Fragmentierung
n., Plural: Fragmentierungen
Definition: Aufbrechen in kleinere Teile, wie bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung, bei der ein Mutterorganismus in Fragmente zerfällt
Inhaltsverzeichnis
Fragmentierung Definition
Was ist Fragmentierung? Im Allgemeinen bezieht sich Fragmentierung auf den Zustand oder den Prozess des Aufbrechens in kleinere Teile, sogenannte Fragmente. In der Biologie kann es sich auf den reproduktiven Fragmentierungsprozess als eine Form der ungeschlechtlichen Fortpflanzung beziehen oder auf einen Schritt bei bestimmten zellulären Aktivitäten, wie bei der Apoptose und dem DNA-Klonen.
Fragmentierung in der Reproduktionsbiologie
Der Prozess der Fragmentierung ist einer der wichtigsten Mechanismen, die meist in einem mehrzelligen Organismus (d.h. einem Organismus, der aus mehr als einer einzelnen Zelle besteht) auftreten. In der Reproduktionsbiologie bezieht sich die Fragmentierung auf den Prozess, bei dem sich ein lebender Organismus in Teile aufspaltet, die später identisch mit dem ursprünglichen Organismus wachsen. Die verschiedenen Körper oder Teile, die durch einen solchen Prozess gebildet werden, werden als Fragmente bezeichnet und sind ein Beispiel für ungeschlechtliche Fortpflanzung.
Bei der Fragmentierung entstehen die Fragmente durch die Aufspaltung verschiedener Lebewesen. Jedes der gebildeten Fragmente entwickelt sich nach dem Durchlaufen des Wachstumszyklus zu einem reifen, ausgewachsenen Individuum, das in Form, Größe und anderen Dimensionen mit seinem Elternteil identisch ist. (Ref. 1)
Das Hauptmerkmal des Prozesses der Fragmentierung ist, dass dieser Prozess sowohl absichtlich als auch unabsichtlich stattfinden kann. Zum Beispiel können menschengemachte Ursachen oder Umweltveränderungen dazu führen, dass der Organismus fragmentiert und sich schließlich zu vollständigen und reifen Organismen entwickelt, die dem Elternteil ähnlich sind.
Fragmentierung findet man sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen. Pilze, Flechten, Schimmelpilze, Würmer, Seesterne, Plattwürmer und Schwämme sind einige der häufigsten Beispiele, bei denen die Art der Fortpflanzung durch Fragmentierung erfolgt. Das Bild unten zeigt die Fragmentierung bei einem Seestern. Man kann sehen, dass der fragmentierende Körper vom Arm des Seesterns getrennt wird und sich nach einiger Zeit zu einem neuen Seestern entwickelt, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.
Fragmentierung und Aufspaltung
Der Prozess der Fragmentierung ist in der Tat der Prozess der Aufspaltung eines Organismus in verschiedene Fragmente, die sich mit der Zeit zu einem vollständigen Organismus entwickeln. Daher wird dieser Prozess auch als Prozess der Aufspaltung bezeichnet.
Prozess der Fortpflanzung
Der biologische Prozess, bei dem aus den Eltern neue Individuen/Organismen gebildet werden, wird als Fortpflanzung bezeichnet. Sexuelle und ungeschlechtliche Fortpflanzung sind die beiden Formen der Fortpflanzung, die von vielen Forschern eingehend untersucht werden. Der Prozess, bei dem die Nachkommen durch die Paarung zweier Elternteile entstehen, wird als sexuelle Fortpflanzung bezeichnet. Jeder der Elternteile steuert eine Eizelle von einem Weibchen und ein Spermium von einem Männchen bei. Nach der Kombination dieser beiden Gameten durch den Prozess der Befruchtung entsteht eine Zygote, die zu einem Embryo und schließlich zu einem ausgewachsenen Organismus heranreift. Allogamie, interne Befruchtung, externe Befruchtung und Autogamie sind einige der Arten der sexuellen Reproduktion. Der Prozess der sexuellen Fortpflanzung ist in Abbildung 2 dargestellt.
