SEXUELLE FORTPFLANZUNG: MERKMALE, TYPEN, PFLANZEN, TIERE - BIOLOGIE - 2025

Die sexuelle Fortpflanzung ist die Vermehrung von Individuen aus zwei Elternteilen unterschiedlichen Geschlechts: männlich und weiblich - außer wenn es sich um die sexuelle Fortpflanzung bei Bakterien oder Protozoen handelt, bei denen es keinen Unterschied zwischen den Geschlechtern gibt. Es ist ein weit verbreiteter Prozess in eukaryotischen Organismen.

Jedes Individuum, das an der sexuellen Fortpflanzung teilnimmt, produziert eine Art spezialisierter Keimbahnzellen: Sperma und Eier. Diese werden durch eine Art spezialisierte Zellteilung verursacht, die als Meiose bezeichnet wird. Dieses Ereignis ist der entscheidende Unterschied zwischen asexueller und sexueller Fortpflanzung.

Quelle: Von Manojiritty, aus Wikimedia Commons

Der Prozess beginnt mit der Vereinigung zweier Gameten, aus denen eine Zygote entsteht. Später bringt die Zygote ein neues Individuum hervor, das Merkmale beider Elternteile und bestimmte einzigartige Merkmale aufweist.

Aufgrund der Allgegenwart des Prozesses schließen wir, dass die sexuelle Fortpflanzung eine Reihe von Vorteilen gegenüber der asexuellen Fortpflanzung mit sich bringt. Die möglichen Nachteile der sexuellen Fortpflanzung sind jedoch deutlicher zu spüren: die Zeit und Energie, die in die Suche nach Partnern investiert werden, die Konkurrenz um Frauen, die Produktionskosten für Gameten, die nicht befruchtet werden, unter anderem.

Die Kosten scheinen sehr hoch zu sein, daher müssen sie erhebliche Vorteile haben, um sie auszugleichen. Die Vorteile der sexuellen Fortpflanzung waren Gegenstand von Kontroversen und Debatten unter Evolutionsbiologen.

Eine Hypothese legt nahe, dass die sexuelle Fortpflanzung von Vorteil ist, da sie Sorten hervorbringt, die in Zeiten von Umweltveränderungen für die Art von Vorteil sein könnten. Tatsächlich ist die Erzeugung genetischer Variabilität einer der Vorteile, die dem Geschlecht zugeschrieben werden.

Andererseits schlagen einige Forscher vor, dass die sexuelle Reproduktion, insbesondere die Rekombination, als DNA-Reparaturmechanismus ausgewählt wurde. Die Prävalenz des Geschlechts ist jedoch trotz seiner Kosten noch unbekannt.

Allgemeine Charakteristiken

Sex ist ein komplexes Phänomen, das bei eukaryotischen Taxa sehr unterschiedlich ist. Im Allgemeinen können wir es als einen Prozess verstehen, der drei Schritte umfasst: die Fusion zweier haploider Kerne, das Phänomen der Rekombination, das neue Genotypen hervorbringt, und die Teilung diploider Zellen zur Bildung haploider Kerne.

Unter diesem Gesichtspunkt hängt das Geschlecht bei Eukaryoten von einem Lebenszyklus ab, in dem sich diploide Zellen durch Meiose teilen müssen. Dieser meiotische Teilungsprozess ist für die Verteilung des genetischen Materials zukünftiger Gameten verantwortlich.

Meiose zielt darauf ab, homologe Chromosomen so zu trennen, dass jeder Gamet die Hälfte der somatischen Chromosomen besitzt. Neben der Verringerung der genetischen Belastung findet bei der Meiose auch der Materialaustausch zwischen Nicht-Schwesterchromatiden statt, wodurch völlig neue Kombinationen entstehen.

Gameten

Gameten sind die Geschlechtszellen von Organismen, die durch Meiose erzeugt werden und die Hälfte der genetischen Belastung enthalten, dh sie sind haploide.

Gameten variieren sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren und werden je nach Größe und relativer Mobilität in drei grundlegende Kategorien eingeteilt: Isogamie, Anisogamie und Oogamie.

