Quá trình sinh sản

Sinh sản là quá trình sinh học trong đó các sinh vật mới - ‘con cái’ - được sinh ra từ ‘cha mẹ’. Đây là một đặc điểm cơ bản của mọi sự sống đã biết; mỗi sinh vật hiện tại đều là kết quả của quá trình sinh sản. Sinh sản có hai hình thức chính: vô tính và hữu tính.

Trong sinh sản vô tính, một sinh vật có thể sinh sản mà không cần sự tham gia của sinh vật khác. Sinh sản vô tính không chỉ giới hạn ở sinh vật đơn bào. Nhân bản vô tính là một dạng của sinh sản vô tính. Sinh sản vô tính tạo ra một bản sao di truyền giống hệt hoặc gần như giống hệt. Sinh sản hữu tính, với chi phí gấp đôi, là một câu hỏi lớn đối với các nhà sinh học, vì chỉ 50% sinh vật sẽ sinh sản và chỉ truyền 50% gen của chúng.

Sinh sản hữu tính thường yêu cầu sự kết hợp của hai sinh vật khác nhau, gọi là giao tử, chứa một nửa số nhiễm sắc thể so với tế bào bình thường và được tạo ra qua quá trình meiosis. Thường thì một con đực thụ tinh cho một con cái cùng loài để tạo ra hợp tử. Điều này dẫn đến sự hình thành của các sinh vật con với đặc điểm di truyền từ cả hai cha mẹ.

Sinh sản vô tính

Sinh sản vô tính là quá trình tạo ra cá thể mới hoàn toàn giống với cá thể gốc mà không cần sự tham gia của gen từ sinh vật khác. Vi khuẩn thực hiện sinh sản vô tính bằng cách phân chia tế bào, virus thì lây nhiễm và làm gia tăng số lượng virus trong tế bào chủ, trong khi thủy tức và nấm men sử dụng phương pháp mọc chồi. Các sinh vật này không phân biệt giới tính và có thể tách thành nhiều cá thể.

Nhiều loài, như thủy tức, nấm men và sứa, có khả năng sinh sản vô tính nhưng cũng có thể sinh sản hữu tính. Chẳng hạn, hầu hết thực vật có thể sinh sản sinh dưỡng mà không cần hạt hoặc bào tử, nhưng cũng có khả năng sinh sản hữu tính. Tương tự, vi khuẩn có thể trao đổi gen qua phân chia.

Ví dụ, nhiều loài thực vật có thể sinh sản sinh dưỡng mà không cần hạt hay bào tử, nhưng cũng có khả năng sinh sản hữu tính. Vi khuẩn có thể trao đổi thông tin di truyền thông qua tiếp hợp. Các hình thức sinh sản vô tính khác như trinh sản, phân đoạn, và sự phát sinh bào tử chỉ liên quan đến sự phân chia tế bào. Trinh sản là sự phát triển của phôi hoặc mầm mà không cần thụ tinh từ con đực, thường gặp ở một số loài thực vật thấp, động vật không xương sống, và một số động vật có xương sống. Hình thức này cũng có thể áp dụng cho loài lưỡng tính có khả năng tự thụ tinh.

Sinh sản hữu tính

Sinh sản hữu tính là quá trình sinh học tạo ra cá thể mới bằng cách kết hợp gen từ hai cá thể khác nhau của cùng một loài. Mỗi cá thể bố mẹ đóng góp một nửa số gen cần thiết để tạo ra giao tử đơn bội. Hầu hết các loài sinh vật sản sinh ra hai loại giao tử khác nhau. Ở loài bất đẳng giao (anisogamous), có hai giới tính: đực (sản xuất tinh trùng hoặc tiểu bào tử) và cái (sản xuất trứng hoặc đại bào tử). Còn ở loài đẳng giao (isogamous), các giao tử có hình dạng tương tự nhau, nhưng có thể tách biệt và được gọi bằng những tên khác nhau. Ví dụ, tảo lục Chlamydomonas reinhardtii có các giao tử loại 'cộng' và 'trừ'. Một số sinh vật như ciliates có nhiều loại giao tử hơn.

