تولیدمثل در جانداران — علوم تیزهوشان هشتم (استعداد درخشان)

تولیدمثل در جانداران (علوم تیزهوشان هشتم)

چه ویژگی‌ای باعث می‌شود جمعیت یک نوع جاندار زیاد شود؟ اگر افراد یک گونه نتوانند تولیدمثل کنند، آن گونه از بین می‌رود. تولیدمثل، یعنی ساختن جانداران تازه از نوع خود، ویژگی اصلی همهٔ جانداران است.

جنسی و غیرجنسی

تولیدمثل غیرجنسی یک والد دارد، گامت و لقاح ندارد و فرزندان کاملاً شبیه والدند (کلون)؛ سریع است، فرزند زیاد می‌دهد و انرژی کمی می‌خواهد و در محیط ثابت و مناسب سودمند است، اما تنوعی جز جهش ندارد. تولیدمثل جنسی معمولاً دو والد، گامت (اسپرم و تخمک) و لقاح دارد؛ فرزندان ترکیبی از ژن‌های دو والد و متفاوت‌اند؛ کندتر است و انرژی بیشتری برای جفت‌یابی و ساخت گامت می‌خواهد، اما تنوع آن بقا در محیط متغیر و برابر بیماری‌ها را ممکن می‌کند.

روش‌های غیرجنسی: تقسیم دوتایی (باکتری، آمیب، پارامسی)، جوانه‌زنی (رشد برآمدگی روی والد و جدا شدن آن؛ مخمر و هیدر)، قطعه‌قطعه شدن (ساخته شدن فرد کامل از یک تکه؛ ستارهٔ دریایی و پلاناریا)، هاگ‌زایی (قارچ‌ها و سرخس‌ها) و رویشی در گیاهان (قلمه، پیاز، غدهٔ سیب‌زمینی و ساقهٔ رونده توت‌فرنگی).

بکرزایی

در بکرزایی سلول جنسی ماده بدون سلول جنسی نر تقسیم می‌شود و موجود تازه‌ای می‌سازد. این روش معمولاً در جاندارانی دیده می‌شود که تولیدمثل جنسی هم دارند: زنبورها، برخی مارها، گونه‌هایی از ماهی‌ها، پرندگان و دوزیستان. وقتی شرایط مناسب و غذا فراوان است، با بکرزایی جمعیت به‌سرعت زیاد می‌شود؛ اما فرزندان بسیار شبیه هم و کم‌تنوع‌اند. تولیدمثل جنسی زاده‌هایی می‌سازد که برخی ممکن است محیط سخت را بهتر از والدینشان تحمل کنند؛ طبیعت با به‌کار بردن هر دو در زمان مناسب، بهترین عملکرد را دارد.

زنبور عسل: ملکه (مادهٔ بارور) و کارگرها (ماده‌های نابارور) از تخم لقاح‌یافته و دیپلوئید با ۳۲ کروموزوم‌اند؛ تفاوتشان از تغذیه است و لاروی که ژلهٔ رویال بیشتری بخورد ملکه می‌شود. زنبورهای نر از تخم لقاح‌نیافته (بکرزایی) و هاپلوئید با ۱۶ کروموزوم‌اند؛ پس پدر ندارند ولی پدربزرگ مادری دارند. ملکهٔ جوان در پرواز عروسی با چند نر جفت‌گیری و اسپرم‌ها را ذخیره می‌کند و هنگام تخم‌گذاری می‌تواند تخم را لقاح بدهد (ماده) یا ندهد (نر). کارگرها شهد جمع می‌کنند، از لاروها نگهداری می‌کنند و کندو می‌سازند. چون نر هاپلوئید است، همهٔ اسپرم‌هایش یکسان‌اند و خواهران کارگر به‌طور میانگین حدود ۷۵٪ ژن مشترک دارند.