Der Prozess, bei dem der Zyklus der Fortpflanzung durch nur einen Elternteil erreicht wird, wird asexuelle Fortpflanzung genannt. Beispiele sind die binäre Spaltung, Knospung, Fragmentierung und Parthenogenese. Der Prozess der binären Spaltung kommt bei Bakterien vor, wobei ein einzelnes Bakterium dazu neigt, sich in zwei Zellen zu teilen. Bei der Knospung werden sehr kleine Organe in den Körpern der Eltern gebildet, die nach einiger Zeit dazu neigen, zu zerbrechen und so schließlich zu zwei Individuen zu werden. Diese Art der ungeschlechtlichen Fortpflanzung findet man bei Hefen und einigen anderen Hydra-Tieren. (Ref. 2) Bei der Fragmentierung erfolgt die Fortpflanzung durch Zerbrechen des Elternorganismus in verschiedene Fragmente, die die Fähigkeit haben, identisch mit ihren Eltern zu wachsen. Sie kommt häufig bei Korallen, Schwämmen und Seesternen vor. Bei der Parthenogenese findet sich diese Art der ungeschlechtlichen Fortpflanzung bei vielen Fischen, Reptilien und Amphibien.
Vergleiche zwischen sexueller und ungeschlechtlicher Fortpflanzung finden Sie in der folgenden Tabelle:
Tabelle 1: Sexuelle und ungeschlechtliche Fortpflanzung im Vergleich
| Sexuelle Fortpflanzung | Asexuelle Fortpflanzung |
|---|---|
| Zwei Eltern sind beteiligt | Ein einzelner Elternteil ist beteiligt |
| Eine Eizelle wird durch Spermien befruchtet | Der neue Organismus entsteht aus dem Elternteil und beide sind identisch zueinander |
| Gefunden beim Menschen, vielen Pflanzen und vielen Tieren | Gefunden in Bakterien, Reptilien, bestimmten Tieren, und vielen Pflanzen |
| Die Nachkommen unterscheiden sich von ihren Eltern in vielen Hauptaspekten | Die Nachkommen sind mit ihren Eltern und Vorfahren identisch |
| Der Prozess ist zeitaufwendigaufwendig, führt aber zu größeren genetischen Variationen in der nächsten Generation | Der Prozess ist relativ schnell, aber es gibt keine/begrenzte genetische Variationen in der nächsten Generation |
Fragmentierung – Allgemeine Schritte
Der Prozess der Fragmentierung ist in der Biologie für die asexuelle Fortpflanzung sehr wichtig. Wie bereits beschrieben, ist dies die Form der Fortpflanzung, bei der kleine Organe oder Körperteile des Elternindividuums abgetrennt werden und schließlich zu einem vollständig ausgereiften Organismus heranwachsen. Nehmen wir als Beispiel die Planarien, einen der vielen Plattwürmer, die zur Klasse der Rhabditophora und zum Stamm der Platyhelminthen gehören. Siehe Abbildung 3 für die Darstellung der Fragmentierung und den Schritt, der bei der Fragmentierung in Planaria involviert ist.
