Fragmentatie
n, meervoud: fragmentaties
definitie: het breken in kleinere delen, zoals bij ongeslachtelijke voortplanting waarbij een ouderorganisme in fragmenten uiteenvalt
Inhoudsopgave
definitie van fragmentatie
Wat is fragmentatie? In het algemeen verwijst fragmentatie naar de toestand of het proces van het uiteenvallen in kleinere delen, fragmenten genoemd. In de biologie kan het verwijzen naar het reproductieve fragmentatieproces als een vorm van ongeslachtelijke voortplanting of naar een stap in bepaalde cellulaire activiteiten, zoals bij apoptose en DNA-klonen.
Fragmentatie in de voortplantingsbiologie
Het proces van fragmentatie is een van de belangrijkste mechanismen die meestal optreden in een meercellig organisme (d.w.z. het organisme dat uit meer dan een enkele cel bestaat). In de voortplantingsbiologie wordt met fragmentatie het proces bedoeld waarbij een levend organisme zich splitst in delen die later identiek groeien aan het oorspronkelijke organisme. De verschillende lichamen of delen die door een dergelijk proces worden gevormd, worden fragmenten genoemd en zijn een voorbeeld van ongeslachtelijke voortplanting.
Bij fragmentatie worden de fragmenten gevormd door de splitsing van verschillende levende organismen. Elk van de gevormde fragmenten ontwikkelt zich na het doorlopen van de groeicyclus tot een volwassen, volgroeid individu dat identiek is aan zijn ouder wat betreft vorm, grootte en andere dimensies. (Ref. 1)
Het belangrijkste kenmerk van het fragmentatieproces is dat dit proces zowel opzettelijk als onopzettelijk kan plaatsvinden. Zo kunnen door de mens veroorzaakte oorzaken of veranderingen in het milieu ertoe leiden dat het organisme fragmenteert en zich uiteindelijk ontwikkelt tot complete en volgroeide organismen die lijken op de ouder.
Fragmentatie komt voor bij zowel dieren als planten. Schimmels, korstmossen, schimmels, wormen, zeesterren, acoel platwormen en sponzen zijn enkele van de meest voorkomende voorbeelden waar de voortplantingswijze via fragmentatie verloopt. De afbeelding hieronder toont de fragmentatie bij een zeester. Het fragmenterende lichaam komt los van de arm van de zeester en begint zich na enige tijd te ontwikkelen tot een nieuwe zeester, zoals te zien is in figuur 1.
Fragmentatie en opsplitsing
Het proces van fragmentatie is inderdaad het proces van het uiteenvallen van een organisme in verschillende fragmenten die na verloop van tijd tot een compleet organisme worden ontwikkeld. Dit proces wordt dus ook wel het proces van opsplitsing genoemd.
Voortplantingsproces
Het biologische proces waarbij uit de ouders nieuwe individuen/organismen worden gevormd, wordt voortplanting genoemd. Seksueel en ongeslachtelijk zijn de twee vormen van voortplanting die door veel onderzoekers uitvoerig worden bestudeerd. Het proces waarbij nakomelingen worden geboren uit de paring van twee ouders wordt geslachtelijke voortplanting genoemd. Elk van de ouders brengt een eicel van een vrouwtje en een spermacel van een mannetje in en na de combinatie van deze twee gameten via het proces van bevruchting wordt een zygote gevormd die tot een embryo en uiteindelijk tot een volgroeid organisme uitgroeit. Allogamie, inwendige bevruchting, uitwendige bevruchting en autogamie zijn enkele van de wijzen van geslachtelijke voortplanting. Het proces van geslachtelijke voortplanting is uitgewerkt in figuur 2.
Het proces waarbij de voortplantingscyclus door slechts één ouder wordt bereikt, wordt aseksuele voortplanting genoemd. Voorbeelden zijn binaire splijting, knopvorming, fragmentatie en parthenogenese. Het proces van binaire splijting wordt aangetroffen bij bacteriën, waarbij een enkele bacterie de neiging heeft zich in twee cellen te delen. Bij knopvorming worden in het lichaam van de ouder zeer kleine organen gevormd, die na enige tijd uiteenvallen en zo uiteindelijk uitgroeien tot twee individuen. Deze vorm van ongeslachtelijke voortplanting wordt aangetroffen bij gisten en sommige andere hydra-dieren. (Ref. 2) Bij fragmentatie vindt de voortplanting plaats door het afbreken van het ouderorganisme in verschillende fragmenten die identiek aan hun ouders kunnen groeien. Dit komt vaak voor bij koralen, sponzen en zeesterren. Bij parthenogenese komt deze vorm van ongeslachtelijke voortplanting voor bij veel vissen, reptielen en amfibieën.
