7.1 التكاثر الجنسي
أهداف التعلم
بحلول نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- شرح أن التباين بين النسل هو ميزة تطورية محتملة ناتجة عن التكاثر الجنسي
- وصف الاستراتيجيات الثلاث المختلفة لدورات الحياة بين الكائنات الحية متعددة الخلايا الجنسية وأوجه التشابه بينها
كان التكاثر الجنسي ابتكارًا تطوريًا مبكرًا بعد ظهور الخلايا حقيقية النواة. وحقيقة أن معظم حقيقيات النواة تتكاثر جنسيًا هي دليل على نجاحه التطوري. في العديد من الحيوانات، هو النمط الوحيد للتكاثر. ومع ذلك، يدرك العلماء بعض العيوب الحقيقية للتكاثر الجنسي. ظاهريًا، قد يبدو النسل المتطابق وراثيًا مع الوالدين أكثر فائدة. فإذا كان الكائن الحي الوالد يشغل موطنًا بنجاح، فإن النسل الذي يحمل نفس الصفات سيكون ناجحًا بالمثل. وهناك أيضًا الفائدة الواضحة للكائن الحي الذي يمكنه إنتاج النسل عن طريق التبرعم اللاجنسي، أو التجزؤ، أو البيض اللاجنسي. لا تتطلب طرق التكاثر هذه كائنًا حيًا آخر من الجنس الآخر. لا توجد حاجة لبذل الطاقة في العثور على شريك أو جذبه. يمكن إنفاق تلك الطاقة على إنتاج المزيد من النسل. وبالفعل، احتفظت بعض الكائنات الحية التي تعيش حياة انفرادية بالقدرة على التكاثر اللاجنسي. بالإضافة إلى ذلك، تتكون التجمعات اللاجنسية من إناث فقط، لذا فإن كل فرد قادر على التكاثر. في المقابل، لا ينتج الذكور في التجمعات الجنسية (نصف التجمع) نسلًا بأنفسهم. وبسبب هذا، يمكن للتجمع اللاجنسي أن ينمو ضعف سرعة التجمع الجنسي نظريًا. وهذا يعني أنه في المنافسة، سيكون للتجمع اللاجنسي ميزة. كل هذه المزايا للتكاثر اللاجنسي، والتي هي أيضًا عيوب للتكاثر الجنسي، يجب أن تعني أن عدد الأنواع ذات التكاثر اللاجنسي يجب أن يكون أكثر شيوعًا.
ومع ذلك، فإن الكائنات الحية متعددة الخلايا التي تعتمد حصريًا على التكاثر اللاجنسي نادرة للغاية. لماذا التكاثر الجنسي شائع جدًا؟ هذا أحد الأسئلة المهمة في علم الأحياء وكان محور الكثير من الأبحاث من النصف الأخير من القرن العشرين حتى الآن. التفسير المحتمل هو أن التباين الذي يخلقه التكاثر الجنسي بين النسل مهم جدًا لبقاء هذا النسل وتكاثره. المصدر الوحيد للتباين في الكائنات اللاجنسية هو الطفرة. وهذا هو المصدر النهائي للتباين في الكائنات الجنسية. بالإضافة إلى ذلك، يتم إعادة ترتيب هذه الطفرات المختلفة باستمرار من جيل إلى آخر عندما يجمع الآباء المختلفون جينوماتهم الفريدة، وتُخلط الجينات في مجموعات مختلفة عن طريق عملية الانقسام المنصف (meiosis). الانقسام المنصف هو انقسام محتويات النواة الذي يقسم الصبغيات بين الأمشاج. يتم إدخال التباين أثناء الانقسام المنصف، وكذلك عندما تتحد الأمشاج في الإخصاب.
صلة بالتطور
فرضية الملكة الحمراء
لا شك أن التكاثر الجنسي يوفر مزايا تطورية للكائنات الحية التي تستخدم هذه الآلية لإنتاج النسل. السؤال الإشكالي هو لماذا يستمر التكاثر الجنسي، حتى في ظل ظروف مستقرة إلى حد ما، بينما هو أكثر صعوبة وينتج عددًا أقل من النسل للكائنات الفردية؟ التباين هو نتيجة التكاثر الجنسي، ولكن لماذا التباينات المستمرة ضرورية؟ هنا تأتي فرضية الملكة الحمراء، التي اقترحها لأول مرة لي فان فالين في عام 1973.1 وقد سمي المفهوم بالإشارة إلى سباق الملكة الحمراء في كتاب لويس كارول، عبر المرآة، حيث تقول الملكة الحمراء إنه يجب على المرء أن يركض بأقصى سرعة لمجرد البقاء في مكانه.
تتطور جميع الأنواع بشكل مشترك مع الكائنات الحية الأخرى. على سبيل المثال، تتطور الحيوانات المفترسة بشكل مشترك مع فرائسها، وتتطور الطفيليات بشكل مشترك مع عوائلها. ومن الأمثلة الرائعة على التطور المشترك بين الحيوانات المفترسة وفرائسها التكيف المشترك الفريد بين الخفافيش الليلية وفريستها من العث. تجد الخفافيش فرائسها عن طريق إصدار نقرات عالية النبرة، لكن العث طوّر آذانًا بسيطة لسماع هذه النقرات حتى يتمكن من تجنب الخفافيش. وقد تكيفت العث أيضًا بسلوكيات، مثل الطيران بعيدًا عن الخفاش عند سماعه لأول مرة، أو السقوط فجأة على الأرض عندما يكون الخفاش فوقها. طورت الخفافيش نقرات "هادئة" في محاولة للتهرب من سمع العث. وقد طورت بعض أنواع العث القدرة على الاستجابة لنقرات الخفافيش بنقراتها الخاصة كاستراتيجية لإرباك قدرات تحديد الموقع بالصدى لدى الخفافيش.