Isogamie ist eine Form der sexuellen Fortpflanzung, bei der die Gameten, die zur Entstehung des neuen Individuums verschmelzen, in Größe, Mobilität und Struktur identisch sind. Isogamie ist hauptsächlich in Pflanzen vertreten.

Im Gegensatz dazu besteht Anisogamie aus der Vereinigung zweier Gameten, die sich in Größe und Struktur unterscheiden. Eine besondere Art der Anisogamie ist die Oogamie, bei der die männlichen Gameten relativ klein und zahlreich sind. Die weiblichen sind viel auffälliger und werden in weniger Stückzahlen produziert.

Sexuelle Fortpflanzung bei Tieren

Im Tierreich ist die sexuelle Fortpflanzung ein weit verbreitetes Phänomen unter den Gruppenmitgliedern.

Fast alle Wirbellosen und Wirbeltiere besitzen die Geschlechter in getrennten Organismen - das heißt, wir können ein männliches und ein weibliches Individuum in einer Art unterscheiden. Dieser Zustand wird zweihäusig genannt, ein Begriff, der von den griechischen Wurzeln „zwei Häuser“ abgeleitet ist.

Im Gegensatz dazu gibt es einige weniger zahlreiche Arten, deren Geschlecht in demselben Individuum vorkommt, das als einhäusig bezeichnet wird: „ein Haus“. Diese Tiere sind auch als Hermaphroditen bekannt.

Die Unterscheidung zwischen den Geschlechtern wird nicht durch morphologische Merkmale der Größe oder Färbung gegeben, sondern durch die Art der Gameten, die jedes Geschlecht produziert.

Die Weibchen produzieren die Eizellen, die sich durch ihre Größe und ihre Unbeweglichkeit auszeichnen. Spermien hingegen werden von Männern in größerer Menge produziert, sind viel kleiner und haben spezielle Strukturen, um die Eizelle zu bewegen und zu befruchten.

Als nächstes werden wir die typischen Geschlechtsorgane von Tieren beschreiben und dann den Fortpflanzungsprozess in jeder Tiergruppe detailliert beschreiben.

Mit der Reproduktion verbundene Strukturen

Die spezialisierten Zellen für die sexuelle Fortpflanzung - Eier und Spermien - werden in bestimmten Geweben produziert, die als Gonaden bezeichnet werden.

Bei Männern sind die Hoden für die Produktion von Spermien verantwortlich, während die weiblichen Gameten in den Eierstöcken gebildet werden.

Die Gonaden gelten als die primären Geschlechtsorgane. Zusätzliche Geschlechtsorgane sind in einer wichtigen Gruppe von Metazoen vorhanden, die für die Aufnahme und Übertragung von Eiern und Spermien verantwortlich sind. Bei Frauen finden wir die Vagina, die Uterusröhren oder Eileiter und die Gebärmutter, während bei Männern der Penis ist.

Poriferous

Porifere sind allgemein als Schwämme bekannt und können sich sowohl sexuell als auch asexuell vermehren. Bei den meisten Arten erfolgt die Produktion von männlichen und weiblichen Gameten bei einem einzelnen Individuum.

Choanozyten sind ein besonderer Zelltyp dieser Linie, der sich in Spermien verwandeln kann. In anderen Gruppen können die Gameten aus Archäozyten stammen.

Viele Arten sind vivipar, was darauf hinweist, dass die Zygote nach dem Befruchtungsphänomen vom Elternorganismus zurückgehalten wird, bis eine Larve freigesetzt wird. Bei diesen Arten wird das Sperma ins Wasser freigesetzt und von einem anderen Schwamm aufgenommen.

Nesseltiere

Nesseltiere sind Meeresorganismen, zu denen Quallen und dergleichen gehören. Diese Tiere haben zwei Morphologien: Die erste ist der Polyp und zeichnet sich durch einen sitzenden Lebensstil aus, während die zweite die Qualle ist, die sich bewegen und schwimmen kann.

Polypen vermehren sich im Allgemeinen ungeschlechtlich durch Knospungs- oder Spaltprozesse. Die Qualle ist zweihäusig und vermehrt sich sexuell. Der Lebenszyklus in dieser Gruppe ist sehr unterschiedlich.

