cel mai bine înțelese în termeni de caracteristici cheie de maturitate și de reproducere care definesc cursul vieții.

Exemplele acestor caracteristici includ:

• Vârsta la înțărcare
• Vârsta maturității sexuale sau a pubertății
• Dimensiunea corporală a adultului
• Schemele de mortalitate specifice vârstei
• Fecunditatea specifică vârstei
• Timp până la prima activitate sexuală sau împerechere
• .
• Timp până la prima reproducere
• Durata gestației
• Dimensiunea puilor
• Intervalul dintre nașteri

Variațiile în aceste caracteristici reflectă alocări diferite ale resurselor unui individ (i.e., timp, efort și cheltuieli energetice) pentru funcțiile de viață concurente, în special creșterea, întreținerea corpului și reproducerea. Pentru orice individ dat, resursele disponibile în orice mediu particular sunt finite. Timpul, efortul și energia utilizate pentru un scop diminuează timpul, efortul și energia disponibile pentru un alt scop. De exemplu, resursele cheltuite pentru a crește până la o dimensiune corporală mai mare nu pot fi cheltuite pentru a crește numărul de descendenți. În termeni generali, costurile reproducerii pot fi plătite în termeni de energie deturnată de la repararea și întreținerea corpului și prin reducerea investițiilor în competența imunologică.

• Dettmering, C., et al. 1998. Ciclul de viață trimorfic la foraminifere: Observațiile din culturi permit o nouă evaluare. European Journal of Protistology 34:363-368.
• Graham, L., J. Graham, and L. Wilcox. 2003. Biologie vegetală. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education.
• Raven, P. H., și G. B. Johnson. 1996. Biologie. Dubuque, IA: Wn.C. Brown Publishers.
• Roff, D. 1992. The Evolution of Life Histories (Evoluția istoriei vieții): Teorie și analiză. New York: Chapman & Hall.
• Stearns, S. 1992. The Evolution of Life Histories. Oxford, Anglia: 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.