Entstehung neuer Individuen entlang eines Blattrandes der Wunderblattpflanze ( Kalanchoe pinnata ). Die kleine Pflanze im Vordergrund ist etwa 1 cm hoch. Der Begriff „Individuum“ wird durch diesen ungeschlechtlichen Vermehrungsprozess deutlich erweitert.

Fortpflanzung (auch Reproduktion oder Züchtung genannt ) ist der biologische Prozess , durch den neue Organismen – Nachkommen – von ihren Eltern entstehen . Es gibt zwei Formen der Fortpflanzung: die ungeschlechtliche und die geschlechtliche .

Bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung kann sich ein Organismus ohne die Beteiligung eines anderen Organismus vermehren. Ungeschlechtliche Fortpflanzung ist nicht auf einzellige Organismen beschränkt . Auch das Klonen eines Organismus ist eine Form der ungeschlechtlichen Fortpflanzung. Dabei erzeugt ein Organismus eine genetisch ähnliche oder identische Kopie von sich selbst. Die Evolution der geschlechtlichen Fortpflanzung stellt Biologen vor ein großes Rätsel. Die geschlechtliche Fortpflanzung hat zwei Nachteile: Nur 50 % der Organismen pflanzen sich fort [ 1 ] , und nur 50 % ihrer Gene werden weitergegeben [ 2 ] .

Die sexuelle Fortpflanzung erfordert typischerweise die sexuelle Interaktion zweier spezialisierter Fortpflanzungszellen, sogenannter Gameten . Diese enthalten die Hälfte der Chromosomenzahl von Körperzellen und entstehen durch Meiose , wobei in der Regel eine Samenzelle eine Eizelle derselben Art befruchtet und so eine befruchtete Zygote entsteht . Aus dieser Zygote entstehen Nachkommen, deren genetische Merkmale von beiden Elternteilen stammen.

Methoden

Asexuell

Die ungeschlechtliche Fortpflanzung ist ein Prozess, bei dem Organismen genetisch ähnliche oder identische Kopien von sich selbst erzeugen, ohne genetisches Material von einem anderen Organismus beizusteuern. [ 3 ] Bakterien teilen sich ungeschlechtlich durch Zweiteilung ; Viren übernehmen die Kontrolle über Wirtszellen, um weitere Viren zu produzieren; Hydren ( Wirbellose der Ordnung Hydroidea ) und Hefen können sich durch Knospung fortpflanzen . Diese Organismen besitzen oft keine unterschiedlichen Geschlechter und können sich in zwei oder mehr Kopien von sich selbst „teilen“. Die meisten Pflanzen können sich ungeschlechtlich fortpflanzen, und die Ameisenart Mycocepurus smithii vermehrt sich vermutlich ausschließlich ungeschlechtlich.

Einige Arten, die sich ungeschlechtlich fortpflanzen können, wie Hydra , Hefen (siehe Paarung von Hefen ) und Quallen, können sich auch geschlechtlich fortpflanzen. Beispielsweise können sich die meisten Pflanzen vegetativ – also ohne Samen oder Sporen – vermehren, aber auch geschlechtlich. Ebenso können Bakterien genetische Informationen durch Konjugation  austauschen .

Zu den weiteren Formen der ungeschlechtlichen Fortpflanzung zählen Parthenogenese , Fragmentierung und Sporenbildung , die ausschließlich durch Mitose erfolgt . Parthenogenese bezeichnet das Wachstum und die Entwicklung eines Embryos oder Samens ohne Befruchtung . Sie kommt natürlich bei einigen Arten vor, darunter niedere Pflanzen (wo sie als Apomixis bezeichnet wird ), Wirbellose (z. B. Wasserflöhe , Blattläuse , einige Bienen und Schlupfwespen ) und Wirbeltiere (z. B. einige Reptilien [ 4 ] , einige Fische [ 5 ] und sehr selten Hausvögel [ 6 ] ).

