Quá trình sinh sản hữu tính

Sinh sản hữu tính (tiếng Anh: sexual reproduction) là quá trình tạo ra sinh vật mới bằng cách kết hợp vật liệu di truyền từ hai sinh vật khác nhau. Quá trình này xảy ra ở cả sinh vật đa bào và đơn bào: ở sinh vật đa bào, một cá thể được tái tạo; còn ở sinh vật đơn bào, tế bào gốc có thêm vật liệu di truyền hoặc chuyển đổi. Trong quá trình gọi là tái tổ hợp di truyền, DNA từ hai cá thể khác nhau tham gia để sắp xếp lại các dãy di truyền tương đồng và trao đổi thông tin di truyền. Sau khi tái tổ hợp di truyền sinh ra, nó được truyền cho thế hệ kế tiếp.

Sinh sản hữu tính là phương pháp chính để sinh sản của hầu hết sinh vật đa bào, bao gồm hầu hết các động vật và thực vật. Sự phát triển của sinh sản hữu tính là một vấn đề lớn. Các bằng chứng hóa thạch đầu tiên của sinh sản hữu tính ở sinh vật đa bào là từ kỷ Stenos, khoảng một đến một tỷ hai trăm triệu năm trước. Có hai quá trình chính trong sinh sản hữu tính ở sinh vật đa bào: giảm phân, liên quan đến việc giảm một nửa số lượng nhiễm sắc thể và thụ tinh, liên quan đến sự hợp nhất của hai giao tử và phục hồi số lượng ban đầu của nhiễm sắc thể. Trong giảm phân, nhiễm sắc thể của mỗi cặp thường xuyên trao đổi thông tin di truyền để đạt được sự tái tổ hợp tương đồng. Các ý tưởng của thuyết tiến hóa đã đưa ra một số giải thích cho việc sinh sản hữu tính phát triển và duy trì. Những lý do bao gồm chống lại tích lũy của các đột biến có hại, tăng tốc độ thích nghi với các thay đổi môi trường, đối phó với sự cạnh tranh hoặc thích nghi để sửa chữa những tổn thương của DNA và che giấu các đột biến có hại. Việc duy trì sinh sản hữu tính đã được giải thích bằng các mô hình thích nghi với các cấp độ khác nhau của sự chọn lọc tự nhiên, mặc dù vẫn còn nhiều mô hình tranh cãi. Tuy nhiên, những mô hình mới đề xuất gần đây đã đưa ra giả thiết về một lợi thế cơ bản cho sinh sản hữu tính ở các sinh vật phức tạp và sinh sản chậm, thể hiện các đặc tính phụ thuộc vào môi trường cụ thể mà các loài sống, và các chiến lược tồn tại cụ thể mà chúng sử dụng.

Vi khuẩn và vi khuẩn cổ

Ba quá trình riêng biệt ở sinh vật nhân sơ được coi là tương đương với nguồn gốc và chức năng của quá trình giảm phân: 1) Sự biến đổi của vi khuẩn liên quan đến việc hấp thụ DNA từ bên ngoài vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn, 2) Sự kết hợp của vi khuẩn là quá trình truyền plasmid DNA giữa các vi khuẩn, mặc dù hiếm khi plasmid được tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn, 3) Chuyển gen và trao đổi di truyền giữa các vi khuẩn cổ.

Sự biến đổi của vi khuẩn liên quan đến quá trình tái tổ hợp vật liệu di truyền và chức năng chủ yếu là sự thích nghi với việc sửa đổi DNA. Sự biến đổi của vi khuẩn là một quá trình phức tạp được mã hóa bởi nhiều gen của vi khuẩn, và là sự thích nghi của vi khuẩn để chuyển giao DNA. Quá trình này tự nhiên xảy ra ở ít nhất 40 loài vi khuẩn khác nhau. Để ràng buộc, kết hợp và tái tổ hợp DNA từ bên ngoài vào nhiễm sắc thể của mình, vi khuẩn phải đi vào trạng thái sinh lý đặc biệt gọi là tải nạp (competence) (xem Tải nạp tự nhiên). Sinh sản hữu tính ở những sinh vật đơn bào đầu tiên có thể đã tiến hóa từ sự biến đổi của vi khuẩn hoặc từ quá trình tương tự ở vi khuẩn cổ (xem bên dưới).