Acelomorphs und Plattwürmer

Plattwürmer wie Planarier sind in erster Linie für ihre Fähigkeit bekannt, mehrere Klone ungeschlechtlich von einem einzelnen Individuum zu regenerieren und zu produzieren.

Die meisten dieser vermiformen Tiere sind einhäusig. Sie suchen jedoch einen Partner für die gegenseitige Befruchtung.

Das männliche Fortpflanzungssystem umfasst mehrere Hoden und eine papillenartige Struktur, die den Penissen komplexer Wirbeltiere ähnelt.

Mollusken und Ringelblumen

Die meisten Mollusken sind zweihäusig und ihre Fortpflanzung führt zu einer frei schwimmenden Larve namens Trocófera (sehr ähnlich den in Anneliden vorhandenen Larven), die je nach Art der Mollusken variiert.

In ähnlicher Weise haben Anneliden unterschiedliche Geschlechter und in einigen Gonaden, die vorübergehend auftreten.

Arthropoden

Arthropoden sind eine äußerst vielfältige Tiergruppe, die durch ein Exoskelett aus Chitin und Gelenkanhängen gekennzeichnet ist. Diese Linie umfasst die Myriapoden, Chelicerate, Krebstiere und Hexapoden.

Die Geschlechter sind in der Regel getrennt, die auf Fortpflanzung spezialisierten Organe treten paarweise auf. Die meisten Arten haben eine innere Befruchtung. Sie können ovipar, ovovivipar oder vivipar sein.

Stachelhäuter

Stachelhäuter umfassen Seesterne, Seegurken, Seeigel und dergleichen. Obwohl es einige zwittrige Arten gibt, zeichnen sich die meisten durch unterschiedliche Geschlechter aus. Die Gonaden sind große Strukturen, die Kanäle sind einfach und es gibt keine ausgeklügelten Kopulationsorgane.

Die Befruchtung erfolgt von außen und es entsteht eine bilaterale Larve, die sich im Gewässer frei bewegen kann. Einige Arten haben eine direkte Entwicklung.

Akkordaten

Die meisten Geschlechter sind getrennt. In dieser Gruppe finden wir komplexere Organe für die Fortpflanzung. Jedes Geschlecht hat Gonaden mit Kanälen, die die Produkte davon zu einer Kloake oder zu einer speziellen Öffnung in der Nähe des Anus leiten. Die Befruchtung kann je nach Gruppe äußerlich oder innerlich erfolgen.

Parthenogenese bei Tieren

Parthenogenese ist ein im Tierreich weit verbreitetes Phänomen, hauptsächlich bei Wirbellosen und einigen Wirbeltieren, das die Erzeugung eines neuen Individuums mit einem einzigen Elternteil ermöglicht. Obwohl es sich um eine Form der asexuellen Fortpflanzung handelt, werden bestimmte Arten der Parthenogenese als Arten der sexuellen Fortpflanzung angesehen.

Bei der meiotischen Parthenogenese wird ein Ei durch Meiose gebildet und kann durch Sperma eines Mannes befruchtet werden oder nicht.

In einigen Fällen müssen die Eier vom männlichen Sex-Gameten aktiviert werden. In diesem Fall findet keine Fusion beider Kerne statt, da das genetische Material aus den Spermien verworfen wird.

Bei einigen Arten kann sich die Eizelle jedoch spontan entwickeln, ohne dass ein Aktivierungsprozess erforderlich ist.

Sexuelle Fortpflanzung in Pflanzen

Analog zu Tieren können sich Pflanzen sexuell vermehren. Es besteht aus der Vereinigung zweier haploider Gameten, aus denen ein neues Individuum mit einzigartigen genetischen Eigenschaften hervorgeht.

Die Pflanze kann die männlichen und weiblichen Organe in einem Individuum haben oder sie können getrennt werden. Bei Gurke und Milch sind die Geschlechter getrennt, während bei Rosen und Petunien die Geschlechter zusammen sind.

