În procesul de reproducere biologică, există două tipuri de reproducere: reproducerea sexuată sau generativă și reproducerea asexuată sau vegetativă . Ambele permit continuitatea speciilor, dar o fac prin mecanisme celulare și genetice foarte diferite, ceea ce are consecințe directe asupra diversității biologice, a ratei de reproducere și a capacității organismelor de a se adapta la mediu.
O ființă vie sau un organism se caracterizează prin capacitatea sa de a îndeplini funcțiile de bază ale vieții, inclusiv reproducerea , ceea ce îi permite să producă copii similare ale sale, fie asexuat de la un singur părinte , fie sexual de la cel puțin doi părinți. Înțelegerea acestor diferențe este esențială pentru a înțelege cum evoluează populațiile și de ce unele specii se reproduc într-un fel sau altul, în funcție de mediul lor.
Ce este înmugurirea?
Înmugurirea este unul dintre diferitele tipuri de reproducere asexuată , în care producerea unei noi ființe are loc prin formarea de proeminențe , numite muguri, pe corpul organismului-mamă, care cresc și se dezvoltă și pot rămâne atașate de organismul-mamă sau separate de acesta.
Dintr-o perspectivă biologică, înmugurirea este o diviziune inegală a corpului organismului-mamă . Individul original își păstrează cea mai mare parte a citoplasmei și structurii, în timp ce mugurele începe ca o mică protuberanță care conține celule cu același material genetic ca și organismul-mamă. În timp, acest mugure crește în dimensiune, se diferențiază și se poate dezvolta în cele din urmă într-un organism complet.
Termenul „a înmuguri” provine din cuvântul latin „ geminus ”, care înseamnă „geamăn”. Noul individ este, în esență, un „geamăn genetic” al părintelui, deoarece ambii au aceeași informație ereditară, deoarece nu există schimb de ADN cu un alt organism. Cu toate acestea, în ciuda acestei similarități genetice, condițiile de mediu pot determina dezvoltarea unor diferențe de dimensiune, formă sau stare fiziologică.
Înmugurirea se observă la organismele unicelulare, cum ar fi unele drojdii și protozoare, dar și la organismele multicelulare, cum ar fi anumite plante și animale nevertebrate (burei, hidre, corali și unele meduze). Prin urmare, este un mecanism răspândit în natură, în special la speciile care trăiesc atașate de un substrat sau în medii acvatice unde schimbul de gameți ar fi mai costisitor.
Reproducere asexuată
Acest tip de reproducere se caracterizează prin implicarea unui singur individ părinte . Reproducerea are loc, în majoritatea cazurilor, prin mitoză , unde diviziunea celulară are ca rezultat două sau mai multe celule identice genetic.
Este un tip de reproducere în care nu are loc fertilizarea ; prin urmare, nu există schimb de ADN între diferiți indivizi. Noua ființă vie menține, în general, caracteristicile organismului din care provine. Din acest motiv, vorbim despre urmași clonali sau clone, adică copii genetice ale organismului-mamă.
Există o mare varietate de plante care se pot reproduce sexuat sau asexuat, prin muguri, rădăcini subterane sau tulpini târâtoare. În aceste cazuri, o singură specie poate alterna între ambele tipuri de reproducere: reproducerea asexuată pentru a se înmulți rapid atunci când condițiile sunt favorabile și reproducerea sexuată pentru a genera variabilitate genetică atunci când mediul este mai schimbător.
Alte organisme, cum ar fi stelele de mare, se pot regenera după ce își pierd o parte a corpului, iar multe altele se pot multiplica în număr mare prin divizarea asexuată de numeroase ori. La multe nevertebrate marine, regenerarea, fragmentarea și înmugurirea sunt combinate ca strategii de reproducere și supraviețuire.
Pe lângă înmugurire, reproducerea asexuată include și alte procese importante, cum ar fi fisiunea binară (tipică procariotelor precum bacteriile și archaea), sporularea (prezentă la ciuperci, unele plante și bacterii), fragmentarea și partenogeneza , printre altele. Toate au o caracteristică fundamentală în comun: un singur individ este suficient pentru a produce noi urmași, fără a fi nevoie de un partener.
Reproducere sexuală
Reproducerea sexuată este caracterizată prin participarea a două celule provenite din meioză care se unesc prin fertilizare. Aceste celule sexuale, sau gameți (în general un ovul și un spermatozoid la animale sau gameți masculini și feminini la plante), conțin jumătate din numărul de cromozomi ai individului adult.
Doi părinți trebuie să participe, transmițându-și ADN-ul urmașilor. Prin urmare, există diferențe genetice între părinți și urmași, precum și între urmași. Această variație se datorează combinării de gene care are loc în timpul meiozei (prin recombinare genetică) și unirii aleatorii a gameților în timpul fertilizării.
