Fragmentacja
n., plural: fragmentations
Definicja: rozbijanie na mniejsze części, jak w rozmnażaniu bezpłciowym, gdzie organizm macierzysty rozpada się na fragmenty
Spis treści
Fragmentacja Definicja
Co to jest fragmentacja? Ogólnie rzecz biorąc, fragmentacja odnosi się do stanu lub procesu rozbijania na mniejsze części, zwane fragmentami. W biologii może odnosić się do procesu fragmentacji reprodukcyjnej jako formy rozmnażania bezpłciowego lub do etapu w niektórych czynnościach komórkowych, takich jak w apoptozie i klonowaniu DNA.
Fragmentacja w Biologii Rozrodu
Proces fragmentacji jest jednym z najważniejszych mechanizmów, które najczęściej występują w organizmie wielokomórkowym (tj. organizmie, który składa się z więcej niż jednej komórki). W biologii reprodukcyjnej, fragmentacja odnosi się do procesu, w którym żywy organizm dzieli się na części, które później rosną identyczne z oryginalnym organizmem. Różne ciała lub części, które są tworzone z powodu takiego procesu są określane jako fragmenty i jest przykładem rozmnażania bezpłciowego.
W fragmentacji, fragmenty są tworzone z powodu podziału różnych organizmów żywych. Każdy z uformowanych fragmentów po przejściu przez cykl wzrostu rozwija się w dojrzałego, w pełni rozwiniętego osobnika, który jest identyczny ze swoim rodzicem pod względem kształtu, rozmiaru i innych wymiarów. (Ref. 1)
Główną cechą procesu fragmentacji jest to, że proces ten może wystąpić zarówno celowo, jak i nieumyślnie. Na przykład, przyczyny spowodowane przez człowieka lub zmiany środowiskowe mogą spowodować fragmentację organizmu i ostatecznie rozwinąć się w kompletne i dojrzałe organizmy, które są podobne do rodzica.
Fragmentacja występuje zarówno u zwierząt jak i roślin. Grzyby, porosty, pleśnie, robaki, gwiazdy morskie, płazińce acoel i gąbki są niektóre z powszechnych przykładów, gdzie tryb reprodukcji występuje poprzez fragmentację. Poniższy obrazek pokazuje fragmentację u rozgwiazdy. Widać, że fragmentujące ciało oddziela się od ramienia rozgwiazdy i po pewnym czasie zaczyna się rozwijać w nową rozgwiazdę, jak widać na Rysunku 1.
Fragmentacja i podział
Proces fragmentacji jest w istocie procesem rozpadu organizmu na różne fragmenty, które z czasem przekształcają się w kompletny organizm. Tak więc, proces ten jest również określany jako proces podziału.
Proces rozmnażania
Proces biologiczny, w którym nowe jednostki/organizmy są tworzone z rodziców jest nazywany rozmnażaniem. Seksualne i bezpłciowe są dwiema formami reprodukcji, które są szeroko badane przez wielu badaczy. Proces, w którym potomstwo rodzi się z powodu kojarzenia dwojga rodziców, nazywany jest rozmnażaniem płciowym. Każdy z rodziców wnosi jajo od samicy i plemnik od mężczyzny, a po połączeniu tych dwóch gamet w procesie zapłodnienia powstaje zygota, która dojrzewa do embrionu, a w końcu do w pełni rozwiniętego organizmu. Allogamia, zapłodnienie wewnętrzne, zapłodnienie zewnętrzne i autogamia to niektóre z typów rozmnażania płciowego. Proces rozmnażania płciowego został przedstawiony na Rysunku 2.
Proces, w którym cykl rozmnażania jest osiągany tylko przez jednego rodzica nazywany jest rozmnażaniem bezpłciowym. Przykłady obejmują rozszczepienie binarne, pączkowanie, fragmentację i partenogenezę. Proces rozszczepienia binarnego występuje u bakterii, gdzie pojedyncza bakteria ma tendencję do dzielenia się na dwie komórki. W pączkowaniu, bardzo małe organy są tworzone w ciałach rodziców i tak po pewnym czasie, mają tendencję do pękania i w ten sposób ostatecznie rosną w dwa osobniki. Ten typ rozmnażania bezpłciowego występuje u drożdży i niektórych innych zwierząt hydra. (Zał. 2) W rozmnażaniu fragmentarycznym, rozmnażanie zachodzi poprzez rozbicie organizmu macierzystego na różne fragmenty, które mają zdolność do wzrostu identycznego jak ich rodzice. Jest to powszechnie spotykane u koralowców, gąbek i ryb gwiezdnych. W partenogenezie, ten typ rozmnażania bezpłciowego występuje u wielu ryb, gadów i płazów.
