§ 13. Размножение и развитие животных

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАЗМНОЖЕНИЯ

Каждый отдельный организм на нашей планете смертен: рано или поздно животные погибают от естественного старения, болезней, стихийных бедствий или становятся добычей хищников. Однако жизнь на Земле непрерывно продолжается уже сотни миллионов лет. Эту вечную преемственность поколений обеспечивает размножение — важнейшее фундаментальное свойство живой материи воспроизводить себе подобных.

Благодаря размножению численность видов восполняется на смену погибшим особям, популяции расселяются на новые территории и осваивают неизведанные среды обитания. Размножение неразрывно связано с двумя базовыми процессами:

• Рост: количественное увеличение массы и линейных размеров тела за счет деления клеток и накопления органических веществ;
• Развитие: качественные анатомические, физиологические и биохимические перестройки организма на всем пути от зарождения до завершения жизненного цикла.

БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Бесполое размножение представляет собой эволюционно наиболее древний и энергетически экономичный способ воспроизводства. В нем участвует единственная родительская особь, которая без участия половых клеток дает начало новому поколению:

• Простое бинарное деление: преобладает у одноклеточных животных (амеба, инфузория-туфелька). Материнская клетка митотически делится надвое, образуя две самостоятельные дочерние особи с идентичным генетическим набором;
• Почкование: типично для кишечнополостных (пресноводная гидра). В теплое время года при обилии корма на теле гидры появляется бугорок — почка. Она растет, на ее вершине прорывается рот и вырастают щупальца, после чего молодая гидра отделяется от материнского тела и начинает самостоятельную жизнь.

Главное преимущество бесполого размножения кроется в невероятной скорости: организму не требуется тратить драгоценное время и силы на поиски полового партнера, брачные ритуалы и борьбу с соперниками. При наступлении благоприятных условий численность популяции может возрасти в сотни раз за считанные дни.

Однако у бесполого способа есть критический биологический минус: все дочерние потомки являются точными генетическими копиями (клонами) родителя. Полное отсутствие генетического разнообразия делает такую популяцию смертельно уязвимой: при внезапном изменении климата или вспышке инфекции все генетически одинаковые особи могут погибнуть одновременно.

ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ И ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

В ходе эволюции подавляющее большинство многоклеточных животных перешло к половому размножению. В этом процессе участвуют специализированные половые клетки — гаметы, образующиеся в половых железах:

• Мужские гаметы (сперматозоиды): формируются в семенниках. Это микроскопические, чрезвычайно подвижные клетки со жгутиками. Они не содержат питательных веществ, их единственная задача — быстро добраться до яйцеклетки и доставить отцовский хромосомный набор;
• Женские гаметы (яйцеклетки): созревают в яичниках. Это крупные, неподвижные клетки округлой формы, лишенные жгутиков, но несущие богатый запас желтка и питательных веществ для обеспечения энергией первых этапов развития зародыша.

Процесс слияния сперматозоида с яйцеклеткой называют оплодотворением. В результате слияния двух половых клеток возникает первая клетка нового организма — зигота. Она соединяет генетическую информацию материнской и отцовской линий, создавая уникальную комбинацию генов. Именно генетическое разнообразие потомков служит неиссякаемым материалом для естественного отбора, позволяя популяции выживать в меняющейся среде.

Большинство высокоорганизованных животных являются раздельнополыми (самцы и самки четко обособлены). Однако среди примитивных групп (плоские и кольчатые черви, брюхоногие моллюски) широко распространен гермафродитизм — наличие мужской и женской половых систем в теле одной особи. Гермафродитизм выгоден медлительным или прикрепленным видам, так как при редких встречах любая особь способна оставить потомство.

У высших животных (членистоногих, головоногих моллюсков и позвоночных) гермафродитизм исчез. Содержание двух половых аппаратов требует колоссальных энергетических затрат, а развитие сложной нервной системы, мускулатуры и поведения заставило организмы сконцентрировать ресурсы на совершенствовании раздельнополости.

ПАРТЕНОГЕНЕЗ — РАЗВИТИЕ БЕЗ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ

Особой формой полового размножения является партеногенез (от греческих слов parthenos — девственница и genesis — зарождение) — развитие полноценного организма из неоплодотворенной яйцеклетки. В природе выделяют две формы партеногенеза:

• Генеративный партеногенез (из гаплоидной яйцеклетки): характерен для общественных насекомых (медоносных пчел, ос, муравьев). Из неоплодотворенных яиц развиваются исключительно самцы (трутни), а из оплодотворенных диплоидных — самки (пчелиная матка и миллионы рабочих пчел). Этот механизм позволяет пчелиной семье гибко регулировать численность каждой касты в гнезде;
• Соматический партеногенез (из диплоидной яйцеклетки): встречается у дафний, тлей, коловраток и некоторых позвоночных (скальных ящериц Кавказа). У микроскопических рачков дафний в течение теплого лета самки откладывают неоплодотворенные диплоидные яйца, из которых выводятся только самки, быстро заселяющие водоем. Лишь осенью, когда укорачивается световой день, партеногенетически рождаются самцы, происходит оплодотворение и формируются покоящиеся зимние яйца. А у изолированных популяций кавказских скальных ящериц в горных ущельях самцов нет вовсе: самки успешно продолжают род исключительно партеногенезом.

РОСТ И ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ (ОНТОГЕНЕЗ)

Вся совокупность преобразований организма от момента образования зиготы до естественной смерти называют индивидуальным развитием (онтогенезом). Рост животных неравномерен: наиболее бурно он идет на ранних стадиях, а затем постепенно замедляется. Кроме того, у многих видов наблюдается четкая сезонная цикличность: рост замирает осенью и зимой из-за холодов и нехватки корма и возобновляется весной.

В животном мире сформировались два принципиально разных типа онтогенеза:

• 1. Прямое развитие: появившийся на свет детеныш анатомически похож на взрослую особь и отличается главным образом меньшими размерами и недоразвитием половой системы. Протекает в двух формах:
  • Неличиночная (яйцекладная): развитие внутри богатого желтком яйца (пресмыкающиеся, птицы, первозвери);
  • Внутриутробная: развитие внутри тела матери в специализированном органе — матке через плаценту (плацентарные млекопитающие).
• 2. Непрямое развитие (с метаморфозом): из яйца выходит личинка, кардинально отличающаяся от взрослого животного внешним и внутренним строением, средой обитания и типом питания:
  • У насекомых и земноводных личинки занимают совершенно иную экологическую нишу. Так, головастик лягушки плавает в воде с помощью хвоста, питается водорослями и дышит жабрами, тогда как взрослая бесхвостая лягушка живет на суше, ловит насекомых и дышит легкими и кожей. Благодаря метаморфозу полностью устраняется пищевая конкуренция между родителями и потомством;
  • Длительность стадий бывает парадоксальной: личинка майского жука живет в почве 3–4 года, а взрослое насекомое летает всего 2–3 месяца. Бабочка капустной белянки живет считанные дни, тогда как ее гусеница кормится месяцами.

Уникальным отклонением от классического метаморфоза является неотения — способность личинки размножаться половым путем, так и не превратившись во взрослое животное. Классический пример — аксолотль (личинка хвостатого земноводного тигровой амбистомы). В горных озерах Мексики вода бедна йодом, из-за чего щитовидная железа аксолотля не вырабатывает гормон тироксин, запускающий метаморфоз. Аксолотль остается водной личинкой с наружными жабрами и плавником, но благополучно спаривается и откладывает икру. Если же в аквариум добавить йод или тироксин, аксолотль сбрасывает жабры и превращается в сухопутную амбистому.