Определяне на пола в биологията: дефиниция, генетични и екологични механизми

Определянето на пола е процес на развитие, при който се определя полът на индивида. Сексът е широко разпространен сред живите същества метод за размножаване. За него са необходими два индивида от един и същи вид.

Обикновено половете са разделени. Полът може да се определи по един от двата начина:

Генетично, чрез гените и хромозомите, които организмът наследява от своите родители.
В околната среда - от някакъв външен фактор, който действа като стимул за развитие.

Когато двата пола се срещат при един и същи индивид, той е хермафродит. Хермафродитни системи се срещат при някои животни, например охлюви, и при повечето цъфтящи растения.

Какво означава "определяне на пола" в биологията

В биологичен смисъл "пол" (sex) се отнася до набора от репродуктивни органи и функции, които дават възможност за участие в половото размножаване — най-често като производител на яйцеклетки (женски) или сперматозоиди (мъжки). Процесът на определяне на пола обхваща всички генетични, молекулярни и външни фактори, които в ранните етапи на развитие насочват ембриона към една от двете (или и двете) пътища.

Генетични механизми

Генетичното определяне на пола включва различни системи и механизми, при които хромозомите и специфични гени контролират развитието на половите характеристики.

Хромозомни системи:
- XY-система (например при хора и повечето бозайници): мъжкият пол е XY, женският — XX. Генът SRY на Y-хромозомата играе ключова роля за тестисното развитие при бозайниците.
- ZW-система (при птици, някои риби и насекоми): женската е ZW, мъжкият е ZZ. Тук женският пол е хетерогаметен.
- XO-система (напр. при някои видове насекоми): един пол има една хромозома X (XO), другият има две (XX); определянето на пола зависи от броя на X-хромозомите.
Хаплоидно-диплоидна система: при някои насекоми (напр. пчели, мравки) мъжките са хаплоидни (произлизат от неоплодени яйца) и женските са диплоидни (от оплодени яйца). Този механизъм се нарича haplodiploidy и има значими ефекти върху социалната организация на тези видове.
Ген-детерминирани системи: при някои организми ключов е един или малък брой гени (не непременно на полови хромозоми), които задействат верига от развитие към мъжки или женски път. Пример е генът DMRT1 при някои влечуги и птици.
Мултигенна и дозово-зависима регулация: при някои видове определянето на пола зависи от съвкупното действие на много гени и от съотношението на генни продукти (напр. броя на X-хромозомите спрямо автозоми).

Екологични (външни) механизми

При много организми външни фактори влияят върху пола — те могат напълно да заменят генетичните сигнали или да ги модифицират.

Температурно зависимо определяне на пола (TSD): при много влечуги (някои костенурки, гущери, крокодили) температурата през критичен период на ембрионалното развитие определя пола на потомството. Малки изменения в температурата могат да променят съотношението мъжки/женски.
Социално индуцирано определяне: при някои риби (напр. клоунска риба, някои морски ласи) полът може да се сменя в зависимост от социалния контекст — при смърт или отсъствие на доминиран представител един индивид може да промени пола си (последователен хермафродитизъм: протандрия или протогиния).
Химични фактори и замърсители: ендокринни разрушители (напр. бисфенол A, някои пестициди) могат да повлияят хормоналните пътища и да предизвикат масивни смущения в определянето на пола и развитието на половите органи у дивите популации.
Други фактори: pH, хранене, плътност на популацията и микробиота също могат да имат роля при някои организми.

Хермафродитизъм и алтернативни стратегии

Хермафродитните индивиди притежават и мъжки, и женски репродуктивни органи. Съществуват два основни типа:

Симултанен хермафродитизъм: индивидът има едновременно функционални мъжки и женски органи (напр. много охлюви, някои риби и растения).
Последователен (сезонен) хермафродитизъм: индивидът сменя пола си през живота — протандрия (първо мъжки, после женски) или протогиния (първо женски, после мъжки), както при някои морски риби.

Има и случаи на партеногенеза — развитие на индивиди от неоплодени яйца (некоторые гущери, насекоми), което е форма на безполово размножаване, но също има последици за половото съотношение в популацията.

Генетични аномалии и междинни полови състояния

Понякога генетични и/или ендокринни нарушения водят до размиване на традиционните двуполни категории — появяват се междинни или смесени полови характеристики. При хората такива състояния се наричат разстройства/вариации на половото развитие (DSD). Те илюстрират, че биологичният пол е резултат от сложни взаимодействия между генетика, хормони и развитие.

Еволюционни и биологични последици

Разнообразието на механизми за определяне на пола показва, че няма "универсален" начин — различните стратегии имат еволюционни предимства в различни среди. Генетичните системи улесняват стабилно наследяване на пола, докато екологичните системи позволяват адаптация към променящи се условия (напр. оптимизиране на съотношението полове при различни температури или социални структури).