Die Blume

Das Organ, das für die Prozesse der sexuellen Fortpflanzung verantwortlich ist, sind die Blumen. Diese spezialisierten Strukturen haben Regionen, die nicht direkt an der Fortpflanzung beteiligt sind: Kelch und Krone, und sexuell aktive Strukturen: Androecium und Gynoecium.

Das Androecium ist das männliche Fortpflanzungsorgan, das aus einem Staubblatt besteht, das wiederum in ein Filament und ein Staubbeutel unterteilt ist. Diese letzte Region ist für die Produktion von Pollenkörnern verantwortlich.

Das Gynäkium ist das weibliche Blütenorgan und besteht aus Einheiten, die als Fruchtblätter bezeichnet werden. Die Struktur ähnelt einem länglichen „Tropfen“ und ist in das Stigma, den Stil und schließlich den Eierstock unterteilt.

Bestäubung

Der Prozess der sexuellen Fortpflanzung in Pflanzen erfolgt hauptsächlich durch Bestäubung, die aus dem Transport von Pollenkörnern vom Staubbeutel zum Stigma besteht.

Die Bestäubung kann in derselben Blüte erfolgen (die Pollenkörner gehen zum weiblichen Organ derselben Pflanze) oder sie kann gekreuzt sein, wobei die Pollenkörner ein anderes Individuum befruchten.

In den meisten Pflanzen ist die Intervention eines Tieres erforderlich, um die Bestäubung durchzuführen. Dies können wirbellose Tiere wie Bienen oder andere Insekten oder Wirbeltiere wie Vögel und Fledermäuse sein. Die Pflanze bietet dem Bestäuber den Nektar als Belohnung an und sie sind für die Verteilung des Pollens verantwortlich.

Die floralen Strukturen, die nicht direkt an der Fortpflanzung beteiligt sind, sind die Krone und der Kelch. Dies sind modifizierte Blätter, in vielen Fällen mit hellen und lebendigen Farben, die für die visuelle oder chemische Anziehung des potenziellen Bestäubers verantwortlich sind.

In ähnlicher Weise benötigen einige Pflanzen keine tierischen Bestäuber und verwenden Wind oder Wasser, um Pollen zu verteilen.

Düngung, Samen und Früchte

Der Prozess beginnt mit dem Eintreffen der Pollenkörner im Stigma der Blume. Diese reisen stilvoll, bis sie den Eierstock finden.

Doppelte Befruchtung ist typisch für Blütenpflanzen und einzigartig unter allen Organismen. Das Phänomen tritt wie folgt auf: Ein Kern eines Spermas verbindet sich mit einer Eizelle und ein anderer Kern von Spermien verschmilzt mit einem diploiden Embryo des Sporophyten.

Das Ergebnis dieses ungewöhnlichen Befruchtungsereignisses ist ein trioploides Endosperm, das als Nährgewebe für die Entwicklung des Organismus dient. Sobald die Eizellen erfolgreich gereift sind, verwandeln sie sich in Samen. Die Frucht hingegen wird von den reifen Eierstöcken gebildet.

Die Frucht kann als einfach eingestuft werden, wenn sie aus einem reifen Eierstock stammt, und hinzugefügt werden, wenn sie sich aus mehreren Eierstöcken entwickelt, wie zum Beispiel der Erdbeere.

Sexuelle Fortpflanzung bei Bakterien

Bakterien sind vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, sich ungeschlechtlich zu vermehren.

In dieser prokaryotischen Linie kann sich ein Individuum durch einen Prozess, der als binäre Spaltung bezeichnet wird, in zwei Teile teilen. Es gibt jedoch eine Reihe von Mechanismen in Bakterien, die an die sexuelle Fortpflanzung erinnern, da ein Austausch von genetischem Material stattfindet.

Bis Mitte der 1940er Jahre glaubte man, dass sich Bakterien ausschließlich ungeschlechtlich vermehrten. Die Forscher Joshua Lederberg und Edward Tatum widerlegten diesen Glauben jedoch durch ein geniales Experiment unter Verwendung der E. coli-Bakterien mit unterschiedlichen Ernährungsbedürfnissen als Modell.