Reproducerea sexuată, deși necesită mai multă energie și timp (găsirea unui partener, producerea de gameți, curtarea, fertilizarea, dezvoltarea embrionară), are un avantaj major: generează diversitate genetică . Această diversitate crește probabilitatea ca, în cadrul unei populații, să existe indivizi cu caracteristici care le permit să supraviețuiască și să se reproducă în condiții de mediu în schimbare sau în fața unor noi boli.
La unele organisme, cum ar fi drojdia, există capacitatea de a alterna între reproducerea asexuată (prin înmugurire) și reproducerea sexuată, în funcție de condițiile de mediu. În mediile bogate în nutrienți, acestea tind să utilizeze reproducerea asexuată datorită vitezei acesteia, în timp ce în situații de stres sau deficit, pot activa mecanisme sexuale pentru a crește variabilitatea genetică.
Cum are loc înmugurirea?
Reproducerea asexuată este reproducerea care are loc fără interacțiune între doi membri ai aceleiași specii. Celulele se divid prin mitoză, unde fiecare cromozom este copiat înainte de divizarea nucleului, fiecare celulă nouă primind aceeași informație genetică. În cazul organismelor unicelulare, se formează o umflătură numită mugure pe o porțiune a membranei plasmatice . Nucleul celulei-mamă se divide, iar unul dintre nucleii fiice migrează în mugure. În condiții favorabile, mugurele poate produce un alt mugure înainte de a se separa definitiv de celula-mamă.
La nivel unicelular, este un proces de mitoză asimetrică care are loc la unele organisme unicelulare, cum ar fi drojdiile. Un organism unicelular este alcătuit dintr-o singură celulă. Exemple de organisme unicelulare includ bacteriile, algele microscopice, unele ciuperci și protozoarele. În mod surprinzător, organismele unicelulare reprezintă marea majoritate a ființelor vii care locuiesc în prezent pe Pământ, atât în ceea ce privește numărul de indivizi, cât și gama de habitate pe care le colonizează.
Drojdia, sau fermentul, se referă la oricare dintre diversele organisme eucariote clasificate drept ciuperci, fie că sunt ascomicete microscopice sau basidiomicete , cu o formă predominant unicelulară în ciclul lor de viață. Acestea sunt în general caracterizate prin reproducere asexuată prin înmugurire sau fisiune binară și prin faptul că au etape sexuale care nu sunt atașate de un sporocarp (corp fructifer). La aceste microorganisme, decizia de a utiliza reproducerea asexuată sau sexuată depinde de semnale chimice și de mediu, cum ar fi prezența nutrienților sau feromonilor produși de alte celule.
Mitoza este diviziunea celulară în sine și produce două celule fiice identice genetic . Poate apărea în celulele organismelor eucariote atât haploide, cât și diploide. Acest proces asigură distribuirea egală a materialului genetic între celulele rezultate, menținând același număr de cromozomi ca și celula-mamă.
Prin urmare, este un proces de reproducere celulară care constă în principal în diviziunea longitudinală a cromozomilor și diviziunea nucleului și citoplasmei; ca urmare, se formează două celule fiice cu același număr de cromozomi și aceeași informație genetică ca și celula-mamă. În înmugurire, după această mitoză, nucleul care va migra spre mugure este poziționat strategic în protuberanța care se formează.
Înmugurirea este un proces în care nucleul se divide și citoplasma se divide, dar nucleul rezultat migrează spre membrana celulară, formând o structură asemănătoare unui mugure înconjurat de citoplasmă, creând astfel două celule de dimensiuni diferite. Celula-mamă păstrează un volum mai mare, în timp ce celula fiică inițial este mai mică, deși este pe deplin capabilă să crească și să se divida independent atunci când condițiile sunt favorabile.
Înmugurirea este un proces comun la bureți, cnidari și briozoare . Anumite specii de animale pot avea înmugurire internă: muguri care supraviețuiesc condițiilor nefavorabile datorită unui înveliș protector. În cazul bureților de apă dulce, mugurii au o capsulă protectoare care conține substanțe de rezervă . Când sosește primăvara, capsula protectoare se pierde, iar noul burete iese din mugure. La briozoarele de apă dulce, se produce un strat de chitină și calciu, iar acestea nu au nevoie de substanțe de rezervă deoarece se află într-o stare de hibernare.
La animale precum hidrele, polipii de meduzele și coralii, mugurii se formează pe suprafața corpului părintelui, cresc și, în multe cazuri, se desprind, dând naștere la indivizi independenți. La alte specii, mai mulți indivizi produși prin înmugurire rămân atașați, formând colonii complexe în care toți au același material genetic, dar pot îndeplini funcții specializate în cadrul grupului.