Dla porównania między rozmnażaniem płciowym i bezpłciowym, zobacz poniższą tabelę:
Tabela 1: Porównanie rozmnażania płciowego i bezpłciowego
| Płciowe Rozmnażanie | Rozród bezpłciowy | |
|---|---|---|
| Dwoje rodziców jest zaangażowanych | Zaangażowany jest jeden rodzic | |
| Jajo zostaje zapłodnione przez plemniki | Nowy organizm powstaje z organizmu rodzicielskiego | nowy organizm powstaje z rodzica i oba są identyczne ze sobą |
| Znajduje się u ludzi, wielu roślinach, i wielu zwierzętach | Znalezione w bakteriach, gadach, niektórych zwierzętach, i wielu roślinach | |
| Potomstwo różni się od swoich rodziców w wielu głównych aspektach | Potomstwo jest identyczne ze swoimi rodzicami i przodkami | |
| Proces jest czasochłonny, ale prowadzi do większej liczbyczasochłonny, ale prowadzi do większej zmienności genetycznej w następnym pokoleniu | Proces jest względnie szybszy, ale nie ma/jest ograniczona zmienność genetyczna w następnym pokoleniu |
Fragmentacja – etapy ogólne
Proces fragmentacji jest bardzo istotny w biologii dla rozmnażania bezpłciowego. Jak opisano wcześniej, jest to forma rozmnażania, w której małe organy lub części ciała osobnika macierzystego zostają oddzielone i w końcu rozwijają się w całkowicie dojrzały organizm. Weźmy za przykład Planaria, jednego z wielu płazińców, należącego do klasy Rhabditophora i azylu Platyhelminthes. Na rycinie 3 przedstawiono proces fragmentacji i etapy zachodzące podczas fragmentacji u Planarii.
Fragmentacja i regeneracja
Słowa fragmentacja i regeneracja są często określane jako słowa używane w reprodukcji. Mimo to, istnieją pewne wspólne różnice w nich, które są dość oczywiste. Proces fragmentacji często występuje, gdy część organizmu jest uszkodzony na mniejsze fragmenty, które mogą rosnąć w oddzielnych identycznych organizmów, podczas gdy regeneracja jest jeden, w którym organizm jest w stanie odrastać pewne części ciała, które są utracone. W istocie, nowe gatunki są tworzone po fragmentacji, podczas gdy nowe organy są tworzone podczas regeneracji. Uważa się, że wszystkie organizmy są w stanie zregenerować swoje utracone części ciała, podczas gdy istnieje tylko kilka, które mają zdolność do reprodukcji poprzez fragmentację. Proces regeneracji można znaleźć u jaszczurek i ośmiornic. Szczegóły dotyczące fragmentacji i regeneracji można znaleźć na rysunku 4. (Zał. 3)
Fragmentacja – zalety
Pierwszą zaletą fragmentacji jest to, że może być osiągnięta tylko z jednym rodzicem, ponieważ kojarzenie między samcem i samicą nie jest obowiązkowe. Cały cykl rozmnażania może być łatwo osiągnięty przez tworzenie fragmentów z ciał organizmów macierzystych, a następnie ich wzrost i przekształcenia w nowe identyczne organizmy do ich dynastii. Drugą ważną zaletą procesu fragmentacji jest to, że jego cykl reprodukcyjny może być osiągnięty w stosunkowo mniejszej ilości czasu. Cały czas, który jest tracony podczas okresu godowego i warunków w rozmnażaniu płciowym, jest unikany w rozmnażaniu przez systemy bezpłciowe. Tak więc, fragmentacja będąca rodzajem rozmnażania bezpłciowego jest procesem bardzo szybkim. Ponadto, ponieważ fragmentacja jest bardzo szybkim procesem wytwarzania potomstwa, uważa się, że stosunkowo większa liczba organizmów może być produkowana w krótszym czasie, ponieważ łańcuch rozmnażania przechodzi od jednego osobnika do dwóch i od dwóch do czterech. W ten sposób w krótszym czasie z jednego rodzica może powstać całe nowe pokolenie identycznych organizmów poprzez fragmentację. Wreszcie, inną zaletą, która sprawia, że proces fragmentacji jest bardzo ważny w biologii, jest jego zdolność do występowania i postępu w każdym środowisku i w każdych warunkach klimatycznych. (Zał. 4)
Fragmentacja – Wady
Mimo, że z powyższej dyskusji wynika, że rozmnażanie bezpłciowe, zwłaszcza fragmentacja, odgrywa bardzo istotną rolę w utrzymaniu równowagi w ekosystemie poprzez produkcję większych organizmów w stosunkowo krótszym czasie, to jednak istnieje wiele wad związanych z tym procesem. Główną wadą fragmentacji jest związane z bioróżnorodnością.
