Хламидомонада, у которой кончился азот, превращается в гамету и ищет партнёра противоположного типа. Вольвокс переходит к половому размножению, почувствовав в воде всего несколько молекул особого белка-феромона. Диатомея с каждым делением становится чуть меньше и спасается от вымирания только с помощью полового процесса. А красную водоросль грацилярию, как цветок, «опыляют» морские рачки. Размножение водорослей удивительно разнообразно: здесь есть почти все способы, известные у живых организмов, и несколько, которых больше нигде нет.
В статье по порядку разобраны вегетативное, бесполое и половое размножение водорослей, все формы полового процесса — от слияния целых клеток до оогамии — и главное, без чего не понять ни одну группу, — жизненные циклы и чередование поколений. Отдельно рассмотрены примеры, которые нужны для ЕГЭ (хламидомонада, улотрикс, спирогира, ламинария, фукус), и современные данные: феромоны, гены пола, «опыление» водорослей животными. В конце — раздел для олимпиад и задания с разбором.
- 1. Три способа размножения
- 2. Вегетативное размножение
- 3. Бесполое размножение: споры
- 4. Половое размножение: формы полового процесса
- 5. Как гаметы находят друг друга
- 6. Жизненные циклы и чередование поколений
- 7. Зелёные водоросли: хламидомонада, вольвокс, улотрикс, спирогира, ульва
- 8. Бурые водоросли: эктокарпус, ламинария, фукус
- 9. Красные водоросли: трёхфазный цикл
- 10. Диатомовые: клетки, которые уменьшаются
- 11. Эволюция пола у водорослей
- 12. История изучения
- 13. Интересные факты
- 14. Что нужно знать для ЕГЭ
- 15. Для олимпиад
- Задания с разбором
- Литература
1. Три способа размножения
У водорослей встречаются все три способа размножения [1, 2]:
- вегетативное — новая особь развивается из части таллома без образования специальных клеток;
- бесполое — с помощью специализированных клеток — спор, каждая из которых сама, без слияния с другой клеткой, даёт новую особь;
- половое — две клетки (гаметы) или их ядра сливаются, образуя зиготу с двойным набором хромосом; где-то в цикле обязательно происходит мейоз, возвращающий одинарный набор.
- Деление клеткиэвглена, диатомовые
- Фрагментацияспирогира, ульва, каулерпа
- Выводковые почки, клубенькисфацелярия, хара
- Зооспорыподвижные, со жгутиками
- Апланоспоры и автоспорынеподвижные
- Моноспоры, тетраспорыкрасные водоросли
- Слияние гаметот одинаковых гамет до яйцеклетки и сперматозоида
- Конъюгацияслияние содержимого вегетативных клеток
- Мейозобязательно в каком-то месте цикла
Водоросли — полифилетическая группа: зелёные, красные, бурые, диатомовые и другие водоросли произошли от разных предков (подробнее — в статье «Типы дифференциации таллома водорослей»). Поэтому и сходные способы размножения у них возникали независимо: оогамия, например, появлялась отдельно у вольвоксовых, у эдогониевых, у харовых, у бурых водорослей и у центрических диатомовых [2, 3].
2. Вегетативное размножение
У одноклеточных водорослей вегетативное размножение — это деление клетки. Эвглена делится продольно, хламидомонада — внутри материнской оболочки на 2–8 дочерних клеток, диатомовые делятся на две половинки панциря (раздел 10). У колониальных и многоклеточных водорослей таллом распадается на части:
- фрагментация — разрыв нити или таллома на куски, каждый из которых растёт дальше (спирогира, кладофора, ульва, каулерпа);
- специальные выводковые почки — у бурой водоросли сфацелярии отрываются особые трёхлучевые веточки;
- клубеньки — у харовых на ризоидах образуются звёздчатые клубеньки, заполненные крахмалом, которые переживают зиму и дают новые растения;
- деление колоний — у синуры колония перешнуровывается на две.
Клон-захватчик. В 1984 году у побережья Монако в Средиземное море попала аквариумная форма зелёной водоросли каулерпы Caulerpa taxifolia. За два десятилетия она расселилась по тысячам гектаров дна у Франции, Италии, Испании, Хорватии. Вся эта популяция — практически один клон: аквариумная форма размножалась только вегетативно, обрывками таллома, которые разносили якоря и рыболовные сети [2].