Voor vergelijkingen tussen geslachtelijke en ongeslachtelijke voortplanting, zie de onderstaande tabel:
Tabel 1: Vergelijking tussen seksuele en ongeslachtelijke voortplanting
| Seksuele Voortplanting | Aseksuele Voortplanting |
|---|---|
| Twee ouders zijn betrokken | Er is sprake van één ouder |
| Een eicel wordt bevrucht door sperma | Het nieuw organisme wordt gevormd uit de ouder en beiden zijn identiek aan elkaar |
| Gevonden bij de mens, veel planten, en veel dieren | Gevond in bacteriën, reptielen, bepaalde dieren, en veel planten |
| De nakomelingen verschillen in veel belangrijke opzichten van hun ouders | De nakomelingen zijn identiek aan hun ouders en voorouders | Het proces is tijdrovend maar leidt tot grotere genetische verschillen |
| Het proces is tijdrovendtijdrovend maar met leidt tot grotere genetische variaties in de volgende generatie | Proces is relatief sneller maar er zijn geen/beperkte genetische variaties in de volgende generatie |
Versnippering – Algemene stappen
Het proces van versnippering is in de biologie zeer essentieel voor de ongeslachtelijke voortplanting. Zoals eerder beschreven, is dit de vorm van voortplanting waarbij kleine organen of delen van het lichaam van het ouder individu worden afgescheiden en uiteindelijk uitgroeien tot een volledig volwassen organisme. Nemen wij als voorbeeld Planaria, een van de vele platwormen, die behoren tot de klasse Rhabditophora en het phylum Platyhelminthes. Zie figuur 3 voor de afbeelding van fragmentatie en de stap die daarbij bij Planaria wordt gezet.
Fragmentatie en regeneratie
De woorden fragmentatie en regeneratie worden vaak genoemd als de woorden die bij de voortplanting worden gebruikt. Toch zijn er een aantal gemeenschappelijke verschillen in hen die heel duidelijk zijn. Het proces van fragmentatie doet zich vaak voor wanneer een deel van een organisme wordt opgesplitst in kleinere fragmenten die kunnen uitgroeien tot afzonderlijke identieke organismen, terwijl regeneratie een proces is waarbij het organisme in staat is bepaalde lichaamsdelen die verloren zijn gegaan opnieuw te laten aangroeien. In wezen worden nieuwe soorten gevormd na fragmentatie, terwijl bij regeneratie nieuwe organen worden gevormd. Aangenomen wordt dat alle organismen in staat zijn hun verloren lichaamsdelen te regenereren, terwijl er slechts enkele zijn die het vermogen hebben zich voort te planten door fragmentatie. Het proces van regeneratie kan worden aangetroffen bij hagedissen en octopussen. De details van fragmentatie en regeneratie zijn te vinden in figuur 4. (Ref. 3)
Fragmentatie- Voordelen
Het grote voordeel van fragmentatie is dat het met slechts één ouder kan worden bereikt, omdat de paring tussen man en vrouw niet verplicht is. De hele voortplantingscyclus kan gemakkelijk worden bereikt door de vorming van fragmenten uit de lichamen van het ouderorganisme en vervolgens hun groei en transformaties in nieuwe identieke organismen naar hun dynastieën. Het tweede belangrijke voordeel van het fragmentatieproces is dat de voortplantingscyclus in betrekkelijk weinig tijd kan worden gerealiseerd. De hele tijd die verloren gaat tijdens de paartijd en de omstandigheden bij de seksuele voortplanting wordt vermeden bij de voortplanting via aseksuele systemen. Versnippering, een vorm van ongeslachtelijke voortplanting, is dus een zeer snel proces. Aangezien versnippering een zeer snel proces is voor de voortbrenging van nakomelingen, wordt bovendien aangenomen dat een relatief groter aantal organismen in een kortere tijd kan worden voortgebracht, aangezien de voortplantingsketen van één individu naar twee en van twee naar vier gaat. In minder tijd kan dus uit één ouder via fragmentatie een hele nieuwe generatie van identieke organismen worden voortgebracht. Een ander voordeel tenslotte dat het fragmentatieproces in de biologie van vitaal belang maakt, is dat het in elke omgeving en onder alle klimatologische omstandigheden kan plaatsvinden en zich kan ontwikkelen. (Ref. 4)
Versnippering – Nadelen
Hoewel uit de bovenstaande discussie kan worden afgeleid dat ongeslachtelijke voortplanting, met name versnippering, een zeer vitale rol speelt bij het handhaven van het evenwicht in het ecosysteem door in relatief korte tijd grotere organismen voort te brengen, zijn er toch veel nadelen verbonden aan dit proces. Het grootste nadeel van fragmentatie is de biodiversiteit.