Ngược lại, sự kết hợp của vi khuẩn là một hình thức chuyển giao DNA trực tiếp giữa hai vi khuẩn thông qua một cơ quan phụ là lông kết hợp. Sự kết hợp của vi khuẩn được điều khiển bởi các gen plasmid, đã thích nghi để phân phối các bản sao của plasmid giữa các vi khuẩn. Sự tích hợp không thường xuyên của một plasmid vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn chủ và sự chuyển giao một phần của nhiễm sắc thể của vi khuẩn chủ ngay sau đó có vẻ không phải là sự thích nghi của vi khuẩn.

Sự tiếp xúc giữa các chủng vi khuẩn cổ ưa nhiệt độ cao trong chi Sulfolobus với các điều kiện gây tổn thương DNA dẫn đến sự tập hợp tế bào, kèm theo sự trao đổi dấu hiệu di truyền ở tần suất cao. Ajon et al. đưa ra giả thuyết rằng sự tập hợp tế bào này giúp củng cố khả năng sửa chữa DNA tùy thuộc vào từng loài cụ thể bằng quá trình tái tổ hợp tương đồng. Sự chuyển giao DNA ở chi Sulfolobus có thể là một hình thức tương tác hữu tính ban đầu tương tự như quá trình chuyển đổi hệ thống ở vi khuẩn đã được nghiên cứu kỹ và cũng liên quan đến sự chuyển giao DNA tùy thuộc vào từng loài cụ thể, dẫn đến quá trình tái tổ hợp tương đồng để sửa chữa tổn thương DNA.

Thực vật

Bài viết chính: Sinh sản ở thực vật

Động vật thường tạo ra tinh trùng là giao tử đực và trứng cùng noãn là giao tử cái ngay sau khi giảm phân, với giao tử được tạo ra trực tiếp bởi giảm phân. Ngược lại, ở thực vật, có quá trình nguyên phân xảy ra trong bào tử, được tạo ra bởi quá trình giảm phân. Các bào tử phát triển thành giai đoạn thể giao tử. Các thể giao tử ở các nhóm thực vật khác nhau có độ lớn khác nhau. Thực vật hạt kín thường có khoảng ba tế bào trong hạt phấn, trong khi rêu và các loại thực vật cổ đại khác có thể có đến vài triệu tế bào. Thực vật trải qua sự luân phiên giữa các thế hệ, khi giai đoạn bào tử được tiếp theo bởi giai đoạn thể giao tử. Giai đoạn bào tử tạo ra bào tử trong bọc bào tử bằng quá trình giảm phân.

Thực vật có hoa

Các thực vật có hoa là những loài thực vật chiếm ưu thế trên mặt đất và chúng sinh sản bằng cả phương pháp vô tính và hữu tính. Đặc điểm phân biệt chính của chúng thường là hoa. Phấn hoa chứa thể giao tử đực và phải được gắn liền với đầu nhụy để thụ phấn xảy ra. Sau khi ống phấn phát triển xuyên qua vòi nhụy của lá noãn, tế bào giới tính sẽ thụ tinh và phát triển thành phôi. Quá trình này được gọi là thụ tinh kép. Bầu nhụy sau đó phát triển thành quả và bao bọc hạt. Thực vật có thể tự thụ phấn hoặc thụ phấn chéo. Các loài không có hoa như dương xỉ và rêu sử dụng các phương pháp sinh sản hữu tính khác.

Vào năm 2013, các nhà khoa học đã phát hiện những bông hoa có niên đại từ Kỷ Creta (khoảng 100 triệu năm trước) trong các mẫu hổ phách, là bằng chứng cổ nhất về sự sinh sản hữu tính ở thực vật có hoa. Các hình ảnh hiển thị các ống phấn đâm xuyên qua đầu nhụy của hoa, với hạt phấn dính được mang đi bởi côn trùng.

Dương xỉ chủ yếu sinh sản bằng cách tạo ra các thể bào tử lưỡng bội lớn, màu xanh trên các lá. Những thể bào tử này được giải phóng và nảy mầm thành các thể bào tử nhỏ, màu xanh có hình dạng trái tim. Các tinh trùng có khả năng di chuyển từ túi đực và tế bào trứng từ các túi chứa noãn. Sau khi được giải phóng vào môi trường ẩm ướt, tinh trùng di chuyển đến túi chứa noãn để thụ tinh trứng. Hợp tử sẽ phát triển thành một cây dạng bào tử mới. Những thực vật khác như psilotum, lycopodium, selaginella và equisetum cũng có hình thức sinh sản tương tự.