3. Бесполое размножение: споры
Споры образуются в материнских клетках — спорангиях. У одноклеточных водорослей спорангием становится сама клетка, у многоклеточных — особые клетки или вместилища. Споры бывают разными [1, 4]:
| Спора | Чем отличается | У кого |
|---|---|---|
| Зооспора | подвижная, со жгутиками | хламидомонада, улотрикс (4 жгутика), эдогониум (венчик жгутиков), бурые |
| Апланоспора | неподвижная, со своей оболочкой, отличной от материнской | многие зелёные и жёлто-зелёные |
| Автоспора | неподвижная уменьшенная копия материнской клетки | хлорелла, сценедесмус |
| Акинета | вегетативная клетка с толстой оболочкой и запасами, переживает неблагоприятное время | питофора, многие нитчатые, цианобактерии |
| Моноспора | одна неподвижная спора в спорангии | красные (порфира) |
| Тетраспора | четыре споры в спорангии, образуются мейозом | красные, бурая диктиота |
Важно различать споры, образующиеся митозом (они повторяют набор хромосом материнского растения и служат для расселения), и споры, образующиеся мейозом (их набор вдвое меньше, они начинают новое поколение в жизненном цикле). У бурых водорослей это видно по устройству спорангиев: в одногнёздных спорангиях идёт мейоз и образуются гаплоидные зооспоры, в многогнёздных — митоз, и зооспоры сохраняют набор материнского растения [2].
Спора — не обязательно гаплоидна. В школьных задачах часто считают, что спора всегда образуется мейозом. Это верно для спор высших растений, но не для водорослей: зооспоры хламидомонады и улотрикса образуются митозом из гаплоидной клетки, а зооспоры многогнёздных спорангиев бурых водорослей — митозом из диплоидной. Набор хромосом споры определяют по тому, на каком растении и каким делением она образуется.
4. Половое размножение: формы полового процесса
Половой процесс у водорослей удивительно разнообразен. Формы различаются тем, что именно сливается и насколько различаются гаметы [1, 2].
- Хологамия — сливаются целые вегетативные одноклеточные особи, которые сами ведут себя как гаметы (некоторые виды хламидомонады, дуналиелла).
- Конъюгация — сливается содержимое двух безжгутиковых вегетативных клеток через выросты или копуляционный канал (спирогира, зигнема, десмидиевые). У спирогиры при лестничной конъюгации клетки двух соседних нитей соединяются каналами, как ступени лестницы, и содержимое одной клетки перетекает в другую; при боковой — соседние клетки одной нити.
- Изогамия — сливаются одинаковые по размеру и форме подвижные гаметы (улотрикс, многие хламидомонады, эктокарпус). Хотя гаметы выглядят одинаково, они относятся к разным типам спаривания («+» и «−») и сливаются только с гаметой другого типа.
- Гетерогамия (анизогамия) — обе гаметы подвижны, но одна крупнее (женская), другая мельче (мужская): хламидомонада Брауна, кодиум, некоторые бурые.
- Оогамия — крупная неподвижная яйцеклетка и мелкий подвижный сперматозоид: вольвокс, эдогониум, хара, ламинария, фукус. У красных водорослей мужские гаметы — спермации — лишены жгутиков, и их переносит вода (раздел 9).
- Автогамия — сливаются ядра внутри одной клетки после мейоза (у некоторых диатомовых).
Три формы в одном роде. В роде хламидомонада есть все три типа гамет: у Chlamydomonas reinhardtii — изогамия, у C. braunii — гетерогамия, у C. coccifera — оогамия [2]. Это наглядно показывает, что разница между изо-, гетеро- и оогамией — не пропасть, а постепенный переход, который в эволюции водорослей проходили много раз.
Гаметы образуются в гаметангиях. Мужские гаметангии у оогамных водорослей называют антеридиями, женские — оогониями; у красных водорослей женский гаметангий — карпогон с длинным выростом-трихогиной, улавливающим спермации. В отличие от высших растений, у водорослей гаметангии одноклеточные или, если многоклеточные, не окружены стенкой из бесплодных клеток — исключение составляют харовые.
5. Как гаметы находят друг друга
Встреча гамет в воде — задача непростая, и водоросли решают её химией. Многие из них выделяют половые феромоны — вещества, которые привлекают партнёра или запускают созревание гамет.
- Вольвокс. Мужские колонии выделяют гликопротеин — половой индуктор. Он переключает бесполые колонии обоих полов на образование яйцеклеток и сперматозоидов уже при концентрации около 10−16 моль/л — это одна из самых активных известных биологических молекул [5, 6]. Индуктор начинают выделять, например, после теплового стресса — когда пруду грозит пересыхание, и вольвоксу «пора» образовать устойчивые зиготы [7].
- Бурые водоросли. Яйцеклетки ламинарии, фукуса, эктокарпуса выделяют летучие углеводороды (ламоксирен, фукосерратен, эктокарпен), которые привлекают сперматозоиды, а у ламинариевых ещё и вызывают их выброс из антеридиев [8].