Aseksuele voortplanting wordt uitgevoerd door één ouder en daardoor worden alleen zijn eigenschappen, genen en kenmerken doorgegeven aan de nieuwe generatie. Zonder veel genetische diversiteit heeft de volgende generatie de neiging zeer identiek aan elkaar te zijn. Bij seksuele voortplanting daarentegen worden de genen van beide ouders gemengd. Hierdoor ontstaat een genetisch divers nageslacht.
Het tweede nadeel van fragmentatie is dat dezelfde erfelijke problemen die ooit bij de ouders voorkwamen, zich waarschijnlijk ook bij de volgende generatie zullen manifesteren. Dit proces doet zich de hele tijd voor bij ongeslachtelijke voortplanting, waarbij dezelfde eigenschappen en chromosomen op alle nakomelingen worden gekopieerd en overgedragen. Als gevolg daarvan kunnen de nakomelingen vroegtijdig uitsterven als gevolg van sommige ziekten die zij erven.
Soorten die via fragmentatie worden voortgebracht, hebben de neiging identiek te zijn. En dus kan de zwakte in hun lichaam hen vatbaar maken voor aanvallen van parasieten en roofdieren. Dit kan ervoor zorgen dat ze moeite hebben om te overleven. Als er extra druk ontstaat, bijvoorbeeld door een plotselinge verschuiving in het milieu of de habitat, kan de soort het nog moeilijker krijgen en uiteindelijk worden uitgeroeid en uitsterven. Dergelijke problemen zullen zich daarentegen minder snel voordoen bij sexuele voortplanting, omdat dit een grotere biodiversiteit bevordert.
In essentie brengt fragmentatie in de biologie problemen met zich mee met betrekking tot de controle in de populatie, omdat dit een ketenproces is waarbij een organisme zich in tweeën deelt en uit de fragmenten vervolgens nog eens twee worden gevormd. Dit leidt tot de voortplanting van massale populaties uit één enkele ouder.
Voorbeelden van fragmentatie
Het proces van fragmentatie wordt aangetroffen bij planten, dieren en diverse microscopische organismen als een vorm van voortplanting.
Versnippering bij schimmels en algen
Snippering komt veel voor bij zowel schimmels als korstmossen. Schimmels, gisten en paddestoelen zijn enkele van de soorten schimmels waarbij de voortplanting via ongeslachtelijke fragmentatie tot stand komt. Het speciale type structuur dat voor het proces van splitsing wordt bereikt, wordt hyphae genoemd. Het zijn de filamenteuze takken waaruit het mycelium van de schimmels is opgebouwd. Het zijn de vertakkingen van de moederschimmels, waarvan ze gemakkelijk kunnen worden losgemaakt en zich kunnen omvormen. Vóór het splitsingsproces groeien de schimmeldraden op de schimmels, van waaruit zij het voedsel en water halen die essentieel zijn voor de groei en de voeding. Zodra de schimmeldraden volwassen genoeg zijn om zich zelf te voeden en zich voort te planten, maken ze zich los van het moederlichaam en leven ze zelfstandig. Sommige algen planten zich ook voort door fragmentatie. Zo planten filamenteuze algen, zoals Spirogyra, zich voort door zichzelf in fragmenten te snijden.