Fragmentierung und Regeneration
Die Begriffe Fragmentierung und Regeneration werden oft im Zusammenhang mit der Reproduktion verwendet. Dennoch gibt es einige gemeinsame Unterschiede zwischen ihnen, die ziemlich offensichtlich sind. Der Prozess der Fragmentierung tritt oft auf, wenn ein Teil eines Organismus in kleinere Fragmente zerbrochen wird, die zu separaten identischen Organismen heranwachsen können, während Regeneration einer ist, bei dem der Organismus in der Lage ist, bestimmte Körperteile, die verloren gegangen sind, nachwachsen zu lassen. Im Wesentlichen werden neue Arten nach der Fragmentierung gebildet, während bei der Regeneration neue Organe gebildet werden. Es wird angenommen, dass alle Organismen in der Lage sind, ihre verlorenen Körperteile zu regenerieren, während es nur wenige gibt, die die Fähigkeit haben, sich durch Fragmentierung zu vermehren. Der Prozess der Regeneration kann bei Eidechsen und Kraken gefunden werden. Die Details von Fragmentierung und Regeneration sind in Abbildung 4 zu sehen. (Ref. 3)
Fragmentierung – Vorteile
Der Hauptvorteil der Fragmentierung ist, dass sie mit nur einem Elternteil erreicht werden kann, da die Paarung zwischen Männchen und Weibchen nicht zwingend ist. Der gesamte Zyklus der Fortpflanzung kann leicht durch die Bildung der Fragmente aus den Körpern des Elternorganismus und dann ihr Wachstum und ihre Umwandlung in neue identische Organismen zu ihren Dynastien erreicht werden. Der zweite wichtige Vorteil des Prozesses der Fragmentierung ist, dass der Reproduktionszyklus in einer relativ kurzen Zeit erreicht werden kann. Die ganze Zeit, die bei der sexuellen Fortpflanzung während der Paarungszeit und -bedingungen verschwendet wird, wird bei der Fortpflanzung durch asexuelle Systeme vermieden. Daher ist die Fragmentierung als eine Art der ungeschlechtlichen Fortpflanzung ein sehr schneller Prozess. Da die Fragmentierung ein sehr schneller Prozess zur Erzeugung von Nachkommen ist, geht man davon aus, dass eine relativ größere Anzahl von Organismen in kürzerer Zeit erzeugt werden kann, da die Fortpflanzungskette von einem Individuum zu zwei und von zwei zu vier geht. Daher kann in kürzerer Zeit eine ganze neue Generation identischer Organismen aus einem einzigen Elternteil durch Fragmentierung erzeugt werden. Schließlich ist ein weiterer Vorteil, der den Prozess der Fragmentierung in der Biologie sehr wichtig macht, seine Fähigkeit, in jeder Umgebung und unter allen klimatischen Bedingungen aufzutreten und fortzuschreiten. (Ref. 4)
Fragmentierung – Nachteile
Obwohl man aus der obigen Diskussion erkennen kann, dass die ungeschlechtliche Fortpflanzung, insbesondere die Fragmentierung, eine sehr wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts im Ökosystem spielt, indem sie größere Organismen in relativ kurzer Zeit hervorbringt, gibt es dennoch viele Nachteile, die mit diesem Prozess verbunden sind. Der größte Nachteil der Fragmentierung ist mit der Biodiversität verbunden.
Die ungeschlechtliche Fortpflanzung wird von einem einzigen Elternteil durchgeführt und dadurch werden nur dessen Eigenschaften, Gene und Merkmale an die neue Generation weitergegeben. Ohne große genetische Vielfalt ist die nächste Generation tendenziell sehr identisch. Bei der sexuellen Fortpflanzung hingegen werden die Gene beider Elternteile gemischt. Dadurch entsteht eine genetisch vielfältige Nachkommenschaft.
Der zweite Nachteil der Fragmentierung ist, dass die gleichen Erbprobleme, die einst bei den Eltern zu finden waren, sich wahrscheinlich auch in der nächsten Generation manifestieren werden. Dieser Prozess tritt bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung ständig auf, es werden die gleichen Merkmale und Chromosomen kopiert und auf alle Nachkommen übertragen. Das Ergebnis ist, dass die Nachkommen aufgrund einiger Krankheiten, die sie geerbt haben, frühzeitig aussterben können.
Die durch Fragmentierung erzeugten Arten sind tendenziell identisch. Und so können Schwächen in ihren Körpern sie anfällig für Parasiten- und Raubtierangriffe machen. Das kann dazu führen, dass sie ums Überleben kämpfen müssen. Wenn zusätzlicher Druck hinzukommt, zum Beispiel eine plötzliche Veränderung der Umwelt oder des Lebensraums, könnte die Art noch mehr zu kämpfen haben und schließlich eliminiert werden und aussterben. Im Gegensatz dazu sind solche Probleme bei der sexuellen Fortpflanzung weniger wahrscheinlich, da sie eine größere Artenvielfalt fördert.