- Хламидомонада. Гаметы узнают друг друга по белкам-агглютининам на жгутиках: гаметы «+» и «−» склеиваются жгутиками, затем сливаются.
Морские «пчёлы». В 2022 году французские биологи обнаружили, что красную водоросль грацилярию «опыляют» морские равноногие рачки идотеи. Неподвижные спермации прилипают к панцирю рачка, когда он ползает по мужским растениям, и переносятся на женские. В аквариумах с рачками оплодотворение шло примерно в 20 раз чаще, чем без них. Рачки получают от водоросли укрытие и корм — мелкие водоросли на её поверхности. Это первый известный пример переноса гамет животными у водорослей, и он показывает, что «опыление» могло возникнуть задолго до цветковых растений [9].
6. Жизненные циклы и чередование поколений
Главное в половом размножении — смена гаплоидной (n) и диплоидной (2n) фаз. Слияние гамет удваивает набор хромосом, мейоз его уменьшает. От того, когда происходит мейоз, зависит, какая фаза у водоросли основная. Различают три основных типа жизненного цикла [1, 2, 10]:
- Основная фазагаплоидная (n)
- Мейозв зиготе (зиготический)
- Диплоиднатолько зигота
- Примерыхламидомонада, вольвокс, улотрикс, спирогира, хара
- Основная фазадиплоидная (2n)
- Мейозпри образовании гамет (гаметический)
- Гаплоиднытолько гаметы
- Примерыфукус, диатомовые
- Поколениягаметофит (n) и спорофит (2n)
- Мейозпри образовании спор (споровый)
- Изоморфная сменапоколения одинаковы: ульва, кладофора, эктокарпус
- Гетероморфная сменапоколения различны: ламинария
- Гаплофазный (гаплонтный) цикл — мейоз в зиготе (зиготический мейоз). Вся жизнь водоросли проходит в гаплоидном состоянии, диплоидна только зигота. Так живут хламидомонада, вольвокс, улотрикс, спирогира, хара.
- Диплофазный (диплонтный) цикл — мейоз при образовании гамет (гаметический мейоз). Водоросль диплоидна, гаплоидны только гаметы, как у животных. Так живут фукус и диатомовые.
- Гаплодиплофазный цикл со сменой поколений — мейоз при образовании спор (споровый мейоз). В цикле чередуются гаплоидное поколение — гаметофит (образует гаметы) — и диплоидное — спорофит (образует споры). Если оба поколения выглядят одинаково, смену поколений называют изоморфной (ульва, кладофора, эктокарпус, диктиота); если различаются — гетероморфной (ламинария: огромный спорофит и микроскопический гаметофит).
У красных водорослей цикл ещё сложнее — трёхфазный: гаметофит, карпоспорофит и тетраспорофит (раздел 9).
Как определить набор хромосом. 1) Найти в цикле мейоз и оплодотворение. 2) Всё, что между оплодотворением и мейозом, — 2n; всё, что между мейозом и оплодотворением, — n. 3) Митоз набор не меняет: гаметы гаметофита, образованные митозом, гаплоидны; зооспоры спорофита, образованные митозом, диплоидны.
7. Зелёные водоросли: хламидомонада, вольвокс, улотрикс, спирогира, ульва
Хламидомонада
Взрослая клетка хламидомонады гаплоидна. При бесполом размножении она теряет жгутики и митозом делится внутри оболочки на 2–8 зооспор. При недостатке азота клетки превращаются в гаметы двух типов спаривания — mt+ и mt−. Гаметы сливаются, зигота покрывается толстой оболочкой и переживает неблагоприятные условия. При прорастании в ней происходит мейоз, и выходят четыре гаплоидные клетки — по две каждого типа [11].
Интересная деталь: хлоропласт зиготы наследуется только от гаметы mt+ — ДНК хлоропласта гаметы mt− разрушается после слияния. Это открытие Р. Сейджер (1950–1960-е) стало одним из первых доказательств внеядерной наследственности.
Вольвокс
Бесполое размножение вольвокса идёт через гонидии: каждый крупный гонидий делится и образует дочернюю колонию, которая выворачивается наизнанку и выходит из материнской. Половое размножение — оогамия: в мужских колониях образуются пакеты сперматозоидов, в женских — яйцеклетки; зигота с толстой оболочкой переживает зиму, а весной после мейоза даёт новую колонию [7]. Пол у вольвокса определяется участком хромосомы — локусом типа спаривания. Его главный ген MID, который у хламидомонады лишь отличает тип «−» от типа «+», у вольвокса стал определять пол: если включить мужской MID в женской особи, она образует сперматозоиды [12].