Das Experiment bestand aus einem Stamm A, der in Minimalmedium mit Methionin und Biotin wuchs, und einem Stamm B, der nur in Umgebungen mit Threonin, Leucin und Thiamin wuchs. Mit anderen Worten, jeder Stamm trug eine Mutation, die ihn daran hinderte, diese Verbindungen zu synthetisieren, weshalb sie im Kulturmedium synthetisiert werden mussten.

Wenn die Kolonien einige Stunden in Kontakt waren, erwarben die Individuen die Fähigkeit, Nährstoffe zu synthetisieren, die sie zuvor nicht konnten. So zeigten Lederberg und Tatum, dass es einen DNA-Austauschprozess ähnlich der sexuellen Reproduktion gab, und nannten ihn Konjugation.

Konjugation

Der Konjugationsprozess erfolgt über eine brückenartige Struktur, die als sexuelle Pili bezeichnet wird und zwei Bakterien physikalisch zusammenhält und ihnen den Austausch von DNA ermöglicht.

Da Bakterien keinen sexuellen Dimorphismus haben, können wir nicht von Männern und Frauen sprechen. Allerdings kann nur ein Typ Pili produzieren, und sie haben spezielle DNA-Fragmente, die als Faktor F bezeichnet werden, für "Fruchtbarkeit". Faktor F besitzt die Gene für die Pili-Produktion.

Die am Austausch beteiligte DNA ist nicht Teil des einzelnen Bakterienchromosoms. Stattdessen handelt es sich um einen isolierten kreisförmigen Teil, der als Plasmid bezeichnet wird und über ein eigenes Replikationssystem verfügt.

Transformation

Zusätzlich zur Konjugation gibt es andere Prozesse, bei denen die Bakterien zusätzliche DNA erhalten können und sich dadurch auszeichnen, dass sie einfacher als die Konjugation sind. Eine davon ist die Transformation, bei der nackte DNA aus der äußeren Umgebung entnommen wird. Dieses exogene DNA-Fragment kann in das Bakterienchromosom integriert werden.

Der Transformationsmechanismus tritt in das Konzept der sexuellen Reproduktion ein. Obwohl die Bakterien freie DNA nahmen, musste dieses genetische Material von einem anderen Organismus stammen - zum Beispiel einem Bakterium, das starb und seine DNA an die Umwelt abgab.

Transduktion

Der dritte und letzte bekannte Mechanismus in Bakterien, um fremde DNA zu erhalten, ist die Transduktion. Dies impliziert die Beteiligung eines Virus, das Bakterien infiziert: Bakteriophagen.

Bei der Transduktion nimmt ein Virus einen Teil der bakteriellen DNA auf, und wenn es ein Bakterium infiziert, kann ein Unterschied dieses Fragment an dieses übertragen. Einige Autoren verwenden den Begriff "parasexuelle Ereignisse", um sich auf diese drei Mechanismen zu beziehen.

Evolutionsperspektive

Die Allgegenwart der sexuellen Fortpflanzung in Organismen ist eine bemerkenswerte Tatsache. Eine der größten Fragen in der Evolutionsbiologie ist daher, warum Sex über so viele Abstammungslinien verteilt ist, wenn es sich um eine energetisch teure Aktivität handelt - und in einigen Fällen sogar um eine gefährliche.

Es wird vermutet, dass die selektiven Kräfte, die die sexuelle Fortpflanzung bei Eukaryoten ausgelöst haben, dieselben sind, die die für Bakterien beschriebenen parasexuellen Prozesse aufrechterhalten.

Sexkosten

Im Lichte der Evolution bezieht sich der Begriff "Erfolg" auf die Fähigkeit eines Individuums, seine Gene an die nächste Generation weiterzugeben. Paradoxerweise ist Sex ein Prozess, der diese Definition nicht vollständig erfüllt, da eine Reihe von Kosten mit der Fortpflanzung verbunden sind.

Bei der sexuellen Fortpflanzung muss ein Partner gefunden werden. In den meisten Fällen ist diese Aufgabe nicht trivial. In dieses Unterfangen muss enorm viel Zeit und Energie investiert werden, um den Erfolg der Nachkommen zu bestimmen - im Hinblick auf die Suche nach dem "idealen Partner".