Im Wesentlichen bringt die Fragmentierung in der Biologie Probleme mit der Kontrolle in der Population mit sich, da es sich um einen Kettenprozess handelt, bei dem sich ein Organismus in zwei teilt und dann zwei weitere aus den Fragmenten gebildet werden. Dies führt zu einer massiven Vermehrung von Populationen aus einem einzigen Elternteil.
Beispiele für Fragmentierung
Der Prozess der Fragmentierung findet sich bei Pflanzen, Tieren und diversen mikroskopischen Organismen als eine Form der Reproduktion.
Fragmentierung bei Pilzen und Algen
Die Fragmentierung ist sowohl bei Pilzen als auch bei Flechten sehr häufig anzutreffen. Schimmelpilze, Hefen und Pilze sind einige der Pilzarten, bei denen die Fortpflanzung über ungeschlechtliche Fragmentierung erfolgt. Die spezielle Art von Struktur, die für den Prozess der Aufspaltung erreicht wird, wird als Hyphen bezeichnet. Sie sind die fadenförmigen Verzweigungen, aus denen das Myzel der Pilze besteht. Sie sind die Verzweigungen der Mutterpilze, von denen sie sich leicht ablösen und umwandeln können. Vor dem Prozess der Abspaltung wachsen die Hyphen auf den Pilzen, von wo aus sie die Nahrung und das Wasser beziehen, die für das Wachstum und die Ernährung notwendig sind. Sobald die Hyphen reif genug sind, um sich selbst zu ernähren und zu vermehren, lösen sie sich vom Mutterkörper ab und leben unabhängig. Bestimmte Algen vermehren sich auch durch Fragmentierung. Zum Beispiel vermehren sich fadenförmige Algen, wie Spirogyra, indem sie sich selbst in Fragmente zerschneiden.
Fragmentierung bei Pflanzen
Die Fragmentierung bei Pflanzen wird am häufigsten als die vegetative Art der Fragmentierung beschrieben. Sie erfolgt bei Pflanzen meist durch die Bildung neuer Wurzel- und Sprosssysteme über die Ausbreitung von Rhizomen oder Ausläufern aus alten Bäumen, Sträuchern, Farnen und Stauden. Sobald die Wurzel von der Kolonie abgetrennt ist, neigt sie dazu, selbständig zu wachsen, so dass ein völlig neues Wurzelsystem entsteht. Andere gängige Beispiele für natürliche Fragmentierung sind folgende:
- Hölzerne Pflanzen, z.B. Weiden, werfen mühelos Zweige ab und können unter den entsprechenden Umweltbedingungen zu einer neuen Pflanze heranwachsen. Dieses natürliche Abwerfen von Zweigen wird als Kladoptose bezeichnet.
- Das Abwerfen von Pflanzenteilen, um einen neuen Organismus zu bilden, wird auch bei nicht-holzigen Pflanzen beobachtet, wie z.B. bei Kalanchoe daigremontiana. Auf dem Foto unten sehen Sie die Adventivpflänzchen auf dem Blatt von K. daigremontiana. Die Pflänzchen können abfallen und anschließend im Boden wurzeln, um eine neue und unabhängige Pflanze zu werden.
- Nichtgefäßpflanzen, wie Moose und Lebermoose, vermehren sich ebenfalls häufig durch Fragmentierung. Merchantia polymorpha (Gewöhnliches Lebermoos) ist ein Beispiel für eine nicht-vaskuläre Pflanze, die Fragmentierung betreibt, indem sie Gemmen produziert, die von der ursprünglichen Pflanze abgebrochen werden, um eine neue und unabhängige Pflanze zu werden.
Unten sehen Sie ein Video, das das Auftreten von Fragmentierung bei Pflanzen und ihre Bedeutung für sie zeigt.