Улотрикс
Нить улотрикса гаплоидна. Бесполое размножение — зооспорами с четырьмя жгутиками, которые образуются митозом. Половое — изогамия: в клетках нити образуются многочисленные гаметы с двумя жгутиками, они сливаются попарно (только «+» с «−»), зигота отдыхает, а потом делится мейозом и даёт 4 зооспоры, из которых вырастают новые нити. Жизненный цикл — гаплофазный.
Спирогира
Спирогира размножается вегетативно — фрагментами нити, а половым путём — конъюгацией. Содержимое одной клетки перетекает в другую, зигота покрывается толстой оболочкой. Весной в ней проходит мейоз, из четырёх ядер три разрушаются, и из зиготы вырастает одна новая нить. Жизненный цикл — гаплофазный, жгутиковых стадий нет вовсе.
Ульва
У ульвы два одинаковых на вид поколения: гаплоидный гаметофит и диплоидный спорофит. Спорофит образует путём мейоза зооспоры с четырьмя жгутиками, из них вырастают гаметофиты — мужские и женские. Гаметофиты выпускают гаметы с двумя жгутиками, из зиготы вырастает спорофит. Различить поколения можно только под микроскопом по числу хромосом или по тому, что они выпускают. Это изоморфная смена поколений.
Зелёные приливы. Ульва размножается так быстро, что в тёплой воде, богатой удобрениями, образует «зелёные приливы» — массовые выбросы на пляжи. Такие события ежегодно наблюдаются в Жёлтом море у берегов Китая и на побережье Бретани; гниющая масса выделяет сероводород, опасный для людей и животных.
Эдогониум и хара
У эдогониума оогамия, а у некоторых видов мужские нити — карликовые: особые споры прикрепляются прямо к женской нити возле оогония и вырастают в крошечные мужские растения из нескольких клеток. У харовых — оогамия со сложными половыми органами: оогоний окружён спирально закрученными защитными клетками, а антеридии похожи на оранжевые шарики. Цикл у обоих — гаплофазный.
8. Бурые водоросли: эктокарпус, ламинария, фукус
Эктокарпус: изоморфная смена поколений
Эктокарпус — нитчатая бурая водоросль и главная модель для изучения биологии бурых водорослей; его геном прочитан в 2010 году [13]. Гаметофит и спорофит у него похожи. Спорофит несёт одногнёздные спорангии (мейоз) и многогнёздные (митоз). Гаметофиты бывают мужскими и женскими.
Пол у эктокарпуса определяется не в диплоидной, а в гаплоидной фазе — по системе половых хромосом U (женская) и V (мужская). Эти хромосомы разошлись больше 70 млн лет назад, но почти не деградировали: в гаплоидной фазе каждая из них работает «в одиночку», и отбор быстро удаляет вредные мутации [14].
Ламинария: гетероморфная смена поколений
То, что мы называем ламинарией (морской капустой), — диплоидный спорофит длиной в несколько метров. На пластине образуются сорусы из одногнёздных спорангиев, в которых путём мейоза образуются гаплоидные зооспоры. Из зооспор вырастают микроскопические нитчатые гаметофиты — мужские и женские, — всего из нескольких клеток. На женском созревают яйцеклетки, на мужском — сперматозоиды; яйцеклетка выделяет феромон ламоксирен, вызывающий выброс сперматозоидов. Из зиготы прямо на женском гаметофите вырастает новый спорофит [2].
Понимание этого цикла стало основой выращивания ламинарии: на фермах сначала выращивают гаметофиты в лаборатории, затем молодые спорофиты на верёвках выставляют в море. Сейчас это крупнейшая в мире аквакультура водорослей.
Фукус: диплофазный цикл
У фукуса вообще нет гаплоидного поколения. На концах ветвей диплоидного таллома образуются вздутия — рецептакулы, усеянные ямками-концептакулами. В оогониях мейоз и затем митоз дают 8 яйцеклеток, в антеридиях мейоз и затем четыре митоза — 64 сперматозоида. Гаметы выходят в воду, оплодотворение наружное, и из зиготы сразу вырастает новый диплоидный таллом. Цикл — диплофазный, как у животных [2].
Зигота, которая знает, где низ. Только что оплодотворённая яйцеклетка фукуса — идеальный шар без полярности. В первые часы она «решает», где будет ризоид: на стороне, обращённой от света. Там в клетку начинают входить ионы кальция, возникает электрический ток, перестраиваются актиновые нити, и первое деление оказывается неравным — на клетку ризоида и клетку таллома [15]. Зигота фукуса — классическая модель того, как одна клетка получает полярность.