Sexuell

Schwebfliegen paaren sich im Flug
Vögel , Reptilien und Säugetiere pflanzen sich durch innere Befruchtung fort . Männliche Säugetiere ejakulieren während der Kopulation Samenflüssigkeit durch den Penis in die Vagina . [ 7 ] [ 8 ]

Die sexuelle Fortpflanzung ist ein biologischer Prozess , bei dem ein neuer Organismus entsteht, indem das genetische Material zweier Organismen in einem Prozess kombiniert wird, der mit der Meiose , einer speziellen Form der Zellteilung, beginnt . Jeder der beiden Elternorganismen trägt die Hälfte des genetischen Materials des Nachkommen bei, indem er haploide Gameten bildet . [ 9 ] Die meisten Organismen bilden zwei verschiedene Arten von Gameten. Bei diesen anisogamen Arten werden die beiden Geschlechter als männlich (produzierend Spermien oder Mikrosporen) und weiblich (produzierend Eizellen oder Megasporen) bezeichnet . [ 10 ] Bei isogamen Arten sind die Gameten in ihrer Form ähnlich oder identisch ( Isogameten ), können aber unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und erhalten dann gegebenenfalls andere Bezeichnungen (siehe Isogamie ). [ 11 ] Da beide Gameten gleich aussehen, können sie im Allgemeinen nicht als männlich oder weiblich klassifiziert werden. Beispielsweise gibt es bei der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sogenannte „Plus“- und „Minus“-Gameten. Einige Organismengruppen, wie beispielsweise viele Pilze und das Wimpertierchen Paramecium aurelia [ 12 ] , besitzen mehr als zwei Geschlechter, sogenannte Paarungstypen . Die meisten Tiere (einschließlich des Menschen) und Pflanzen pflanzen sich sexuell fort. Sexuell reproduzierende Organismen besitzen für jedes Merkmal unterschiedliche Gensätze ( Allele ). Die Nachkommen erben jeweils ein Allel pro Merkmal von jedem Elternteil. Somit verfügen sie über eine Kombination der Gene beider Eltern. Man geht davon aus, dass „die Maskierung schädlicher Allele die Evolution einer dominanten diploiden Phase in Organismen begünstigt, die zwischen haploiden und diploiden Phasen wechseln“, in denen freie Rekombination stattfindet. [ 13 ] [ 14 ]

Bryophyten vermehren sich sexuell, wobei die größeren und häufiger vorkommenden Organismen haploid sind und Gameten produzieren . Die Gameten verschmelzen zu einer Zygote , aus der sich ein Sporangium entwickelt , welches wiederum haploide Sporen bildet. Das diploide Stadium ist im Vergleich zum haploiden Stadium relativ klein und kurzlebig ( Haploidie-Dominanz ). Der Vorteil der Diploidie, die Heterosis, besteht nur in der diploiden Generation. Bryophyten behalten die sexuelle Fortpflanzung bei, obwohl das haploide Stadium nicht von der Heterosis profitiert. Dies könnte darauf hindeuten, dass die sexuelle Fortpflanzung neben der Heterosis weitere Vorteile bietet, wie beispielsweise die genetische Rekombination zwischen Individuen der Art. Dadurch kann ein breiteres Spektrum an Merkmalen ausgeprägt werden, was die Population widerstandsfähiger gegen Umweltveränderungen macht. [ 15 ]

Allogamie

Allogamie bezeichnet die Befruchtung von Blüten durch Fremdbestäubung. Dabei wird die Eizelle einer Blüte durch Spermien aus dem Pollen einer anderen Blüte befruchtet. [ 16 ] [ 17 ] Pollen kann durch Pollenvektoren oder abiotische Faktoren wie Wind übertragen werden . Die Befruchtung beginnt, sobald der Pollen durch den Pollenschlauch zur weiblichen Gamete gelangt. Allogamie wird auch als Fremdbefruchtung bezeichnet, im Gegensatz zu Autogamie oder Geitonogamie, die Formen der Selbstbefruchtung sind.

Selbstgamie

Selbstbefruchtung , auch Autogamie genannt, tritt bei zwittrigen Organismen auf , bei denen die beiden bei der Befruchtung verschmolzenen Gameten vom selben Individuum stammen, z. B. bei vielen Gefäßpflanzen , einigen Foraminiferen und einigen Ciliaten . [ 17 ] Der Begriff „Autogamie“ wird manchmal synonym mit autogamer Bestäubung verwendet (die nicht notwendigerweise zu einer erfolgreichen Befruchtung führt) und beschreibt die Selbstbestäubung innerhalb derselben Blüte, im Gegensatz zur Geitonogamie , der Übertragung von Pollen auf eine andere Blüte derselben Blütenpflanze [ 18 ] , oder innerhalb einer einzelnen einhäusigen Nacktsamerpflanze .