Versnippering bij planten
De versnippering bij planten wordt het meest beschreven als het vegetatieve type van versnippering. Bij planten wordt meestal de diameter van hun kolonies vergroot door de productie van nieuwe wortel- en scheutsystemen via de verspreiding van wortelstokken of stolonen van de oude bomen, struiken, varens, en vaste planten. Zodra de wortel uit de kolonie is losgemaakt, heeft hij de neiging zelfstandig te groeien en zo een volledig nieuw wortelstelsel te doen ontstaan. Andere veel voorkomende voorbeelden van natuurlijke versnippering zijn:
- Houtige planten, b.v. wilgen, laten moeiteloos twijgen vallen die onder de juiste milieuomstandigheden kunnen uitgroeien tot een nieuwe plant. Dit natuurlijke afwerpen van twijgen staat bekend als cladoptosis.
- Het afvallen van plantendelen om een nieuw organisme te worden wordt ook waargenomen bij niet-bloeiende planten, zoals Kalanchoe daigremontiana. Op de foto hieronder zijn de adventieve plantjes op het blad van K. daigremontiana te zien. De plantjes kunnen afvallen en vervolgens in de grond wortelen om een nieuwe, onafhankelijke plant te worden.
- Nonvasculaire planten, zoals mossen en levermossen, vermeerderen zich ook vaak door fragmentatie. Merchantia polymorpha (levermos) is een voorbeeld van een niet-vasculaire plant die aan fragmentatie doet door gemmae te produceren die van de oorspronkelijke plant worden afgebroken om een nieuwe en onafhankelijke plant te worden.
Hieronder ziet u de video waarin het voorkomen van fragmentatie bij planten en het belang ervan voor hen wordt uitgebeeld.
Fragmentatie bij Dieren
Fragmentatie wordt bij veel koraalkolonies waargenomen. Zowel harde koralen als zachte koralen kunnen gemakkelijk worden gefragmenteerd. Ook rassen als Montipora, Acropora, Pocillopora, Euphyllia en Caulastrea zijn in staat tot fragmentatie. Veel zeeanemonen planten zich voort via het proces van splitsing of fragmentatie. Andere voorbeelden van fragmentatie bij dieren zijn die van zeesterren en Planaria, die in de voorgaande hoofdstukken zijn uitgewerkt. (Ref. 5)
Fragmentatie in de Cel- en Moleculaire Biologie: Definition and Biological Importance
Laten we eens kijken naar het cellulaire niveau van het reproductieve fragmentatieproces. DNA-klonen verwijst naar de duplicatie van de DNA-moleculen – de creatie van een exacte kopie of een “kloon” van DNA, vooral voor ongeslachtelijke voortplanting. Op natuurlijke wijze creëert een organisme identieke DNA-moleculen voor zijn “kloon” (nakomeling). Het woord klonen verwijst hier naar het feit dat de gereproduceerde individuen identiek DNA vertonen als dat van hun voorouder. Dit gebeurt bij de fragmentatie. Het is echter geen exclusief proces, want DNA-klonen komt ook voor bij andere vormen van ongeslachtelijke voortplanting, zoals binaire splijting. Het klonen van DNA is dus een belangrijk cellulair proces bij ongeslachtelijke voortplanting.
DNA-klonen kan zowel op natuurlijke als op kunstmatige wijze worden bereikt. Onderzoekers hebben van dit proces gebruik gemaakt in laboratoria voor onderzoek en experimentele studies. Zij kwamen met de zogenaamde “DNA fragmentatie” procedure, die een moleculair genetische techniek is waarmee zij specifieke DNA fragmenten uit het genoom van een organisme kunnen klieven en klonen via recombinant DNA technologie.
Naast dit moleculaire aspect van het gebruik van fragmentatie, wordt de term ook gebruikt om een ander cellulair proces te beschrijven waarbij cellulaire delen fragmentatie ondergaan. Dit is vooral het geval bij apoptose. Apoptose is het proces waarbij de geprogrammeerde vernietiging van cellen plaatsvindt en dit wordt bereikt door een zeer georganiseerde opeenvolging van morfologische veranderingen. Bovendien worden de morfologische veranderingen gekenmerkt door het krimpen van cellen en kernen, chromatinefragmentatie en -condensatie, de vorming van apoptotische lichaampjes, en het proces van fagocytose van alle beschikbare naburige cellen. Bovendien gaat apoptose gepaard met de activering van uniforme endonucleasen met splitsing van DNA in fragmenten van hetzij honderdtachtig basenparen, hetzij veelvouden van honderdtachtig basenparen. De relatie tussen apoptose en DNA-fragmentatie speelt dus een zeer belangrijke rol bij de instandhouding van de cellulaire organisatie. De voortgang van celapoptose speelt een sleutelrol bij het redden van de gezonde cellen en weefsels in het menselijk lichaam van de gevaarlijke effecten van de cellen die niet stabiel werken en aan het afsterven zijn.