کلونینگ طبیعی و رشد باکتری

«کلون» واژه‌ای یونانی به معنای همانند است و به ساخته شدن گروه یکسانی از مولکول‌ها، سلول‌ها یا موجودات گفته می‌شود. تولیدمثل غیرجنسی کلونینگ طبیعی است و این واژه اولین بار در ۱۹۰۳ برای قطعه‌قطعه شدن و جوانه‌زدن گیاهان به کار رفت. در تولیدمثل جنسی فرزندان هرگز کاملاً شبیه والد نیستند؛ حتی دوقلوهای همسان با پدر و مادر تفاوت دارند.

رشد باکتری: $N=N_0\times2^n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تعداد تقسیم‌هاست. اگر ۱۰ باکتری هر ۲۰ دقیقه تقسیم شوند، پس از ۲۰۰ دقیقه $n=10$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $N=10\times2^{10}=10240$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی باکتری داریم (۱۰، ۲۰، ۴۰، ۸۰، ... ، ۱۰۲۴۰). پس از ۱۰ ساعت (۳۰ تقسیم) بیش از ده میلیارد باکتری پدید می‌آید؛ هرچند در واقعیت غذا تمام می‌شود. به همین دلیل یک عفونت در یک روز می‌تواند بسیار خطرناک شود و آنتی‌بیوتیک باید زود شروع شود. برای رسیدن یک باکتری به یک میلیون، حدود ۲۰ تقسیم یعنی ۴۰۰ دقیقه لازم است.

گوسفند دالی

دانشمندان از اواسط قرن بیستم کوشیدند جانداران پرسلولی را در آزمایشگاه کلون کنند؛ ایدهٔ اصلی استفاده از اطلاعات ژنتیکی هستهٔ سلول برای ساختن جانداری کامل و مشابه بود. نخستین مطالعات روی قورباغه بود، اما گوسفند دالی نخستین نمونهٔ موفق کلونینگ مصنوعی پستاندار شد. گروهی از دانشمندان اسکاتلندی به سرپرستی یان ویلموت:

1. از گوسفند الف (سرسفید) یک سلول پستان برداشتند.
2. از گوسفند ب (سرسیاه) تخمکی گرفتند و هسته‌اش را خارج کردند.
3. هستهٔ سلول پستان را با شوک الکتریکی به تخمک بی‌هسته وارد کردند.
4. سلول حاصل تقسیم شد و جنین ساخت.
5. جنین در رحم گوسفند ج (سرسیاه، مادر جانشین) قرار گرفت.
6. دالی در ۵ جولای ۱۹۹۶ به دنیا آمد.

دالی شبیه گوسفند الف بود، چون هسته که همهٔ DNA را دارد از الف آمده؛ گوسفند ب فقط سیتوپلاسم تخمک و ج فقط رحم را فراهم کرده‌اند. از ۲۷۷ ادغام فقط یک برهٔ زنده به دنیا آمد ($\frac{1}{277}\approx0.36\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)؛ پس روش کم‌بازده و گران است. مشکلات دیگر: پیری زودرس (دالی در ۶ سالگی با بیماری درگذشت)، نبود تنوع ژنتیکی که یک بیماری می‌تواند همه را نابود کند و مسائل اخلاقی؛ کلونینگ تولیدمثلی انسان در بیشتر کشورها ممنوع است. کاربردها: تکثیر جانوران سازندهٔ پروتئین دارویی در شیر و حفظ گونه‌های در خطر انقراض. کلونینگ درمانی برای ساختن سلول بنیادی سازگار است، نه ساختن جاندار کامل. کلون فقط ژن یکسان دارد، نه خاطرات و شخصیت یکسان.

تولیدمثل جنسی در جانوران

مراحل: ساخت گامت‌ها با میوز که تعداد کروموزوم را نصف می‌کند ($2n\rightarrow n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، لقاح و ساخته شدن زیگوت ($2n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، رشد جنین با میتوز و تمایز و سپس تولد یا بیرون آمدن از تخم. لقاح خارجی بیرون بدن ماده و در آب است (ماهی‌ها و دوزیستان)، چون اسپرم باید شنا کند؛ تخم‌ها بسیار زیاد و مراقبت کم است. لقاح داخلی درون بدن ماده است (خزندگان، پرندگان، پستانداران) و تخم کمتر و مراقبت بیشتر است. جانوران تخم‌گذار (مرغ، لاک‌پشت، قورباغه) جنین را بیرون بدن و با زردهٔ تخم تغذیه می‌کنند و جانوران زنده‌زا (انسان، گربه، گاو) جنین را در رحم و با جفت. اگر قورباغه‌ای ۲۰۰۰ تخم بگذارد و ۲٪ بالغ شوند، فقط ۴۰ قورباغه باقی می‌ماند؛ قاعده این است که هرچه مراقبت کمتر باشد، تخم بیشتر است.