Mitose und Meiose

Mitose und Meiose sind Arten der Zellteilung . Die Mitose findet in Körperzellen statt , die Meiose hingegen in Keimzellen .

Mitose: Bei der Mitose entstehen doppelt so viele Zellen wie in der ursprünglichen Zelle. Die Anzahl der Chromosomen in den Tochterzellen entspricht der Anzahl der Chromosomen in der Mutterzelle.

Bei der Meiose entsteht das Vierfache der ursprünglichen Zellzahl. Dadurch erhalten die Zellen die Hälfte der Chromosomenzahl der Mutterzelle. Eine diploide Zelle teilt sich und durchläuft anschließend zwei Teilungen ( tetraploid → diploid → haploid), wodurch vier haploide Zellen entstehen. Dieser Prozess verläuft in zwei Phasen, der Meiose I und der Meiose II.

Gametogenese

Tiere, einschließlich Säugetiere, produzieren Gameten (Spermien und Eizellen) durch Meiose in den Gonaden (Hoden bei Männchen und Eierstöcken bei Weibchen). Spermien entstehen durch die Spermatogenese , Eizellen durch die Oogenese . Während der Gametogenese bei Säugetieren zeigen zahlreiche Gene, die für Proteine ​​kodieren, die an DNA-Reparaturmechanismen beteiligt sind, eine verstärkte oder spezialisierte Expression. [ 19 ] Männliche Keimzellen, die in den Hoden von Tieren gebildet werden, sind zu speziellen DNA-Reparaturprozessen fähig , die während der Meiose DNA-Schäden reparieren und die Integrität des an die Nachkommen vererbten Genoms erhalten. [ 20 ] Zu diesen DNA-Reparaturprozessen gehören die homologe Rekombinationsreparatur sowie die nicht-homologe Endverknüpfung . [ 20 ] Oozyten im Primordialfollikel des Eierstocks befinden sich in einem nicht-wachsenden, arretierten Prophase- Zustand, können aber eine hocheffiziente homologe Rekombinationsreparatur von DNA-Schäden , einschließlich Doppelstrangbrüchen, durchführen. [ 21 ] Diese Reparaturprozesse ermöglichen den Erhalt der Integrität des Genoms und den Schutz der Gesundheit der Nachkommen. [ 21 ]

gleichgeschlechtlich

Die wissenschaftliche Forschung untersucht derzeit die Möglichkeit der gleichgeschlechtlichen Fortpflanzung, bei der Nachkommen mit gleichen genetischen Anteilen von zwei Weibchen oder zwei Männchen entstehen würden. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] Die naheliegendsten und zunehmend erforschten Ansätze sind weibliche Spermien und männliche Eizellen . Im Jahr 2004 kombinierten japanische Wissenschaftler durch die Veränderung der Funktion einiger Gene, die am Imprinting beteiligt sind, zwei Mauseizellen, um Tochtermäuse zu erzeugen. [ 25 ] Im Jahr 2010 nutzten amerikanische Wissenschaftler gentechnisch veränderte Stammzellen, um lebensfähige Mausnachkommen mit genetischen Anteilen von zwei Vätern zu erzeugen. [ 26 ] [ 27 ] Im Jahr 2018 erzeugten chinesische Wissenschaftler 29 weibliche Mäuse aus zwei Muttertieren, konnten jedoch keine lebensfähigen Nachkommen aus zwei Vatertieren erzeugen. Die Forscher merkten an, dass die Wahrscheinlichkeit gering sei, dass diese Techniken in naher Zukunft auf den Menschen angewendet werden könnten. [ 28 ] [ 29 ] Im Jahr 2023 erzeugten japanische Wissenschaftler Mäusewelpen aus zwei Vätern, die zu ausgewachsenen Tieren heranwuchsen. [ 30 ]