Fragmentierung bei Tieren
Fragmentierung wird bei vielen Korallenkolonien beobachtet. Sowohl Hartkorallen als auch Weichkorallen können leicht fragmentiert werden. Auch Rassen wie Montipora, Acropora, Pocillopora, Euphyllia und Caulastrea sind zur Fragmentierung fähig. Viele Meeresanemonen reproduzieren sich über den Prozess der Teilung oder Fragmentierung. Andere Beispiele für die Fragmentierung von Tieren sind die von Seesternen und Planarien, die in den vorangegangenen Abschnitten näher erläutert wurden. (Ref. 5)
Fragmentierung in der Zell- und Molekularbiologie: Definition und biologische Bedeutung
Lassen Sie uns einen Blick auf die zelluläre Ebene des reproduktiven Fragmentierungsprozesses werfen. Das Klonen von DNA bezieht sich auf die Vervielfältigung der DNA-Moleküle – die Schaffung einer exakten Kopie oder eines „Klons“ der DNA, insbesondere für die ungeschlechtliche Fortpflanzung. Auf natürliche Weise erzeugt ein Organismus identische DNA-Moleküle für seinen „Klon“ (Nachkommen). Das Wort Klonen bezieht sich hier auf die Tatsache, dass die reproduzierten Individuen eine identische DNA mit der ihres Vorfahren aufweisen. Dies geschieht bei der Fragmentierung. Es handelt sich jedoch nicht um einen ausschließlichen Vorgang, da das DNA-Klonen auch bei anderen Formen der ungeschlechtlichen Vermehrung auftritt, z. B. bei der binären Spaltung. Somit ist das DNA-Klonen ein wichtiger zellulärer Vorgang bei der ungeschlechtlichen Vermehrung.
Das DNA-Klonen kann sowohl auf natürlichem Wege als auch durch künstliche Methoden erreicht werden. Forscher nutzten dieses Verfahren in Laboren für Forschung und experimentelle Untersuchungen. Sie entwickelten das sogenannte „DNA-Fragmentierungsverfahren“, eine molekulargenetische Technik, die es ihnen erlaubt, bestimmte DNA-Fragmente aus dem Genom eines Organismus abzuspalten und mittels rekombinanter DNA-Technologie zu klonen.
Neben diesem molekularen Aspekt der Verwendung von Fragmentierung wird der Begriff auch für einen anderen zellulären Prozess verwendet, bei dem zelluläre Teile fragmentiert werden. Dies ist insbesondere bei der Apoptose der Fall. Apoptose ist der Prozess, bei dem die programmierte Zerstörung von Zellen stattfindet, und sie wird durch eine sehr organisierte Abfolge von morphologischen Veränderungen erreicht. Darüber hinaus sind die morphologischen Veränderungen durch zelluläre und nukleäre Schrumpfung, Chromatinfragmentierung und -kondensation, die Bildung von apoptotischen Körpern und den Prozess der Phagozytose aller verfügbaren Nachbarzellen gekennzeichnet. Zusätzlich beinhaltet die Apoptose die gleichmäßige Aktivierung der Endonukleasen mit der Spaltung der DNA in Fragmente von entweder einhundertachtzig Basenpaaren oder den Vielfachen der einhundertachtzig Basenpaare. Somit spielt die Beziehung zwischen Apoptose und DNA-Fragmentierung eine sehr wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Organisation. Das Fortschreiten der Zellapoptose spielt eine Schlüsselrolle bei der Rettung der gesunden Zellen und des Gewebes im menschlichen Körper vor den gefährlichen Auswirkungen der Zellen, die nicht stabil arbeiten und im Sterben begriffen sind.