Samenvatting
Het biologische proces waarbij organismen zich in twee of meer fragmenten splitsen om nieuwe individuen (nakomelingen) te worden, wordt fragmentatie genoemd. Deze fragmenten groeien uit en worden volwassen tot een geheel nieuwe generatie met identieke kenmerken als hun ouders. Versplintering wordt in diverse literatuur ook splitsing genoemd en zijn de synoniemen van elkaar. Het fragmentatieproces is aseksueel, wat betekent dat er slechts één ouder bij betrokken is. Daarom zullen de nakomelingen hoogstwaarschijnlijk dezelfde genetische kenmerken dragen. De voortplanting waarbij zowel mannelijke als vrouwelijke ouders betrokken zijn, staat daarentegen bekend als geslachtelijke voortplanting. Beide vormen van voortplanting hebben hun voor- en nadelen.
Fragmentatie verloopt in drie fasen. Het proces begint met de vorming van fragmenten. Dit wordt gevolgd door de ontwikkeling van fragmenten, en eindigt dan bij de omzetting van fragmenten in ontwikkelde soorten. De hele cyclus van ongeslachtelijke voortplanting, met name fragmentatie, is van groot biologisch belang. De vorming van identieke soorten, de kortere voortplantingstijd en de overdracht van positieve genen van ouder op nakomeling zijn enkele van de belangrijkste voordelen van fragmentatie, terwijl het gebrek aan of de verminderde genetische diversiteit, dezelfde erfenisproblemen, en het niet kunnen omgaan met veranderingen in het milieu enkele van de nadelen ervan zijn.
Fragmentatie wordt ook gebruikt om te verwijzen naar bepaalde cellulaire processen. Aangezien fragmentatie in het algemeen verwijst naar het breken of knippen van een groot geheel in kleinere delen, wordt het gebruikt om te verwijzen naar celprocessen zoals DNA-fragmentatie (die optreedt bij DNA-klonen) en celfragmentatie, met name het eindstadium van apoptose.
De twee belangrijkste gebieden waar fragmentatie een zeer vitale rol speelt in de biologische cellen zijn apoptose en DNA-klonen. Bij DNA-klonering wordt een deel van de genen overgebracht van het hoofdlichaam naar fragmenten, terwijl bij apoptose het verval van dode cellen optreedt.
1. Miller-Rushing, A., Primack, R., Devictor, V., & Liba Pejchar. (2019, april). Hoe beïnvloedt habitatfragmentatie de biodiversiteit? Een controversiële vraag in de kern van natuurbehoud… 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, 24 april). Fragmentatie. Vedantu.Com; Vedantu. https://www.vedantu.com/biology/fragmentation#:~:text=Fragmentation%20in%20Plants%20and%20Animals,een%20vorm%20van%20asexuele%20reproductie.
3. Admin. (2018, augustus). Verschil tussen Fragmentatie en Regeneratie. BYJUS; BYJU’S. https://byjus.com/biology/difference-between-fragmentation-and-regeneration/#:~:text=Fragmentation%20occurs%20when%20an%20organism,body%20when%20het%20verliest%20them.
4. Jessen, T., Wang, Y., & Wilmers, C. C. (2017). Habitatfragmentatie biedt een competitief voordeel aan een invasieve boomeekhoorn, Sciurus carolinensis. Biological Invasions, 20(3), 607-618. https://doi.org/10.1007/s10530-017-1560-8
5. Hecht, L., & Allcock, M. (2020, 18 juni). Potentiële effecten van habitatfragmentatie op het welzijn van wilde dieren. ResearchGate; onbekend. https://www.researchgate.net/publication/342292473_Potential_effects_of_habitat_fragmentation_on_wild_animal_welfare