Strategien

Verschiedene Arten nutzen eine Vielzahl von Fortpflanzungsstrategien. Manche Tiere, wie der Mensch und der Basstölpel , erreichen die Geschlechtsreife erst viele Jahre nach der Geburt und zeugen selbst dann nur wenige Nachkommen. Andere vermehren sich schnell; unter normalen Umständen überleben die meisten Nachkommen jedoch nicht bis zum Erwachsenenalter . Ein Kaninchen beispielsweise (geschlechtsreif nach 8 Monaten) kann 10–30 Nachkommen pro Jahr zeugen, eine Fruchtfliege (geschlechtsreif nach 10–14 Tagen) sogar bis zu 900. Diese beiden Hauptstrategien werden als K-Selektion (wenige Nachkommen) und r-Selektion (viele Nachkommen) bezeichnet. Welche Strategie die Evolution begünstigt, hängt von verschiedenen Umständen ab. Tiere mit wenigen Nachkommen können mehr Ressourcen in die Aufzucht und den Schutz jedes einzelnen Jungtiers investieren und so den Bedarf an vielen Nachkommen reduzieren. Tiere mit vielen Nachkommen hingegen müssen möglicherweise weniger Ressourcen für jedes einzelne Jungtier aufwenden. Bei diesen Tierarten ist es üblich, dass viele Jungtiere kurz nach der Geburt sterben, doch überleben in der Regel genügend Individuen, um den Fortbestand der Population zu sichern. Einige Organismen wie Honigbienen und Fruchtfliegen speichern Spermien in einem Prozess namens Spermienspeicherung und verlängern dadurch ihre Fruchtbarkeit.

Andere Arten

Asexuelle vs. sexuelle Fortpflanzung

Veranschaulichung der zweifachen Kosten der sexuellen Fortpflanzung . Würde jeder Organismus zur gleichen Anzahl an Nachkommen (zwei) beitragen, bliebe (a) die Population in jeder Generation gleich groß, während sich (b) die asexuelle Population in jeder Generation verdoppelt.

Organismen, die sich ungeschlechtlich fortpflanzen, vermehren sich tendenziell exponentiell. Da sie jedoch auf Mutationen angewiesen sind, um Variationen in ihrer DNA zu erzeugen, weisen alle Individuen der Art ähnliche Schwächen auf. Organismen, die sich geschlechtlich fortpflanzen, bringen zwar weniger Nachkommen hervor, aber die große genetische Vielfalt macht sie weniger anfällig für Krankheiten.

Viele Organismen können sich sowohl sexuell als auch asexuell fortpflanzen. Blattläuse , Schleimpilze , Seeanemonen , einige Seesternarten ( durch Fragmentierung ) und viele Pflanzen sind Beispiele dafür. Bei günstigen Umweltbedingungen nutzen sie die asexuelle Fortpflanzung, um geeignete Überlebensbedingungen wie ein reichhaltiges Nahrungsangebot, ausreichend Unterschlupf, ein günstiges Klima, Krankheitserreger, einen optimalen pH-Wert oder eine passende Kombination anderer Lebensgrundlagen auszunutzen. Populationen dieser Organismen vermehren sich exponentiell durch asexuelle Fortpflanzungsstrategien, um die reichhaltigen Ressourcen optimal zu nutzen. [ 33 ]

Wenn Nahrungsquellen erschöpft sind, das Klima lebensfeindlich wird oder das Überleben einzelner Organismen durch andere widrige Veränderungen der Lebensbedingungen gefährdet ist, wechseln diese Organismen zur sexuellen Fortpflanzung. Die sexuelle Fortpflanzung gewährleistet die Durchmischung des Genpools der Art. Die genetische Vielfalt der Nachkommen ermöglicht es einigen Individuen, besser an das Überleben angepasst zu sein und bietet einen Mechanismus für selektive Anpassung. Die Meiose im sexuellen Zyklus ermöglicht zudem eine besonders effektive Reparatur von DNA-Schäden (siehe Meiose ). [ 33 ] Darüber hinaus führt die sexuelle Fortpflanzung in der Regel zur Ausbildung eines Lebensstadiums, das die Bedingungen überstehen kann, die die Nachkommen eines asexuellen Elternteils bedrohen. So sichern Samen, Sporen, Eier, Puppen, Zysten oder andere „Überwinterungsstadien“ der sexuellen Fortpflanzung das Überleben in ungünstigen Zeiten, und der Organismus kann widrige Situationen aussitzen, bis sich die Bedingungen wieder verbessern.

Leben ohne

Die Existenz von Leben ohne Fortpflanzung ist Gegenstand einiger Spekulationen. Die biologische Untersuchung, wie aus nicht-fortpflanzungsfähigen Elementen fortpflanzungsfähige Organismen entstanden sind, wird als Abiogenese bezeichnet . Unabhängig davon, ob es mehrere unabhängige abiogenetische Ereignisse gab, gehen Biologen davon aus, dass der letzte gemeinsame Vorfahre allen heutigen Lebens auf der Erde vor etwa 3,5 Milliarden Jahren lebte .