Ключови примери

Хора и повечето бозайници: XY (SRY) — генетично определяне.
Птици: ZW система — женската е ZW.
Пчели: haplodiploidy — мъже хаплоидни, жени диплоидни.
Костенурки и някои гущери: температурно зависимо определяне на пола.
Клоунска риба и някои морски видове: социално предизвикан секс-ревърс.

Заключение

Определянето на пола в биологията е сложен процес, управляван от разнообразни генетични и екологични механизми. Разбирането му изисква интеграция на генетика, ембриология, екология и еволюция. Това многообразие е ключово за адаптацията и оцеляването на видовете и обяснява широката палитра от репродуктивни стратегии в природата.

Определяне от околната среда

При много видове полът се определя от факторите на околната среда по време на развитието. При много влечуги определянето на пола зависи от температурата. Температурата, която ембрионите изпитват по време на развитието си, определя пола на организма. При някои костенурки например мъжките екземпляри се образуват при по-ниски температури на инкубация от женските; тази разлика в критичните температури може да бъде едва 1-2 °C.

Много риби сменят пола си през целия си живот. Това явление се нарича последователен хермафродитизъм. При рибите клоуни по-малките риби са мъжки, а доминиращата и най-голяма риба в групата става женска. При много брашнени риби е обратното - повечето риби са женски при раждането си и стават мъжки, когато достигнат определен размер. Последователните хермафродити могат да произвеждат и двата вида гамети през целия си живот, но във всеки един момент те са или женски, или мъжки.

При някои папрати полът по подразбиране е хермафродит, но папратите, които растат в почва, в която преди това е имало хермафродити, са повлияни от останалите хормони и се развиват като мъжки.

Първоначално рибите клоуни са мъжки; най-голямата риба в групата става женска.

Генетично определяне

Най-обичайният начин за определяне на пола е чрез гени. По този начин полът на организма се определя от генома, който той получава. Алелите, които оказват влияние върху половото развитие, могат да се намират или да не се намират в една и съща хромозома. Ако са, тази хромозома се нарича полова хромозома, а гените върху нея - "свързани с пола". Полът се определя или от факта, че има полова хромозома (която може да липсва), или от броя им. Тъй като генетичното определяне на пола се определя от съвпадащите хромозоми, обикновено има еднакъв брой мъжки и женски потомци.

Различни генетични системи

Хората и другите бозайници имат система за определяне на пола XY: Y хромозомата носи фактори, отговорни за развитието на мъжа. При липса на Y хромозома стандартният пол е женски. XX бозайниците са женски, а XY - мъжки. XY определянето на пола се среща и при други организми, включително обикновената плодова мушица и някои растения. В някои случаи, включително при плодовата муха, полът се определя от броя на Х хромозомите, а не от наличието на Y хромозома.

Птиците имат система, която работи в обратната посока: Тя се нарича ZW система за определяне на пола. З хромозомата има фактори за женско развитие. По подразбиране (ако хромозомата липсва) организмът ще бъде мъжки., В този случай индивидите ZZ са мъжки, а ZW - женски. По-голямата част от пеперудите и молците също имат ZW система за определяне на пола. Както при XY, така и при ZW системите за определяне на пола, половата хромозома, носеща критичните фактори, често е значително по-малка и носи малко повече от гените, необходими за задействане на развитието на даден пол.

Много насекоми използват система за определяне на пола въз основа на броя на половите хромозоми. Това се нарича определяне на пола XX/XO - О означава липса на полова хромозома. Всички останали хромозоми при тези организми са диплоидни, но организмите могат да наследят една или две Х хромозоми. Например при щурците с една Х-хромозома насекомите се развиват като мъжки, а тези с две - като женски. При нематода C. elegans повечето червеи са самооплождащи се ХХ хермафродити, но понякога аномалии в хромозомното унаследяване редовно водят до появата на индивиди само с една Х хромозома - тези ХО индивиди са плодовити мъже (и половината им потомство е мъжко).

Други насекоми, включително медоносните пчели и мравките, използват хаплоидно-диплоидна система за определяне на пола. В този случай диплоидните индивиди обикновено са женски, а хаплоидните индивиди (които се развиват от неоплодени яйца) са мъжки. Тази система за определяне на пола води до силно изкривено съотношение на половете, тъй като полът на потомството се определя от оплождането, а не от подбора на хромозомите по време на мейозата.

Аномалии

Понякога организмът има мъжки и женски облик. Това е интерсекс и се среща рядко. Въпреки че такива организми могат да бъдат наречени хермафродити, това не е правилно, тъй като при интерсексуалните индивиди или мъжкият, или женският аспект е стерилен.

Подобно на хората и другите бозайници, обикновената плодова мушица има система за определяне на пола XY.