9. Красные водоросли: трёхфазный цикл
У красных водорослей нет жгутиков ни на одной стадии, и половой процесс у них особый. Мужские гаметы — неподвижные спермации — переносятся водой (а у грацилярии — ещё и рачками, раздел 5). Женский гаметангий — карпогон с выростом-трихогиной, к которой прилипает спермаций. Его ядро проходит по трихогине к ядру карпогона. Из зиготы вырастает особое поколение — карпоспорофит, которое живёт прямо на женском растении, как паразит, и образует много диплоидных карпоспор. Так одно оплодотворение многократно «размножается» — это приспособление к тому, что встреча неподвижных гамет — редкая удача.
У полисифонии и многих других красных водорослей цикл трёхфазный: гаплоидный гаметофит → диплоидный карпоспорофит на гаметофите → свободноживущий диплоидный тетраспорофит, похожий на гаметофит. На тетраспорофите в тетраспорангиях путём мейоза образуются по четыре гаплоидные тетраспоры — две дают мужские, две женские гаметофиты [2, 4].
«Мать нори». Порфиру, из которой делают нори для суши, в Японии собирали веками, но не умели выращивать: никто не знал, откуда каждый год берутся молодые растения. В 1949 году английский альголог К. Дрю-Бейкер показала, что мелкая розовая водоросль «конхоцелис», живущая в раковинах моллюсков, — это не отдельный вид, а диплоидная стадия порфиры [16]. Японские фермеры научились «засевать» сети спорами конхоцелиса с раковин, и производство нори стало промышленным. В префектуре Кумамото Дрю-Бейкер поставлен памятник, и каждый год там проходит праздник в её честь.
10. Диатомовые: клетки, которые уменьшаются
Клетка диатомовой водоросли заключена в кремнезёмный панцирь из двух половинок, вложенных одна в другую, как крышка и донышко коробки. При делении каждая дочерняя клетка получает одну старую половинку и достраивает к ней новую — всегда внутреннюю, меньшую. Клетка, получившая «донышко», становится меньше материнской. Поэтому средний размер клеток в популяции с каждым поколением уменьшается (правило Макдональда — Пфитцера, 1869) [17].
Когда клетки уменьшаются до критического размера — обычно до 30–40 % от максимального, — включается половое размножение. Диатомовые диплоидны, гаметы образуются мейозом, цикл диплофазный. Зигота не одевается сразу жёстким панцирем, а разрастается в крупную ауксоспору («растущую спору»), внутри которой формируется новая клетка максимального размера. Так половой процесс у диатомовых не только перемешивает гены, но и восстанавливает размер клеток. У центрических диатомовых половой процесс — оогамия, у пеннатных — обычно изогамия безжгутиковых амебоидных гамет [17].
11. Эволюция пола у водорослей
Водоросли — главный материал для понимания того, как появились мужской и женский пол. Сравнение родственных видов вольвоксовых показывает весь путь: от одинаковых гамет хламидомонады через гаметы разного размера к яйцеклетке и сперматозоиду вольвокса. Почему гаметы расходятся по размеру? Теория разрушающего отбора объясняет: выгодно либо производить много мелких гамет (больше шансов встретить партнёра), либо немного крупных (больше запасов для зиготы), а промежуточные гаметы проигрывают обоим вариантам [3].
Гены подтверждают преемственность: ген MID, определяющий тип спаривания у изогамной хламидомонады, у оогамного вольвокса определяет пол [12]. А у бурых водорослей пол определяется в гаплоидной фазе хромосомами U и V — системой, принципиально отличающейся от XY животных и растений [14]. Оогамия у водорослей возникала многократно и независимо — ещё одно следствие того, что водоросли — сборная группа.
Почему у водорослей так много типов циклов? Гаплоидная фаза выгодна тем, что вредные мутации сразу проявляются и удаляются отбором; диплоидная — тем, что две копии генов маскируют повреждения и позволяют накапливать изменчивость. Смена поколений позволяет использовать преимущества обеих фаз, а изоморфная или гетероморфная форма цикла зависит от условий: у ламинарии микроскопический гаметофит может переживать неблагоприятный сезон, спрятавшись на дне, а огромный спорофит быстро растёт летом [10].