Dương xỉ là loài thực vật chủ yếu sinh sản bằng cách tạo ra các bào tử lưỡng bội lớn, màu xanh trên các lá. Các bào tử này được giải phóng và nảy mầm thành các thể bào tử nhỏ, màu xanh dạng trái tim. Các tinh trùng có khả năng di chuyển từ túi đực và tế bào trứng từ các túi chứa noãn. Sau khi giải phóng vào môi trường ẩm ướt, tinh trùng di chuyển đến túi chứa noãn để thụ tinh trứng. Hợp tử phát triển thành cây dạng bào tử mới. Những thực vật khác như psilotum, lycopodium, selaginella và equisetum cũng có cách sinh sản tương tự.

Các loài rêu chủ yếu sinh sản bằng phương pháp sinh sản hữu tính. Trên lá của chúng, các bọc bào tử được tạo ra và sau đó giải phóng để nảy mầm thành các thể bào tử mỏng và ngắn, màu xanh dạng trái tim. Các tinh trùng có khả năng di chuyển từ túi đực và tế bào trứng từ các túi chứa noãn. Khi có mưa hoặc sương, tinh trùng có khả năng di chuyển sẽ bơi lội theo lớp nước để thụ tinh cho trứng. Hợp tử phát triển thành cây dạng bào tử mới. Điều này gọi là sự luân phiên giữa các thế hệ của các loài rêu.

Các loại rêu, bao gồm rêu tản, rong nước, và ngành rêu đều thực hiện sinh sản hoặc sinh dưỡng. Chúng là các loại thực vật nhỏ được tìm thấy phát triển ở những nơi ẩm ướt, cần nước để thúc đẩy sinh sản hữu tính. Những loại thực vật này bắt đầu bằng một bào tử đơn, sau đó phát triển thành một cơ thể đơn bào đa bào với cấu trúc lá và khả năng quang hợp. Sinh sản hữu tính diễn ra qua quá trình nguyên phân, tạo ra giao tử trong túi đực và túi noãn. Rêu thể hiện sự đa dạng trong cấu trúc sinh sản, với từng loài có thể có giới tính khác nhau.

Các loài nấm

Bài viết chính: Giao phối ở nấm

Các loài nấm được phân loại dựa trên cách sinh sản hữu tính. Kết quả thường là việc tạo ra bào tử ngủ yên, giúp chúng tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt và lan truyền. Quá trình sinh sản hữu tính ở nấm bao gồm plasmogamy, karyogamy và quá trình giảm phân.

Động vật

Các loài côn trùng

Các chủng loài côn trùng chiếm hơn hai phần ba số lượng các loài động vật hiện nay. Hầu hết chúng giao phối để sinh sản, mặc dù một số loài có thể giao phối một mình. Nhiều loài có tính lưỡng hình sinh sản, trong khi khác có hai giới tính rõ rệt. Đực tạo ra tinh trùng và cái tạo ra noãn, sau đó noãn phát triển thành trứng với màng đệm bọc bao. Côn trùng có nhiều chiến lược sinh sản, với kết quả là đực gởi tinh trùng vào cơ thể cái để thụ tinh. Trứng có thể phát triển ngoài cơ thể cái hoặc trong cơ thể cái, trở thành con non sau khi sinh ra.

Các loài động vật có vú

Hiện nay có ba nhóm động vật có vú: Động vật đơn huyệt, Eutheria và Thú có túi, tất cả đều thụ tinh trong. Ở động vật mang thai (Eutheria), con non sinh ra với cơ thể hoàn chỉnh dù chưa có chức năng sinh sản. Sau vài tháng hoặc năm, cơ quan sinh dục phát triển đầy đủ. Hầu hết con cái chỉ có thể sinh sản trong các chu kỳ động dục nhất định, khi sẵn sàng giao phối. Đực và cái thường gặp nhau để giao phối. Với hầu hết các loài, đực và cái duy trì mối quan hệ suốt đời.

Hệ sinh sản ở động vật có vú đực bao gồm dương vật và tinh hoàn, nơi sản sinh tinh trùng. Ở người, chúng nằm ngoài bụng, trong khi ở một số loài khác, chúng có thể nằm bên trong. Vị trí này giúp điều tiết nhiệt độ cho tinh trùng và giảm tỉ lệ đột biến gen. Tinh trùng sống không lâu, do đó con đực phải liên tục sản sinh tinh trùng.

Hệ sinh sản ở động vật có vú cái tương tự như đực, với âm đạo và tử cung để tiếp nhận và giữ tinh trùng. Buồng trứng tạo noãn và kết hợp với tinh trùng để thụ tinh. Thai nhi phát triển trong tử cung và được sinh ra qua âm đạo.