در انسان، بیضه اسپرم و تستوسترون و تخمدان تخمک، استروژن و پروژسترون می‌سازد. لقاح در لولهٔ رحم و رشد جنین در رحم است. زیگوت با ۴۶ کروموزوم پس از چند روز در رحم جایگزین می‌شود، حدود هفتهٔ هشتم اندام‌ها شکل می‌گیرند و پس از حدود ۹ ماه زایمان رخ می‌دهد. جفت غذا و اکسیژن را می‌رساند و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و پسماند را می‌برد و بند ناف رابط است؛ خون مادر و جنین مخلوط نمی‌شود و مواد از دیواره عبور می‌کنند. از ده‌ها تا صدها میلیون اسپرم، فقط یکی با تخمک لقاح می‌کند. ساخت گامت‌ها را هیپوتالاموس و هیپوفیز کنترل می‌کنند: در مرد هورمون‌های FSH و LH اسپرم‌سازی و تستوسترون را و در زن رشد تخمک و تخمک‌گذاری را تنظیم می‌کنند و هورمون‌های جنسی با بازخورد منفی هیپوفیز را مهار می‌کنند.

تفاوت ظاهری نر و ماده (یال شیر نر، پر زیبای طاووس، شاخ گوزن نر، آواز نر پرندگان، یا بزرگ‌تر بودن ماده در عنکبوت) از هورمون‌های جنسی، انتخاب جنسی (ماده نر قوی‌تر و زیباتر را که نشانهٔ سلامت است برمی‌گزیند و نرها برای رقابت جثه و شاخ دارند) و نقش‌های متفاوت (ماده با رنگ ساده‌تر استتار دارد) ناشی می‌شود.

ناباروری و IVF

در لقاح مصنوعی (IVF) تخمدان با هورمون برای ساخت چند تخمک تحریک می‌شود، تخمک‌ها با سوزن برداشته و اسپرم از پدر گرفته می‌شود، لقاح در ظرف آزمایشگاه و محیط کشت انجام می‌شود، جنین ۳ تا ۵ روز در انکوباتور رشد می‌کند و سپس به رحم مادر منتقل می‌شود؛ جنین تا تولد در شیشه نمی‌ماند. علل ناباروری در مرد اسپرم کم یا کم‌تحرک، انسداد مجرا و مشکلات هورمونی و در زن تخمک‌گذاری نکردن، انسداد لولهٔ رحم و مشکلات رحم است. اگر هر چرخه ۳۰٪ موفق باشد، احتمال دست کم یک موفقیت در سه چرخه $1-0.7^3\approx66\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. سرنوشت جنین‌های اضافی و انتخاب جنس باید مطابق قانون، نظر پزشکان و علمای دین باشد. نخستین نوزاد IVF در ۱۹۷۸ در انگلستان به دنیا آمد.

دوقلوها

دوقلوی همسان از یک تخمک و یک اسپرم است که زیگوت آن به دو بخش جدا شده؛ ژن‌هایشان ۱۰۰٪ یکسان و همیشه هم‌جنس‌اند. دوقلوی ناهمسان از دو تخمک و دو اسپرم جداست و به‌طور میانگین ۵۰٪ ژن مشترک دارد؛ پس شباهت ژنتیکی آنها به هم بیشتر از خواهر و برادرهای دیگر نیست و برابر است. فقط هم‌سن بودن و رشد در یک رحم و محیط یکسان شباهت محیطی را کمی بیشتر می‌کند.

اشتباه‌های رایج