12. История изучения
- 1803Ж. П. Воше описывает конъюгацию у спирогиры
- 1854Г. Тюре наблюдает оплодотворение у фукуса
- 1869Дж. Макдональд и Э. Пфитцер: клетки диатомей мельчают при делениях
- 1949К. Дрю-Бейкер: конхоцелис — диплоидная стадия порфиры
- 1954Р. Сейджер: хлоропласты хламидомонады наследуются от одного родителя
- 1974Р. Стар и Л. Енике выделяют половой индуктор вольвокса
- 1986И. Майер и Д. Мюллер: обзор половых феромонов водорослей
- 2010Прочитан геном бурой водоросли эктокарпуса
- 2014Половые хромосомы U и V эктокарпуса; ген MID определяет пол вольвокса
- 2022Рачки идотеи «опыляют» красную водоросль грацилярию
- классическая альгология
- молекулярная биология и геномика
13. Интересные факты
- Капля в озере. Половой индуктор вольвокса действует при концентрации 10−16 моль/л — это около 60 тысяч молекул в миллилитре воды, а на одну колонию для полного эффекта хватает около 3000 молекул [5].
- Рачки-опылители. Красную водоросль грацилярию «опыляют» рачки идотеи — первый пример переноса гамет животными у водорослей [9].
- Нори в раковинах. Целое поколение порфиры живёт внутри раковин моллюсков, и без этого знания не было бы промышленного выращивания нори [16].
- Половые хромосомы у гаплоидов. У бурой водоросли эктокарпуса пол определяют хромосомы U и V, причём в гаплоидной фазе [14].
- Карликовые самцы. У некоторых эдогониумов мужское растение — несколько клеток, растущих прямо на женской нити.
- Наследство от «плюса». Хлоропласты хламидомонады наследуются только от одного родителя — гаметы mt+.
- Клеткам нужен секс, чтобы вырасти. Без полового процесса диатомовые в культуре мельчают и в конце концов погибают — главная трудность их долгого выращивания в лаборатории [17].
14. Что нужно знать для ЕГЭ
В ЕГЭ по биологии [18] размножение водорослей проверяют прежде всего в заданиях на жизненные циклы и наборы хромосом. Нужно уверенно знать циклы четырёх водорослей:
| Водоросль | Основное поколение | Где мейоз | Гаметы и споры |
|---|---|---|---|
| Хламидомонада | гаплоидная клетка (n) | в зиготе | зооспоры (n) и гаметы (n) — митозом |
| Улотрикс | гаплоидная нить (n) | в зиготе | зооспоры (n) с 4 жгутиками и гаметы (n) с 2 жгутиками — митозом |
| Спирогира | гаплоидная нить (n) | в зиготе | спор нет, половой процесс — конъюгация |
| Ламинария | диплоидный спорофит (2n) | в спорангиях спорофита | зооспоры (n) — мейозом; гаметы (n) на гаметофите — митозом |
Ловушки. 1) Гаметы водорослей образуются митозом, если гаметофит гаплоиден (хламидомонада, улотрикс, ламинария), — а не мейозом, как у животных. 2) Зооспоры хламидомонады и улотрикса — гаплоидны и образуются митозом. 3) У ламинарии крупное растение — спорофит (2n), а гаметофит микроскопический. 4) Зигота водорослей диплоидна; у хламидомонады, улотрикса, спирогиры она делится мейозом. 5) Конъюгация у спирогиры — половой процесс, в отличие от конъюгации у бактерий, где передаётся только часть ДНК без слияния клеток.
Пример стандартного ответа: «Клетки нити улотрикса гаплоидны (n), так как развиваются из зооспоры, образованной мейозом из зиготы. Гаметы гаплоидны (n), так как образуются из клеток нити митозом».
15. Для олимпиад
Сколько гамет даёт гаметангий
Число гамет — степень двойки, если гаметангий делится по ходу мейоза и митозов. Мейоз даёт 4 клетки, каждый следующий митоз удваивает их число. Оогоний фукуса: мейоз + один митоз = 8 яйцеклеток. Антеридий фукуса: мейоз + 4 митоза = 64 сперматозоида. Тетраспорангий красных водорослей: только мейоз = 4 тетраспоры.
Уменьшение диатомей
Если половинка панциря меньше материнской на величину Δ, то за n поколений самая мелкая клетка популяции уменьшается на nΔ, а средний размер — примерно на nΔ/2: в каждом делении только одна из двух дочерних клеток мельчает. Сколько поколений до критического размера, легко оценить по этим формулам (задание 13).
Концентрация и число молекул
Чтобы представить себе 10−16 моль/л, переведите в число молекул: 10−16 моль/л × 6,02 · 1023 моль−1 = 6 · 107 молекул в литре, то есть около 60 тысяч в миллилитре . Для озера площадью 1 км² и глубиной 10 м (1010 л) хватило бы 10−6 моль индуктора — около 30 мг белка с молекулярной массой около 30 000.
Трёхфазный цикл
Карпоспорофит красных водорослей — диплоидное поколение, живущее на гаплоидном гаметофите. Это аналог спорофита мхов, живущего на гаметофите, но возникший независимо. На олимпиадах часто просят разметить наборы хромосом на схеме цикла полисифонии: гаметофит n, спермации и карпогон n, карпоспорофит и карпоспоры 2n, тетраспорофит 2n, тетраспоры n.