Die Tiere zeigen eine Reihe von Ritualen, um ihre potenziellen Partner zu werben, und in einigen Fällen müssen sie kämpfen, um ihr eigenes Leben freizulegen, um eine Kopulation zu erreichen.

Selbst auf zellulärer Ebene ist Sex teuer, da die Teilung durch Meiose viel länger dauert als die Mitose. Warum vermehren sich die meisten Eukaryoten sexuell?

Es gibt zwei grundlegende Theorien. Eine bezieht sich auf die Zellfusion als Mechanismus für die horizontale Übertragung eines "selbstsüchtigen" genetischen Elements, während die zweite Theorie die Rekombination als DNA-Reparaturmechanismus vorschlägt. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile jeder Theorie beschrieben:

Sex Vorteile

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns auf die möglichen Vorteile der sexuellen Fortpflanzung bei den ersten Eukaryoten konzentrieren.

Die Fusion von Gameten zu einer Zygote führt zu einer Kombination von zwei verschiedenen Genomen, die in der Lage sind, mögliche defekte Gene in einem Genom mit einer normalen Kopie des anderen zu kompensieren.

Beim Menschen erben wir beispielsweise eine Kopie von jedem Elternteil. Wenn wir ein defektes Gen von unserer Mutter erben, kann das normale Gen von unserem Vater dies kompensieren (in einem solchen Fall, dass sich die Pathologie oder Krankheit nur als homozygot rezessiv darstellt).

Eine zweite Theorie - nicht so intuitiv wie die erste - schlägt vor, dass Meiose als Reparaturmechanismus in der DNA wirkt. Schäden an genetischem Material sind ein Problem, mit dem alle Organismen konfrontiert sein müssen. Es gibt jedoch Organismen, die sich nur ungeschlechtlich vermehren und deren DNA nicht besonders geschädigt ist.

Eine andere Hypothese besagt, dass sich das Geschlecht möglicherweise als parasitäre Anpassung zwischen selbstsüchtigen genetischen Elementen entwickelt hat, um auf andere genetische Linien verteilt zu werden. Ein ähnlicher Mechanismus wurde in E. coli nachgewiesen.

Obwohl es mögliche Erklärungen gibt, ist die Evolution des Geschlechts Gegenstand heftiger Debatten unter Evolutionsbiologen.

Sexuelle Selektion

Sexuelle Selektion ist ein von Charles Darwin eingeführtes Konzept, das nur auf sexuell reproduzierende Populationen anwendbar ist. Es wird verwendet, um das Vorhandensein von Verhaltensweisen, Strukturen und anderen Attributen zu erklären, deren Existenz durch natürliche Selektion nicht vorstellbar ist.

Zum Beispiel bietet das sehr farbenfrohe und etwas "übertriebene" Gefieder von Pfauen dem Einzelnen keine direkten Vorteile, da es für potenzielle Raubtiere sichtbarer wird. Darüber hinaus ist es nur bei Männern vorhanden.

Verweise

1. Colegrave, N. (2012). Der evolutionäre Erfolg von Sex: Science & Society-Reihe zu Sex und Wissenschaft. EMBO Reports, 13 (9), 774-778.
2. Crow, JF (1994). Vorteile der sexuellen Fortpflanzung. Developmental Genetics, 15 (3), 205 & ndash; 213.
3. Freeman, S. & Herron, JC (2002). Evolutionsanalyse. Prentice Hall.
4. Goodenough, U. & Heitman, J. (2014). Ursprünge der eukaryotischen sexuellen Fortpflanzung. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 6 (3), a016154.
5. CP Hickman, LS Roberts, A. Larson, WC Ober & C. Garrison (2001). Integrierte Prinzipien der Zoologie. New York: McGraw-Hill.
6. Leonard, J. & Córdoba-Aguilar, A. (Hrsg.). (2010). Die Entwicklung der primären sexuellen Charaktere bei Tieren. Oxford University Press.
7. Sawada, H., Inoue, N. & Iwano, M. (2014). Sexuelle Fortpflanzung bei Tieren und Pflanzen. Springer-Verlag GmbH.