Wissenschaftler haben über die Möglichkeit spekuliert, Leben im Labor auf nicht-reproduktive Weise zu erzeugen. Mehreren Wissenschaftlern ist es gelungen, einfache Viren aus rein nicht-lebendem Material herzustellen. [ 34 ] Viren gelten jedoch gemeinhin als nicht lebendig. Da sie lediglich aus einem Stück RNA oder DNA in einer Proteinkapsel bestehen, besitzen sie keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nur mithilfe des Stoffwechselapparats einer gekaperten Zelle vermehren .

Die Herstellung eines wirklich lebenden Organismus (z. B. eines einfachen Bakteriums) ohne Vorfahren wäre eine weitaus komplexere Aufgabe, ist aber nach aktuellem biologischem Kenntnisstand durchaus bis zu einem gewissen Grad möglich. Ein synthetisches Genom wurde in ein bestehendes Bakterium übertragen, wo es die natürliche DNA ersetzte, was zur künstlichen Herstellung eines neuen M. mycoides -Organismus führte. [ 35 ]

In der Wissenschaft wird kontrovers diskutiert, ob diese Zelle als vollständig synthetisch gelten kann [ 36 ] , da das chemisch synthetisierte Genom eine nahezu 1:1-Kopie eines natürlich vorkommenden Genoms darstellt und die Empfängerzelle ein natürlich vorkommendes Bakterium ist. Das Craig Venter Institute verwendet weiterhin den Begriff „synthetische Bakterienzelle“, stellt aber klar: „Wir betrachten dies nicht als ‚Erschaffung von Leben aus dem Nichts‘, sondern als die Erzeugung neuen Lebens aus bereits existierendem Leben mithilfe synthetischer DNA.“ [ 37 ] Venter plant, seine experimentellen Zellen patentieren zu lassen und erklärt, dass es sich „eindeutig um menschliche Erfindungen“ handle. [ 36 ] Die Entwickler argumentieren, dass die Entwicklung von „synthetischem Leben“ es Forschern ermöglichen würde, Leben durch dessen Aufbau anstatt durch dessen Zerstörung zu erforschen. Sie schlagen außerdem vor, die Grenzen zwischen Leben und Maschine so weit zu verschieben, bis sich beide überschneiden und „wirklich programmierbare Organismen“ entstehen. [ 38 ] Die beteiligten Forscher gaben an, dass die Erzeugung von „echtem synthetischem biochemischem Leben“ mit der aktuellen Technologie relativ nahe an der Realität und im Vergleich zum Aufwand für die Mondlandung kostengünstig sei. [ 39 ]

Lotterieprinzip

Die sexuelle Fortpflanzung hat viele Nachteile, da sie weitaus mehr Energie benötigt als die asexuelle und die Organismen von anderen Aktivitäten ablenkt. Es gibt zudem Diskussionen darüber, warum so viele Arten sie nutzen. George C. Williams verwendete Lottoscheine als Analogie , um die weite Verbreitung der sexuellen Fortpflanzung zu erklären. [ 40 ] Er argumentierte, dass die asexuelle Fortpflanzung, die wenig bis gar keine genetische Vielfalt bei den Nachkommen hervorbringt, dem Kauf vieler Lose mit derselben Zahl gleichkomme, wodurch die Chance auf einen „Gewinn“ – also die Zeugung überlebender Nachkommen – sinke. Die sexuelle Fortpflanzung hingegen, so Williams, sei wie der Kauf weniger Lose mit einer größeren Vielfalt an Zahlen und damit einer höheren Erfolgswahrscheinlichkeit. Der Kern dieser Analogie liegt darin, dass die asexuelle Fortpflanzung, da sie keine genetischen Variationen erzeugt, die Fähigkeit zur schnellen Anpassung an eine sich verändernde Umwelt stark einschränkt. Das Lottoprinzip wird heutzutage weniger akzeptiert, da es Hinweise darauf gibt, dass asexuelle Fortpflanzung in instabilen Umgebungen häufiger vorkommt – entgegen der ursprünglichen Annahme. [ 41 ]

Siehe auch

Anmerkungen

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  • „Allogamie“. Stedmans Online-Medizinwörterbuch (27. Aufl.). 2004.

Weiterführende Literatur