Rozród bezpłciowy jest przeprowadzany przez jednego rodzica i z tego powodu tylko jego cechy, geny i cechy będą przekazywane do nowego pokolenia. Bez dużej różnorodności genetycznej, następne pokolenie ma tendencję do bycia bardzo identycznym do siebie Odwrotnie, w rozmnażaniu płciowym, dwa geny od obojga rodziców są mieszane. Daje to początek genetycznie zróżnicowanemu potomstwu.
Drugą wadą fragmentacji jest to, że te same problemy z dziedzictwem, które kiedyś występowały u rodziców, będą prawdopodobnie przejawiały się w następnym pokoleniu. Proces ten powstaje cały czas w rozmnażaniu bezpłciowym, te same cechy i chromosomy są kopiowane i przenoszone na wszystkich potomków. W rezultacie potomstwo może być narażone na wczesne wyginięcie z powodu niektórych chorób, które odziedziczyło.
Gatunki powstałe w wyniku fragmentacji mają tendencję do bycia identycznymi. I tak, słabość w ich ciałach może uczynić je podatnymi na ataki pasożytów i drapieżników. To może spowodować, że będą walczyć o przetrwanie. Jeśli pojawi się dodatkowa presja, na przykład nagła zmiana w środowisku lub siedlisku, gatunek może walczyć jeszcze bardziej, a w końcu może zostać wyeliminowany i wyginąć. W przeciwieństwie do tego, takie problemy są mniej prawdopodobne, aby wystąpić w reprodukcji seksualnej, ponieważ promuje większą bioróżnorodność.
W istocie, fragmentacja w biologii niesie problemy z kontrolą w populacji, ponieważ jest to proces łańcuchowy, w którym organizm dzieli się na dwa, a następnie kolejne dwa są tworzone z fragmentów. Prowadzi to do reprodukcji masywnych populacji z jednego rodzica.
Przykłady fragmentacji
Proces fragmentacji występuje u roślin, zwierząt i różnorodnych mikroskopijnych organizmów jako forma reprodukcji.
Fragmentacja w grzybach i glonach
Fragmentacja jest bardzo często spotykana zarówno u grzybów jak i porostów. Pleśnie, drożdże i grzyby są niektóre z typów grzybów, gdzie reprodukcja jest osiągnięta poprzez bezpłciowe fragmentacji. Specjalny typ struktury, który jest osiągany w procesie podziału jest określany jako hyphae. Są to filamentowe gałęzie, z których grzybnia grzybów jest wykonana. Są to odgałęzienia grzybów macierzystych, od których mogą być łatwo odłączane i przekształcać się. Przed procesem podziału strzępki rosną na grzybach, skąd czerpią pokarm i wodę, niezbędne do wzrostu i odżywiania. Gdy hiacynty są wystarczająco dojrzałe, aby żywić się samodzielnie i rozmnażać się, odłączają się od ciała macierzystego i żyją niezależnie. Niektóre glony rozmnażają się również przez fragmentację. Na przykład, glony nitkowate, takie jak Spirogyra, rozmnażają się przez pocięcie na fragmenty.