Задания с разбором
Задание 1
Назовите формы полового процесса у водорослей и приведите по одному примеру.
Ответ
Хологамия (некоторые хламидомонады, дуналиелла); конъюгация (спирогира); изогамия (улотрикс); гетерогамия (хламидомонада Брауна, кодиум); оогамия (вольвокс, хара, фукус, ламинария); автогамия (некоторые диатомовые).
Задание 2
Какой набор хромосом у клеток нити улотрикса, его зооспор и гамет? Из каких клеток и каким делением они образуются?
Ответ
Клетки нити — n: нить развивается из зооспоры, образованной мейозом из зиготы. Зооспоры — n: образуются из клеток нити митозом. Гаметы — n: образуются из клеток нити митозом.
Задание 3
Определите набор хромосом спор ламинарии и клеток её гаметофита. Из каких клеток и каким делением они образуются?
Ответ
Споры — n: образуются из клеток спорангиев спорофита (2n) мейозом. Гаметофит — n: развивается из споры митозом. Гаметы — n: образуются на гаметофите митозом.
Задание 4
Чем жизненный цикл фукуса отличается от цикла ламинарии?
Ответ
У фукуса цикл диплофазный: нет гаплоидного поколения, мейоз происходит при образовании гамет в оогониях и антеридиях, из зиготы сразу вырастает новый таллом. У ламинарии гаплодиплофазный цикл с гетероморфной сменой поколений: мейоз при образовании спор, из спор вырастают микроскопические гаплоидные гаметофиты.
Задание 5
Почему у спирогиры из одной зиготы вырастает одна нить, хотя в зиготе проходит мейоз?
Ответ
После мейоза образуются четыре гаплоидных ядра, но три из них разрушаются, и при прорастании зиготы остаётся одна гаплоидная клетка, которая и даёт нить.
Задание 6
Чем различаются одногнёздные и многогнёздные спорангии бурых водорослей?
Ответ
В одногнёздных спорангиях идёт мейоз, и образуются гаплоидные зооспоры, дающие гаметофиты. В многогнёздных — митоз: зооспоры сохраняют набор хромосом материнского растения и служат для его размножения.
Задание 7
Что такое карпоспорофит? Какой у него набор хромосом и какое значение он имеет?
Ответ
Карпоспорофит — диплоидное поколение красных водорослей, вырастающее из зиготы прямо на женском гаметофите. Он образует много карпоспор (2n), из которых вырастают тетраспорофиты. Так одно оплодотворение даёт множество потомков — важно для водорослей с неподвижными мужскими гаметами.
Задание 8
Почему у диатомовых половой процесс необходим для выживания популяции?
Ответ
При делении одна дочерняя клетка получает меньшую половинку панциря и становится меньше; средний размер клеток постепенно падает. Достигнув критического размера, клетки размножаются половым путём: зигота разрастается в ауксоспору и восстанавливает максимальный размер. Без этого клетки мельчали бы до гибели.
Задание 9
Объясните, почему у хламидомонады зигота покрывается толстой оболочкой, а половое размножение начинается при недостатке азота.
Ответ
Недостаток азота — сигнал ухудшения условий. Зигота с толстой оболочкой — покоящаяся стадия, переживающая неблагоприятное время (высыхание водоёма, зиму). Одновременно половой процесс создаёт новые сочетания генов, что повышает шансы потомства выжить в новых условиях.
Задание 10
Как называется смена поколений у ульвы и у ламинарии? В чём разница?
Ответ
У ульвы — изоморфная: гаметофит и спорофит одинаковы на вид. У ламинарии — гетероморфная: спорофит крупный (до нескольких метров), гаметофит микроскопический.
Задание 11 (олимпиадное)
Сколько яйцеклеток образуется в оогонии фукуса и сколько сперматозоидов — в антеридии, если в оогонии после мейоза проходит один митоз, а в антеридии — четыре? Сколько молекул полового индуктора вольвокса содержится в 1 мл воды при концентрации 10−16 моль/л?
Разбор
Оогоний: 4 · 2 = 8 яйцеклеток. Антеридий: 4 · 24 = 64 сперматозоида. Индуктор: 10−16 · 6,02 · 1023 = 6,0 · 107 молекул в литре, то есть 6,0 · 104 (60 тысяч) в миллилитре.
Задание 12 (олимпиадное)
На схеме трёхфазного цикла полисифонии укажите наборы хромосом: гаметофит, спермаций, карпогон, зигота, карпоспорофит, карпоспора, тетраспорофит, тетраспора. Где проходит мейоз? Сколько тетраспор даёт один тетраспорангий и какого они пола?