Chẳng hạn, trong tảo xanh Chlamydomonas reinhardtii, có các giao tử gọi là 'cộng' và 'trừ'. Một số sinh vật như nhiều loại nấm và trùng lông Paramecium aurelia có nhiều hơn hai 'giới tính', được gọi là syngens. Hầu hết động vật (bao gồm cả con người) và thực vật đều sinh sản hữu tính. Các sinh vật sinh sản hữu tính có các alen khác nhau cho mỗi tính trạng, và con cái nhận một alen từ mỗi bố mẹ. Điều này tạo ra sự kết hợp gen từ hai bố mẹ. Các nhà khoa học tin rằng việc giữ các alen nguy hiểm giúp phát triển pha lưỡng bội chiếm ưu thế trong sinh vật, nơi sự tái tổ hợp diễn ra tự do.

Rêu sinh sản hữu tính, mặc dù các sinh vật lớn hơn thường là đơn bội và tạo ra giao tử. Các giao tử kết hợp để tạo thành hợp tử, từ đó phát triển thành túi bào tử và sản sinh các bào tử đơn bội. Giai đoạn lưỡng bội nhỏ và tồn tại ngắn hơn so với giai đoạn đơn bội, tức là sự thống trị đơn bội. Lợi ích của sự dị hợp chỉ tồn tại trong giai đoạn lưỡng bội. Các loài rêu duy trì sinh sản hữu tính mặc dù giai đoạn đơn bội không hưởng lợi từ dị hợp. Điều này có thể cho thấy sinh sản hữu tính mang lại lợi ích khác với dị hợp, như tái tổ hợp gen giữa các cá thể trong loài, tạo ra đa dạng tính trạng và giúp quần thể thích nghi với biến đổi môi trường.

Dị giao (allogamy)

Dị giao là quá trình thụ tinh xảy ra khi các giao tử từ hai cá thể khác nhau kết hợp, thường là noãn từ một cá thể và tinh trùng từ cá thể khác. (Đối với các loài không đồng nhất, hai loại giao tử có thể không được phân loại là tinh trùng hoặc noãn.)

Đồng giao (autogamy)

Tự thụ tinh, hay còn gọi là tự thụ phấn, xảy ra khi hai giao tử kết hợp trong quá trình thụ tinh đến từ cùng một cá thể, chẳng hạn như nhiều thực vật có mạch, một số trùng lỗ và trùng lông. Thuật ngữ 'tự thụ phấn' đôi khi được dùng thay thế cho thụ phấn tự thụ, không nhất thiết dẫn đến thụ tinh thành công, và mô tả quá trình tự thụ phấn trong cùng một bông hoa, khác với thụ phấn đơn tính, nơi phấn hoa được chuyển từ bông hoa này sang bông hoa khác trên cùng một cây, hoặc giữa các cây đơn tính cùng gốc.

Nguyên phân và giảm phân

Nguyên phân và giảm phân là hai kiểu phân chia tế bào khác nhau. Nguyên phân xảy ra ở các tế bào xôma, trong khi giảm phân xảy ra ở các giao tử.

Nguyên phân Trong quá trình nguyên phân, số lượng tế bào con tạo ra gấp đôi số lượng tế bào gốc ban đầu. Mỗi tế bào con có số lượng nhiễm sắc thể tương đương với tế bào mẹ.

Giảm phân Quá trình giảm phân tạo ra số lượng tế bào gấp bốn lần so với số lượng tế bào gốc. Các tế bào con có một nửa số lượng nhiễm sắc thể so với tế bào mẹ. Tế bào lưỡng bội thực hiện hai lần phân chia (tứ bội, rồi lưỡng bội thành đơn bội), dẫn đến hình thành bốn tế bào đơn bội. Quá trình này được chia thành hai giai đoạn: giảm phân I và giảm phân II.