Fragmentacja u roślin
Fragmentacja u roślin jest najczęściej opisywana jako wegetatywny typ fragmentacji. U roślin, głównie średnica ich kolonii jest zwiększana przez wytwarzanie nowych systemów korzeniowych i pędowych poprzez rozprzestrzenianie się kłączy lub stolonów ze starych drzew, krzewów, paproci i bylin. W ten sposób, po oderwaniu korzenia od kolonii, ma on tendencję do samodzielnego wzrostu, dając początek zupełnie nowemu systemowi korzeniowemu. Inne popularne przykłady naturalnej fragmentacji są następujące:
- Rośliny drzewiaste, np. wierzby, zrzucają gałązki bez wysiłku i w odpowiednich warunkach środowiskowych mogą wyrosnąć z nich nowe rośliny. To naturalne zrzucanie gałązek jest znane jako kladoptoza.
- Odrywanie się części roślinnych w celu przekształcenia się w nowy organizm obserwuje się również u roślin nie-włóknistych, takich jak Kalanchoe daigremontiana. Na zdjęciu poniżej, zauważcie przypadkowe sadzonki na liściu K. daigremontiana. Mogą one odpaść, a następnie zakorzenić się w ziemi i stać się nową, niezależną rośliną.
- Rośliny nienaczyniowe, takie jak mchy i wątrobowce, rozmnażanie przez fragmentację jest również powszechne. Merchantia polymorpha (pospolity liverwort) jest przykładem rośliny nienaczyniowej, która wykonuje fragmentację poprzez produkcję gemmae, które są zerwane z oryginalnej rośliny, aby stać się nową i niezależną rośliną.
Poniżej znajduje się film przedstawiający występowanie fragmentacji u roślin i jej znaczenie dla nich.
Fragmentacja u zwierząt
Fragmentację obserwuje się w wielu koloniach koralowców. Zarówno korale twarde jak i miękkie mogą być łatwo fragmentowane. Podobnie, rasy takie jak Montipora, Acropora, Pocillopora, Euphyllia i Caulastrea są zdolne do fragmentacji. Wiele ukwiałów morskich rozmnaża się poprzez proces rozszczepiania lub fragmentacji. Inne przykłady fragmentacji zwierząt to rozgwiazdy i planaria, które zostały omówione w poprzednich rozdziałach. (Ref. 5)
Fragmentacja w biologii komórkowej i molekularnej: Definition and Biological Importance
Przyjrzyjrzyjmy się na poziomie komórkowym procesowi fragmentacji reprodukcyjnej. Klonowanie DNA odnosi się do duplikacji cząsteczek DNA – tworzenia dokładnej kopii lub „klonu” DNA, szczególnie w przypadku rozmnażania bezpłciowego. Za pomocą naturalnych środków organizm tworzy identyczne cząsteczki DNA dla swojego „klonu” (potomstwa). Słowo klonowanie odnosi się tutaj do faktu, że rozmnażane osobniki wykazują identyczne DNA jak ich przodek. Dzieje się to przy fragmentacji. Nie jest to jednak proces wyłączny, gdyż klonowanie DNA występuje również w innych formach rozmnażania bezpłciowego, takich jak rozszczepienie binarne. Tak więc, klonowanie DNA jest ważnym procesem komórkowym w rozmnażaniu bezpłciowym.
Klonowanie DNA można osiągnąć zarówno w sposób naturalny, jak i za pomocą metod sztucznych. Naukowcy wykorzystali ten proces w laboratoriach do badań i eksperymentów. Wymyślili tak zwaną procedurę „fragmentacji DNA”, która jest molekularną techniką genetyczną pozwalającą na rozszczepianie i klonowanie określonych fragmentów DNA z genomu organizmu za pomocą technologii rekombinacji DNA.
Oprócz tego molekularnego aspektu użycia fragmentacji, termin ten jest również używany do opisania innego procesu komórkowego, w którym części komórki ulegają fragmentacji. Jest to widoczne zwłaszcza w apoptozie. Apoptoza jest procesem, w którym dochodzi do zaprogramowanego niszczenia komórek, a odbywa się to poprzez bardzo zorganizowaną sekwencję zmian morfologicznych. Ponadto, zmiany morfologiczne charakteryzują się kurczeniem komórek i jąder, fragmentacją i kondensacją chromatyny, tworzeniem ciałek apoptotycznych oraz procesem fagocytozy wszystkich dostępnych komórek sąsiednich. Dodatkowo w apoptozie dochodzi do aktywacji endonukleaz mundurowych z rozszczepieniem DNA na fragmenty o długości stu osiemdziesięciu par zasad lub wielokrotności stu osiemdziesięciu par zasad. Tak więc zależność między apoptozą a fragmentacją DNA odgrywa bardzo istotną rolę w utrzymaniu organizacji komórkowej. Postęp apoptozy komórkowej odgrywa kluczową rolę w ratowaniu zdrowych komórek i tkanek pracujących w organizmie człowieka przed niebezpiecznymi skutkami działania komórek, które nie pracują stabilnie i są w trakcie obumierania.