Разбор
Гаметофит n, спермаций n, карпогон n, зигота 2n, карпоспорофит 2n, карпоспора 2n, тетраспорофит 2n, тетраспора n. Мейоз — в тетраспорангиях тетраспорофита. Четыре тетраспоры: две дают мужские гаметофиты, две — женские.
Задание 13 (олимпиадное)
Диаметр клетки диатомеи 100 мкм. Каждая новая половинка панциря меньше материнской на 0,5 мкм. Половой процесс начинается, когда клетки достигают 40 мкм. Через сколько поколений появится первая клетка такого размера? Через сколько поколений до него дойдёт средний размер клеток популяции?
Разбор
Самая мелкая клетка уменьшается на 0,5 мкм за поколение: (100 − 40) / 0,5 = 120 поколений. Средний размер уменьшается вдвое медленнее (0,25 мкм за поколение): (100 − 40) / 0,25 = 240 поколений.
Задание 14 (олимпиадное)
В опыте 2022 года с красной водорослью грацилярией в аквариумах с рачками-идотеями оплодотворение шло примерно в 20 раз чаще, чем без них. Предложите контроль, который показал бы, что дело именно в переносе спермациев рачками, а не, например, в перемешивании воды их движением.
Разбор
Например: 1) перемешивать воду в аквариуме без рачков с той же интенсивностью; 2) переносить рачков, побывавших только на мужских растениях, в аквариум с женскими растениями без мужских и проверить оплодотворение; 3) искать спермации на панцире рачков под микроскопом. Авторы использовали второй вариант: рачки, перенесённые от мужских растений к женским, вызывали оплодотворение.
Литература
- Белякова Г. А., Дьяков Ю. Т., Тарасов К. Л. Ботаника: в 4 т. Т. 1. Водоросли и грибы. М.: Академия, 2006 (учебник биологического факультета МГУ).
- Lee R. E. Phycology. 5th ed. Cambridge University Press, 2018.
- Umen J., Coelho S. Algal sex determination and the evolution of anisogamy // Annual Review of Microbiology. 2019. Vol. 73. P. 267–291.
- Graham L. E., Graham J. M., Wilcox L. W., Cook M. E. Algae. 3rd ed. LJLM Press, 2016.
- Starr R. C., Jaenicke L. Purification and characterization of the hormone initiating sexual morphogenesis in Volvox carteri f. nagariensis // PNAS. 1974. Vol. 71. P. 1050–1054.
- Hallmann A. Extracellular matrix and sex-inducing pheromone in Volvox // International Review of Cytology. 2003. Vol. 227. P. 131–182.
- Kirk D. L. Volvox: Molecular-Genetic Origins of Multicellularity and Cellular Differentiation. Cambridge University Press, 1998.
- Maier I., Müller D. G. Sexual pheromones in algae // Biological Bulletin. 1986. Vol. 170. P. 145–175.
- Lavaut E., Guillemin M.-L., Colin S. et al. Pollinators of the sea: a discovery of animal-mediated fertilization in seaweed // Science. 2022. Vol. 377. P. 528–530.
- Coelho S. M., Peters A. F., Charrier B. et al. Complex life cycles of multicellular eukaryotes: new approaches based on the use of model organisms // Gene. 2007. Vol. 406. P. 152–170.
- Harris E. H. The Chlamydomonas Sourcebook. Vol. 1. 2nd ed. Academic Press, 2009.
- Geng S., De Hoff P., Umen J. G. Evolution of sexes from an ancestral mating-type specification pathway // PLoS Biology. 2014. Vol. 12. Art. e1001904.
- Cock J. M., Sterck L., Rouzé P. et al. The Ectocarpus genome and the independent evolution of multicellularity in brown algae // Nature. 2010. Vol. 465. P. 617–621.
- Ahmed S., Cock J. M., Pessia E. et al. A haploid system of sex determination in the brown alga Ectocarpus sp. // Current Biology. 2014. Vol. 24. P. 1945–1957.
- Brownlee C., Bouget F.-Y. Polarity determination in Fucus: from zygote to multicellular embryo // Seminars in Cell & Developmental Biology. 1998. Vol. 9. P. 179–185.
- Drew K. M. Conchocelis-phase in the life-history of Porphyra umbilicalis (L.) Kütz. // Nature. 1949. Vol. 164. P. 748–749.
- Chepurnov V. A., Mann D. G., Sabbe K., Vyverman W. Experimental studies on sexual reproduction in diatoms // International Review of Cytology. 2004. Vol. 237. P. 91–154.
- ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г.


Обсуждение
Загружаем обсуждение…