Đồng giới

Trong những năm gần đây, các nhà sinh học đã phát triển nhiều kỹ thuật để hỗ trợ sinh sản đồng giới. Một trong những phương pháp tiên tiến bao gồm việc tạo ra tinh trùng cái và trứng đực. Mặc dù tinh trùng cái gần đây đã được tạo ra cho gà bởi các nhà khoa học Nhật Bản, tỷ lệ tinh trùng mang nhiễm sắc thể W được tạo ra không đạt kỳ vọng. Do đó, các nghiên cứu cho thấy hầu hết các tế bào PGC mang W không thể biệt hóa thành tinh trùng do hạn chế trong quá trình sinh tinh. Vào năm 2004, các nhà khoa học Nhật Bản đã kết hợp hai quả trứng chuột để tạo ra chuột con, và vào năm 2018, các nhà khoa học Trung Quốc đã sinh ra 29 con chuột cái từ hai con chuột cái mẹ, nhưng không thể tạo ra con cái khả thi từ hai con chuột đực.

Chiến lược

Các loài động vật áp dụng nhiều chiến lược sinh sản khác nhau. Một số loài, như con người và gannet phương bắc, không đạt đến sự trưởng thành về mặt sinh dục cho đến nhiều năm sau khi sinh, và số lượng con cái sinh ra cũng rất ít. Ngược lại, một số loài sinh sản rất nhanh; tuy nhiên, phần lớn con cái không sống sót đến tuổi trưởng thành. Ví dụ, một con thỏ (trưởng thành sau 8 tháng) có thể sinh từ 10 đến 30 con mỗi năm, trong khi một con ruồi giấm (trưởng thành sau 10–14 ngày) có thể sinh lên tới 900 con mỗi năm. Hai chiến lược chính trong sinh sản này là chọn lọc K (ít con) và chọn lọc r (nhiều con). Sự lựa chọn chiến lược phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Động vật có ít con có thể tập trung nhiều hơn vào việc chăm sóc và bảo vệ từng cá thể, giảm nhu cầu sinh sản số lượng lớn. Ngược lại, động vật sinh sản nhiều có thể đầu tư ít hơn cho mỗi cá thể con cái; trong những trường hợp này, dù nhiều con cái chết sớm, vẫn có đủ con sống sót để duy trì quần thể. Một số sinh vật như ong mật và ruồi giấm lưu trữ tinh trùng, kéo dài thời gian thụ thai của chúng.

Các loại khác

• Động vật đa vòng sinh sản liên tục trong suốt cuộc đời của chúng.
• Các sinh vật một lần chỉ sinh sản một lần duy nhất trong đời, chẳng hạn như cây hàng năm (bao gồm tất cả các loại cây ngũ cốc), và một số loài cá hồi, nhện, tre và cây thế kỷ. Thường thì chúng chết ngay sau khi sinh sản. Chiến lược này thường kết hợp với chiến lược r.
• Các sinh vật lặp lại sinh sản theo chu kỳ liên tục (ví dụ hàng năm hoặc theo mùa), như cây lâu năm. Những động vật này tồn tại qua nhiều mùa (hoặc điều kiện thay đổi định kỳ). Điều này thường liên quan đến chiến lược K.

Sinh sản vô tính và hữu tính

Các sinh vật sinh sản vô tính có khả năng phát triển theo cấp số nhân. Tuy nhiên, do phụ thuộc vào đột biến để tạo ra các biến thể trong DNA, nên tất cả cá thể của loài thường chia sẻ những điểm yếu tương tự. Ngược lại, sinh vật sinh sản hữu tính sinh ra ít con hơn, nhưng nhờ sự đa dạng di truyền cao, chúng thường ít bị bệnh hơn.