Podsumowanie
Proces biologiczny, w którym organizmy dzielą się na dwa lub więcej fragmentów, aby stać się nowymi osobnikami (potomstwem), nazywamy fragmentacją. Fragmenty te rosną i dojrzewają w całe nowe pokolenie o identycznych cechach jak ich rodzice. Fragmentacja jest również określana w różnej literaturze jako podział i są to synonimy siebie nawzajem. Proces fragmentacji jest bezpłciowy, co oznacza, że bierze w nim udział tylko jeden rodzic. Dlatego też potomstwo najprawdopodobniej będzie posiadało te same cechy genetyczne. Z drugiej strony, rozmnażanie, w którym uczestniczą zarówno rodzice płci męskiej, jak i żeńskiej, znane jest jako rozmnażanie płciowe. Oba typy reprodukcji mają swoje wady i zalety.
Fragmentacja zachodzi w trzech etapach. Proces zaczyna się od tworzenia fragmentów. Po nim następuje rozwój fragmentów, a następnie kończy się na przekształceniu fragmentów w rozwinięte gatunki. Cały cykl rozmnażania bezpłciowego, a zwłaszcza fragmentacja, ma duże znaczenie biologiczne. Tworzenie identycznych gatunków, krótszy czas reprodukcji i transfer pozytywnych genów od rodzica do potomstwa to niektóre z kluczowych zalet fragmentacji, podczas gdy brak lub zmniejszona różnorodność genetyczna, te same problemy z dziedzictwem i niezdolność do radzenia sobie ze zmianami środowiskowymi to niektóre z jej wad.
Fragmentacja jest również używana w odniesieniu do pewnych procesów komórkowych. Ponieważ fragmentacja odnosi się ogólnie do łamania lub cięcia dużej jednostki na mniejsze części, jest używana w odniesieniu do procesów komórkowych, takich jak fragmentacja DNA (występująca podczas klonowania DNA) i fragmentacja komórek, która jest szczególnie końcowym etapem apoptozy.
Dwa główne obszary, w których fragmentacja odgrywa bardzo istotną rolę w komórkach biologicznych, to apoptoza i klonowanie DNA. W klonowaniu DNA część genów przenoszona jest z organizmu głównego do fragmentów, natomiast w apoptozie dochodzi do rozpadu martwych komórek.
1. Miller-Rushing, A., Primack, R., Devictor, V., & Liba Pejchar. (2019, kwiecień). Jak fragmentacja siedlisk wpływa na bioróżnorodność? 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). Fragmentacja. Vedantu.Com; Vedantu. https://www.vedantu.com/biology/fragmentation#:~:text=Fragmentation%20in%20Plants%20and%20Animals,a%20form%20of%20asexual%20reproduction.
3. admin. (2018, sierpień). Różnica między fragmentacją a regeneracją. BYJUS; BYJU’S. https://byjus.com/biology/difference-between-fragmentation-and-regeneration/#:~:text=Fragmentation%20occurs%20when%20an%20organism,body%20when%20it%20loses%20them.
4. Jessen, T., Wang, Y., & Wilmers, C. C. (2017). Habitat fragmentation provides a competitive advantage to an invasive tree squirrel, Sciurus carolinensis. Biological Invasions, 20(3), 607-618. https://doi.org/10.1007/s10530-017-1560-8
5. Hecht, L., & Allcock, M. (2020, June 18). Potencjalny wpływ fragmentacji siedlisk na dobrostan dzikich zwierząt. ResearchGate; nieznany. https://www.researchgate.net/publication/342292473_Potential_effects_of_habitat_fragmentation_on_wild_animal_welfare