Tipuri de înmugurire și alte tipuri de reproducere asexuată
Există mai multe tipuri de reproducere asexuată. Acestea includ înmugurirea , în care urmașii cresc pe corpul părintelui (cum se întâmplă, de exemplu, cu bananierele). Un alt tip este cel al gemulelor, în care organismul părinte eliberează o masă de celule specializate care se dezvoltă într-un nou individ.
În contextul mai larg al reproducerii asexuate, găsim și:
- Fisiune binară: Tipic organismelor procariote, cum ar fi bacteriile și archaea. Constă în duplicarea materialului genetic și divizarea simetrică a celulei-mamă în două celule fiice de aceeași dimensiune.
- Sporulație: Prezente în aproape toate ciupercile, unele plante (cum ar fi ferigile) și anumite bacterii. Ele formează spori rezistenți înconjurate de un zid gros care le permite să supraviețuiască în medii ostile și să germineze atunci când condițiile se îmbunătățesc.
- Fragmentare și regenerare: Organismul se divide în mai multe fragmente, fiecare dintre acestea putând fi regenerat într-un individ complet. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, la viermii plați și stelele de mare.
- Partenogeneză: Un mecanism prin care un nou individ se dezvoltă din celule sexuale feminine nefertilizate. Apare la unele nevertebrate (insecte, rotifere, viermi plați) și la anumite specii de vertebrate, cum ar fi peștii, amfibienii și unele reptile.
Deși toate aceste mecanisme produc urmași genetic similari cu părintele, înmugurirea se remarcă prin simplitatea sa structurală și prin faptul că permite, în multe cazuri, formarea de colonii , așa cum se observă la unii cnidari și bureți. În plus, înmugurirea poate avea loc extern sau intern (de exemplu, la gemule la bureți), oferind avantaje diferite în funcție de habitat și ciclul de viață al speciei.
Reproducerea asexuală la plante
Acest fenomen se întâmplă la plante atunci când o parte a acestora se divide (tulpină, ramură, mugure, tubercul, rizom etc.) și se dezvoltă separat într-o plantă nouă. Este extrem de răspândit și are multe forme variate. Acestea includ:
- Grefe: Un fragment de tulpină de la o plantă (altoi) este introdus în tulpina sau trunchiul aceleiași specii sau al unei specii diferite, dar compatibile. Este utilizat în mod obișnuit la pomi fructiferi sau specii ornamentale pentru multiplicarea soiurilor de interes și să îmbunătățească producția.
- Mize: Înmulțirea prin butași implică tăierea unui fragment de tulpină cu muguri și îngroparea acestuia. Apoi se așteaptă până când rădăcinile încolțesc. Aceasta produce o plantă nouă, o metodă utilizată pe scară largă pentru arbuști și plante ornamentale.
- Tăiere sau segmente: Tulpinile sunt pregătite în recipiente cu apă sau sol umed, unde formează rădăcini noi, după care pot fi plantate. Aceasta este o metodă foarte comună de propagare pentru plantele de apartament și speciile care prind rădăcini ușor.
- Cultură de țesut: Cultivarea se realizează într-un mediu fără microorganisme folosind soluții nutritive și hormoni vegetali, care induc creșterea rădăcinilor, tulpinilor și frunzelor dintr-un fragment de plantă. Această tehnică permite înmulțiți mii de plante identice dintr-un singur exemplar.
- Strat: Constă în îngroparea unei părți a plantei și așteptarea ca aceasta să prindă rădăcini. Apoi este tăiată și transplantată; este folosită, de exemplu, la viță de vie și la unele plante cățărătoare.
- Sporulație: tip de reproducere prin intermediul sporilor, comun la ferigi, mușchi și alte plante care nu produc semințe.
La multe plante, înmugurirea are loc prin muguri axilari sau terminali care pot da naștere la noi lăstari și, în unele cazuri, la plante întregi dacă sunt separați și înrădăcinați. Un exemplu comun este cel al anumitor plante suculente și cactuși, ai căror lăstari laterali se pot dezvolta în plante noi dacă sunt plasați pe un substrat adecvat.
Alte exemple de plante care se reproduc asexuat (fie prin înmugurire mărită, fie prin germinare, fie prin structuri modificate) includ lalelele, crinii, cartofii și căpșunile . La cartofi, tuberculii stochează rezerve și încolțesc în plante noi; la căpșuni, stolonii târâtori generează plante noi prin înrădăcinarea în diferite puncte ale solului.
Avantajele și dezavantajele reproducerii asexuale
Reproducerea asexuată este mai eficientă pentru organismele care rămân într-un singur loc și nu se deplasează pentru a găsi parteneri sau care trăiesc în medii relativ stabile . Este metoda utilizată de multe organisme simple, cum ar fi bacteriile, numeroase ciuperci, protozoare și plantele care colonizează rapid un anumit mediu.