Nhiều loài sinh vật có thể sinh sản cả bằng phương pháp hữu tính lẫn vô tính. Rệp, nấm mốc, hải quỳ, một số loài sao biển (do phân mảnh) và nhiều loài thực vật là những ví dụ tiêu biểu. Khi các điều kiện môi trường thuận lợi, sinh sản vô tính cho phép khai thác tốt nhất các yếu tố như nguồn thức ăn phong phú, nơi cư trú đầy đủ, khí hậu lý tưởng, sự vắng mặt của dịch bệnh, độ pH phù hợp hoặc các yếu tố sống khác. Những sinh vật này gia tăng số lượng theo cấp số nhân nhờ vào phương pháp sinh sản vô tính để tận dụng tối đa các điều kiện thuận lợi.

Khi nguồn thức ăn giảm, khí hậu trở nên khắc nghiệt, hoặc điều kiện sống bất lợi đe dọa sự tồn tại của sinh vật, chúng chuyển sang sinh sản hữu tính. Sinh sản hữu tính đảm bảo sự trộn lẫn vốn gen của loài. Các biến thể trong con cái từ sinh sản hữu tính giúp một số cá thể thích nghi tốt hơn với môi trường, đồng thời cơ chế này cung cấp khả năng thích nghi có chọn lọc. Giai đoạn meiosis của chu kỳ sinh dục cũng hỗ trợ sửa chữa DNA hiệu quả (xem Meiosis). Thêm vào đó, sinh sản hữu tính thường tạo ra các giai đoạn sống có khả năng chịu đựng điều kiện khó khăn, như hạt giống, bào tử, trứng, nhộng, hoặc các giai đoạn 'ngủ đông', cho phép sinh vật 'chờ đợi' đến khi điều kiện trở nên thuận lợi.

Cuộc sống không sinh sản

Sự tồn tại của sự sống mà không sinh sản là một chủ đề đầy tranh luận. Nghiên cứu về nguồn gốc sự sống, gọi là abiogenesis, tìm hiểu cách các sinh vật tự sản xuất từ các yếu tố không sinh sản. Dù có hay không sự kiện abiogenetic độc lập xảy ra, các nhà sinh vật học tin rằng tổ tiên phổ quát của tất cả sự sống hiện tại trên Trái Đất sống cách đây khoảng 3,5 tỷ năm.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu khả năng tạo ra sự sống không sinh sản trong môi trường phòng thí nghiệm. Một số nhà nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo các loại virus đơn giản từ các nguyên liệu không sống. Tuy nhiên, virus thường được xem là không sống. Chúng chỉ bao gồm một ít RNA hoặc DNA trong lớp vỏ protein, không có quá trình trao đổi chất và chỉ có thể nhân bản nhờ vào cơ chế trao đổi chất của tế bào bị nhiễm.

Việc tạo ra một sinh vật sống thực sự (như một vi khuẩn đơn giản) không có tổ tiên sẽ là một thách thức lớn hơn nhiều, mặc dù theo kiến thức sinh học hiện tại, điều này có thể khả thi đến một mức độ nào đó. Một bộ gen tổng hợp đã được chuyển vào một vi khuẩn hiện có, thay thế DNA bản địa, dẫn đến việc sản xuất một sinh vật M. mycoides mới một cách nhân tạo.

Có nhiều tranh luận trong cộng đồng khoa học về việc liệu tế bào này có thể coi là tổng hợp hoàn toàn hay không, vì bộ gen tổng hợp là bản sao gần như 1:1 của bộ gen tự nhiên và tế bào nhận là vi khuẩn tự nhiên. Viện Craig Venter duy trì thuật ngữ 'tế bào vi khuẩn tổng hợp' nhưng nhấn mạnh rằng 'chúng tôi không coi đây là việc 'tạo ra sự sống từ đầu', mà là tạo ra sự sống mới từ sự sống đã tồn tại bằng cách sử dụng DNA tổng hợp.' Venter dự định cấp bằng sáng chế cho các tế bào thí nghiệm của mình, cho rằng 'chúng rõ ràng là phát minh của con người.' Các nhà sáng tạo cũng cho rằng việc xây dựng 'cuộc sống tổng hợp' sẽ giúp nghiên cứu cuộc sống bằng cách xây dựng nó thay vì phân tích nó, và mở rộng ranh giới giữa sự sống và máy móc cho đến khi chúng hòa quyện để tạo ra 'sinh vật thực sự có thể lập trình.' Họ tin rằng việc tạo ra 'sự sống sinh hóa tổng hợp thực sự' hiện đang gần với công nghệ hiện tại và chi phí thấp hơn so với nỗ lực đưa con người lên Mặt trăng.