Zusammenfassung
Der biologische Prozess, bei dem sich die Organismen in zwei oder mehr Fragmente aufspalten, um zu neuen Individuen (Nachkommen) zu werden, wird Fragmentierung genannt. Diese Fragmente wachsen und reifen zu einer neuen Generation heran, die identische Merkmale wie ihre Eltern aufweist. Fragmentierung wird in der Literatur auch als Aufspaltung bezeichnet und ist ein Synonym füreinander. Der Prozess der Fragmentierung ist asexuell, was bedeutet, dass nur ein einziger Elternteil beteiligt ist. Daher werden die Nachkommen höchstwahrscheinlich die gleichen genetischen Merkmale tragen. Auf der anderen Seite ist die Fortpflanzung, an der sowohl männliche als auch weibliche Eltern beteiligt sind, als sexuelle Fortpflanzung bekannt. Beide Arten der Fortpflanzung haben ihre Vor- und Nachteile.
Die Fragmentierung erfolgt in drei Stufen. Der Prozess beginnt mit der Bildung von Fragmenten. Es folgt die Entwicklung der Fragmente und endet schließlich mit der Umwandlung der Fragmente in entwickelte Arten. Der gesamte Zyklus der ungeschlechtlichen Fortpflanzung, insbesondere die Fragmentierung, ist von großer biologischer Bedeutung. Die Bildung identischer Arten, eine kürzere Reproduktionszeit und die Übertragung positiver Gene von den Eltern auf die Nachkommen sind einige der Hauptvorteile der Fragmentierung, während das Fehlen oder die verringerte genetische Vielfalt, Probleme mit dem gleichen Erbe und die Unfähigkeit, mit den Umweltveränderungen fertig zu werden, einige der Nachteile sind.
Fragmentierung wird auch verwendet, um sich auf bestimmte zelluläre Prozesse zu beziehen. Da sich Fragmentierung im Allgemeinen auf das Brechen oder Schneiden einer großen Einheit in kleinere Teile bezieht, wird es verwendet, um sich auf Zellprozesse wie die DNA-Fragmentierung (die beim DNA-Klonen auftritt) und die Zellfragmentierung zu beziehen, die insbesondere das Endstadium der Apoptose ist.
Die beiden Hauptbereiche, in denen Fragmentierung eine sehr wichtige Rolle in den biologischen Zellen spielt, sind Apoptose und DNA-Klonen. Bei der DNA-Klonierung wird ein Teil der Gene vom Hauptkörper auf Fragmente übertragen, während bei der Apoptose der Zerfall toter Zellen stattfindet.
1. Miller-Rushing, A., Primack, R., Devictor, V., & Liba Pejchar. (2019, April). Wie wirkt sich die Fragmentierung von Lebensräumen auf die Biodiversität aus? A controversial question at the core of conservation… ResearchGate; Elsevier. https://www.researchgate.net/publication/330445263_How_does_habitat_fragmentation_affect_biodiversity_A_controversial_question_at_the_core_of_conservation_biology
2. Vedantu. (2019, April 24). Fragmentation. Vedantu.Com; Vedantu. https://www.vedantu.com/biology/fragmentation#:~:text=Fragmentation%20in%20Plants%20and%20Animals,eine%20Form%20der%20asexuellen%20Reproduktion.
3. Admin. (2018, August). Der Unterschied zwischen Fragmentierung und Regeneration. BYJUS; BYJU’S. https://byjus.com/biology/difference-between-fragmentation-and-regeneration/#:~:text=Fragmentation%20occurs%20when%20an%20organism,body%20wenn%20es%20verliert%20.
4. Jessen, T., Wang, Y., & Wilmers, C. C. (2017). Habitatfragmentierung verschafft einem invasiven Baumhörnchen, Sciurus carolinensis, einen Wettbewerbsvorteil. Biological Invasions, 20(3), 607-618. https://doi.org/10.1007/s10530-017-1560-8
5. Hecht, L., & Allcock, M. (2020, June 18). Mögliche Auswirkungen von Habitatfragmentierung auf das Wohlergehen von Wildtieren. ResearchGate; unbekannt. https://www.researchgate.net/publication/342292473_Potential_effects_of_habitat_fragmentation_on_wild_animal_welfare