كل ميزة صغيرة تكتسبها من التباين المواتي تمنح النوع تفوقًا على المنافسين المقربين، أو الحيوانات المفترسة، أو الطفيليات، أو حتى الفرائس. الطريقة الوحيدة التي ستسمح للأنواع المتطورة بشكل مشترك بالحفاظ على حصتها من الموارد هي أيضًا تحسين قدرتها باستمرار على البقاء وإنتاج النسل. عندما يكتسب نوع ما ميزة، يجب على الأنواع الأخرى أيضًا تطوير ميزة وإلا ستُهزم في المنافسة. لا يتقدم أي نوع واحد كثيرًا إلى الأمام لأن التباين الوراثي بين نسل التكاثر الجنسي يوفر لجميع الأنواع آلية لإنتاج أفراد متكيفين. الأنواع التي لا يستطيع أفرادها مواكبة التطور تنقرض. كانت عبارة الملكة الحمراء الشهيرة: "يتطلب الأمر كل الجري الذي يمكنك القيام به لتبقى في نفس المكان." وهذا وصف دقيق للتطور المشترك بين الأنواع المتنافسة.
دورات حياة الكائنات الحية التي تتكاثر جنسيًا
يتناوب الإخصاب والانقسام المنصف في دورات الحياة (life cycles) الجنسية. ما يحدث بين هذين الحدثين يعتمد على الكائن الحي. تقلل عملية الانقسام المنصف عدد صبغيات المشيج الناتج إلى النصف. يعيد الإخصاب، وهو اتحاد مشيجين أحاديي الصيغة الصبغية، الحالة ثنائية الصيغة الصبغية. هناك ثلاث فئات رئيسية لدورات الحياة في الكائنات الحية متعددة الخلايا: سائد ثنائي الصيغة الصبغية (diploid-dominant)، حيث تكون المرحلة ثنائية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا هي مرحلة الحياة الأكثر وضوحًا (ولا توجد مرحلة أحادية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا)، كما هو الحال مع معظم الحيوانات بما في ذلك البشر؛ وسائد أحادي الصيغة الصبغية (haploid-dominant)، حيث تكون المرحلة أحادية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا هي مرحلة الحياة الأكثر وضوحًا (ولا توجد مرحلة ثنائية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا)، كما هو الحال مع جميع الفطريات وبعض الطحالب؛ وتعاقب الأجيال (alternation of generations)، حيث تكون المرحلتان، أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصيغة الصبغية، واضحتين بدرجة أو بأخرى حسب المجموعة، كما هو الحال مع النباتات وبعض الطحالب.
تستخدم جميع الحيوانات تقريبًا استراتيجية دورة حياة سائدة ثنائية الصيغة الصبغية حيث تكون الخلايا أحادية الصيغة الصبغية الوحيدة التي ينتجها الكائن الحي هي الأمشاج. تُنتج الأمشاج من خلايا جنسية (germ cells) ثنائية الصيغة الصبغية، وهي سلالة خلوية خاصة لا تنتج سوى الأمشاج. بمجرد تكوّن الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية، تفقد القدرة على الانقسام مرة أخرى. لا توجد مرحلة حياة أحادية الصيغة الصبغية متعددة الخلايا. يحدث الإخصاب باندماج مشيجين، عادةً من أفراد مختلفين، مما يعيد الحالة ثنائية الصيغة الصبغية (شكل 7.2أ).
ربط بصري
إذا حدثت طفرة بحيث لم يعد الفطر قادرًا على إنتاج نوع تزاوج سالب، فهل سيظل قادرًا على التكاثر؟
تستخدم معظم الفطريات والطحالب استراتيجية دورة حياة يكون فيها "جسم" الكائن الحي متعدد الخلايا أحادي الصيغة الصبغية. أثناء التكاثر الجنسي، تتحد خلايا أحادية الصيغة الصبغية متخصصة من فردين لتشكيل لاقحة ثنائية الصيغة الصبغية. تخضع اللاقحة فورًا للانقسام المنصف لتكوين أربع خلايا أحادية الصيغة الصبغية تسمى الأبواغ (شكل 7.2ب).
يُسمى النوع الثالث من دورات الحياة، الذي تستخدمه بعض الطحالب وجميع النباتات، تعاقب الأجيال. تحتوي هذه الأنواع على كائنات حية متعددة الخلايا أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصيغة الصبغية كجزء من دورة حياتها. تُسمى النباتات متعددة الخلايا أحادية الصيغة الصبغية الطور المشيجي (gametophytes) لأنها تنتج الأمشاج. لا يشارك الانقسام المنصف في إنتاج الأمشاج في هذه الحالة، حيث أن الكائن الحي الذي ينتج الأمشاج هو بالفعل أحادي الصيغة الصبغية. يشكل الإخصاب بين الأمشاج لاقحة ثنائية الصيغة الصبغية. ستخضع اللاقحة للعديد من جولات الانقسام المتساوي وتؤدي إلى نبات متعدد الخلايا ثنائي الصيغة الصبغية يسمى الطور البوغي (sporophyte). ستخضع الخلايا المتخصصة في الطور البوغي للانقسام المنصف وتنتج أبواغًا أحادية الصيغة الصبغية. ستتطور الأبواغ إلى الأطوار المشيجية (شكل 7.2ج).