Nguyên tắc xổ số

Sinh sản hữu tính có nhiều nhược điểm, bao gồm việc tiêu tốn nhiều năng lượng hơn sinh sản vô tính và làm gián đoạn các mục tiêu khác của sinh vật. Có một số tranh luận về lý do tại sao nhiều loài lại chọn hình thức sinh sản này. George C. Williams đã dùng ví dụ về xổ số như một phép loại suy để giải thích việc sinh sản hữu tính phổ biến. Ông so sánh sinh sản vô tính, với việc tạo ra ít hoặc không có sự đa dạng di truyền, giống như mua nhiều vé xổ số với cùng một số; cơ hội 'trúng' (tạo ra con cái sống sót) rất hạn chế. Ông cho rằng sinh sản hữu tính giống như việc mua ít vé nhưng có số lượng đa dạng hơn, từ đó cơ hội thành công cao hơn. Ý tưởng là sinh sản vô tính không tạo ra biến thể di truyền, nên khả năng thích nghi với môi trường thay đổi rất thấp. Nguyên tắc xổ số hiện nay ít được chấp nhận hơn vì bằng chứng cho thấy sinh sản vô tính phổ biến hơn trong môi trường không ổn định, trái ngược với dự đoán của nguyên tắc này.

• Thời điểm sinh sản
• Quá trình sinh con
• Các hình thức sinh sản
• Hệ thống sinh dục
• Giai đoạn sơ sinh
• Những đứa trẻ mới sinh

Hình ảnh minh họa

Chú giải

• Tobler, M. & Schlupp, I. (2005) Ký sinh trùng trong cá mollies sinh sản hữu tính và vô tính (Poecilia, Poeciliidae, Teleostei): một trường hợp cho Nữ hoàng Đỏ? Biol. Lett. 1 (2): 166–168.
• Zimmer, Carl. Parasite Rex: Khám Phá Thế Giới Kỳ Lạ Của Những Sinh Vật Nguy Hiểm Nhất Trong Tự Nhiên, New York: Touchstone, 2001.
• “Allogamy, thụ tinh chéo, thụ phấn chéo, lai tạo”. GardenWeb Từ Điển Thuật Ngữ Thực Vật (ấn bản 2.1). 2002.
• “Allogamy”. Từ Điển Y Học Stedman (ấn bản 27). 2004.

Xem thêm

• Judson, Olivia (2003). Những Lời Khuyên Về Tình Dục Từ Dr.Tatiana: Hướng Dẫn Toàn Diện Về Sinh Học Tiến Hóa Của Tình Dục. ISBN 978-0-09-928375-1
• Richard E. Michod và Bruce E. Levin, biên tập viên (1987). Sự Tiến Hóa Của Tình Dục: Xem Xét Các Ý Tưởng Hiện Tại. Sinauer Associates Inc., Nhà Xuất Bản, Sunderland, MA ISBN 0-87893-459-6
• Michod, R.E. (1994). Eros Và Sự Tiến Hóa: Một Triết Lý Tự Nhiên Về Tình Dục. Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA ISBN 0-201-44232-9

Các liên kết ngoài

• Sinh sản vô tính Lưu trữ ngày 22-01-2018 tại Wayback Machine
• Tạp chí Sinh học Sinh sản
• Tạp chí Andrology Lưu trữ ngày 07-11-2005 tại Wayback Machine
• “Sinh sản” . Encyclopædia Britannica (ấn bản 11). 1911.
• 'Nhân bản và Sinh sản.' Encyclopedia Triết học Stanford