Totuși, reproducerea asexuată nu duce la variații genetice semnificative între organisme, ceea ce înseamnă că grupuri întregi pot fi eliminate de boli sau de schimbări bruște de mediu. Deoarece au același genotip, dacă o amenințare afectează un individ, este foarte probabil să afecteze majoritatea clonelor sale în același mod.
Avantaj
Printre avantajele biologice pe care le implică se numără diviziunea rapidă și simplitatea sa, deoarece organismele nu trebuie să producă celule sexuale sau să cheltuiască energie pentru operațiunile premergătoare fertilizării (căutarea unui partener, curtarea, întâlnirea gameților etc.).
În acest fel, un singur individ poate da naștere unui număr mare de urmași prin mijloace precum formarea asexuată de spori, fisiunea transversală sau înmugurirea, facilitând colonizarea rapidă a unor noi teritorii . În medii care rămân stabile pentru perioade lungi de timp, această strategie poate fi extrem de eficientă pentru ocuparea spațiului disponibil și exploatarea resurselor.
În cazul specific al înmuguririi, un alt avantaj este că, la multe animale și plante, urmașii pot rămâne atașați de părinte, formând colonii care se beneficiază reciproc: își împărtășesc nutrienții, protecția și, uneori, funcții specializate (de exemplu, la corali și la unii cnidari coloniali).
Dezavantaje
Cu toate acestea, are dezavantajul major de a produce urmași fără variabilitate genetică — clone — deoarece toți sunt genotipic identici cu părintele lor și între ei. Selecția naturală nu poate „alege” indivizii cel mai bine adaptați (deoarece toți sunt la fel de adaptați într-un anumit mediu), iar acești indivizi clonați ar putea să nu poată supraviețui într-un mediu ostil și în schimbare, deoarece le lipsesc informațiile genetice necesare pentru a se adapta la această schimbare.
Prin urmare, acea specie ar putea dispărea dacă nu există un individ purtător al unei combinații genetice favorabile datorită mutațiilor spontane. Deși mutația generează o oarecare variabilitate chiar și în populațiile asexuate, această variație este mai mică și se acumulează mai lent decât în populațiile cu reproducere sexuată.
Un alt aspect important este acela că reproducerea asexuată nu permite rearanjarea genelor care are loc în timpul meiozei și fertilizării, mecanism care în reproducerea sexuată poate elimina combinațiile nefavorabile și favoriza noi combinații avantajoase.
Exemple de înmugurire
La anumite animale multicelulare, cum ar fi cnidarii, bureții și tunicatele, diviziunea celulară are loc prin înmugurire. Mugurii își au originea pe corpul organismului-mamă și apoi se desprind pentru a se dezvolta în noi organisme identice cu acesta. Acest proces, cunoscut sub numele de înmugurire, este analog procesului de reproducere vegetativă la plante.
Câteva exemple notabile de organisme care se reproduc prin înmugurire sunt:
- Bureții de apă. Formează muguri externi sau interni (gemule) care le permit să supraviețuiască condițiilor adverse și să se disperseze în locuri noi în mediul acvatic.
- Anumite tipuri de ciuperci de drojdie. În ele, pe suprafața celulei mamă se formează muguri mici, cresc și în cele din urmă se separă ca celule independente.
- Unele tipuri de meduze. În ciclul lor de viață, polipii pot produce meduze prin înmugurire, generând astfel faza reproductivă mobilă.
- Hydras. Acești cnidari de apă dulce generează mici protuberanțe care cresc și devin independente ca indivizi noi.
- Coralii. Prin înmugurire, un polip poate da naștere la mulți alții, care rămân împreună și formează colonii care, în timp, pot da naștere la recif de corali.
Exemple de înmugurire sunt observate și la organismele unicelulare, cum ar fi unele bacterii și anumiți protiști (de exemplu, unii dinoflagelate), demonstrând că acest mecanism a apărut independent în mai multe grupuri evolutive datorită eficacității sale în duplicarea indivizilor atunci când mediul este favorabil.
Înmugurirea, împreună cu alte mecanisme asexuate, reprezintă o strategie extrem de eficientă pentru expansiunea rapidă și masivă a unei specii, deși cu prețul unei variabilități genetice reduse. În schimb, reproducerea sexuată, deși mai solicitantă din punct de vedere energetic, oferă diversitatea genetică necesară pentru ca populațiile să se adapteze la schimbările de mediu pe termen lung. O înțelegere aprofundată a ambelor tipuri de reproducere permite o mai bună înțelegere a dinamicii populațiilor naturale, a funcționării ecosistemelor și, în cazul microorganismelor precum drojdiile, chiar a proceselor de interes biomedical și biotehnologic.