Noãn là những tế bào sinh dục của con cái, lớn hơn rất nhiều so với tinh trùng và được hình thành trong buồng trứng trước khi sinh sản. Chúng giữ vị trí ổn định trong buồng trứng trước khi di chuyển xuống tử cung và chứa các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự hợp nhất và phát triển của phôi sau này. Theo chu kỳ kinh nguyệt ở người và những loài khỉ không đuôi lớn, noãn sẽ bị đẩy ra ngoài nếu không thụ tinh, trong khi ở những loài động vật có vú khác, noãn có thể được tái hấp thụ.

Thời kỳ mang thai, hay còn gọi là thai kỳ ở người, là giai đoạn mà thai nhi phát triển và phân chia bên trong cơ thể của con cái. Trong thời gian này, thai nhi nhận được dưỡng chất và oxy từ con cái, được lọc qua màng nhau gắn với bụng của thai nhi bằng dây rốn. Việc hấp thu dinh dưỡng như vậy có thể gây áp lực lớn đối với con cái, và con cái cần tiêu thụ năng lượng cao hơn bình thường. Cần có nhiều vitamin và dưỡng chất hơn để duy trì sự phát triển bình thường.

Bài viết chính: Sinh sản và sanh nở

Khi thai nhi đã phát triển đầy đủ, các tín hiệu hóa học sẽ kích hoạt quá trình sanh nở, với sự co thắt của tử cung và sự mở rộng của cổ tử cung. Thai nhi sau đó di chuyển xuống âm đạo và cuối cùng ra khỏi cơ thể con cái. Trẻ sơ sinh thường tự bắt đầu hô hấp ngay sau khi sinh. Phần nhau thai cũng được đẩy ra ngoài và được động vật nuôi dưỡng. Dây rốn sẽ tự rơi ra ngoài sau khi sinh.

Bài viết chính: Động vật có túi bụng

Ở động vật có túi bụng, có chỉ năm loài còn tồn tại. Chúng sống ở Úc và New Guinea, và là loài động vật có vú đẻ trứng. Chúng sinh sản và bảo vệ trứng trong túi bụng, cung cấp dinh dưỡng cho trứng cho đến khi nở. Sau khi nở, con non bò vào túi bụng và phát triển trong vài tuần.

Hệ thống sinh sản của các loài động vật có túi bụng khác biệt rõ rệt so với các loài động vật có vú mang nhau thai. Con cái phát triển túi noãn trong tử cung để cung cấp dinh dưỡng cho phôi. Ở một số loài, phôi sẽ hình thành một bộ phận giống nhau thai và kết nối với thành tử cung, mặc dù việc chuyển dưỡng chất từ mẹ sang phôi vẫn chưa rõ ràng. Giai đoạn mang thai ngắn, thường chỉ từ 4 ~ 5 tuần, và phôi sinh ra khi mới phát triển.

Cá

Đa số các loài cá đẻ trứng, sau đó trứng được thụ tinh bởi con đực. Một số loài cá đẻ trứng trên bề mặt như đá hoặc thực vật, trong khi những loài khác phân tán trứng và chúng sẽ được thụ tinh khi trôi nổi trong nước. Một số loài cá tự thụ tinh trong cơ thể và sinh ra con non. Ví dụ như cá bảy màu, Mollies hay Poecilia có thể sinh con non trong cơ thể. Cũng có loài cá như cá ngựa, con đực mang con non phát triển trong túi và sinh ra chúng. Các loài cá cũng có thể thụ tinh và sinh sản trong cơ thể chính của chúng. Một số loài cá là lưỡng tính, có thể đổi giới tính hoặc tự thụ tinh.

Chú thích

1. Pang, K. 'Chứng chỉ Sinh học: Nền tảng các Khái niệm Cơ bản Mới', Hồng Kông, 2004
2. Tạp chí Sinh sản, truy cập vào Tháng Tám năm 2005.
3. [1]
4. Michod, RE; Levin, BE biên tập (1987). Sự tiến hóa của giới tính: Một cuộc khảo sát về các ý tưởng hiện tại. Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates. ISBN 978-0878934584.
5. Michod, RE (1994). Eros và Tiến hóa: Một Triết học Tự nhiên về Giới tính. Perseus Books. ISBN 978-0201407549.

Liên kết ngoài

• Khan Academy, bài giảng video