Gametophyt

Gametophyt Definition

Gametophyten sind das Stadium, das bei Pflanzen und Algen Geschlechtszellen produziert, die einen Generationenwechsel durchlaufen. Bei Landpflanzen können diese Geschlechtszellen als „Spermien“ und „Eier“ bezeichnet werden, wobei „männliche“ und „weibliche“ Geschlechtszellen zusammenkommen, um Nachkommen zu produzieren.

Im Gegensatz zu Tieren und anderen Organismen, die sexuelle Fortpflanzung nutzen, produzieren Gametophyten ihre Geschlechtszellen nicht durch Meiose.

Stattdessen sind alle Zellen innerhalb eines gametophyten Organismus haploid – das heißt, sie besitzen nur eine Kopie jedes Chromosoms – und diese haploiden Organismen produzieren Gameten durch Mitose.

Dies steht im Gegensatz zu Tieren und anderen Organismen, die diploid sind – also zwei Kopien von jedem Chromosom besitzen – und die ihre Chromosomenzahl halbieren müssen, bevor sie Geschlechtszellen erzeugen können, die die richtige Anzahl von Chromosomen haben, um gesunde diploide Nachkommen zu produzieren.

Die Nachkommen der Gametophyten sind tatsächlich diploide Pflanzen, und diese diploiden Pflanzen nutzen die Meiose, um sich fortzupflanzen. Aber in einer überraschenden Wendung werden die diploiden Nachkommen von Gametophyten Sporophyten genannt.

Anstatt die Meiose zu nutzen, um Geschlechtszellen zu produzieren, nutzen sie die Meiose, um Sporen zu produzieren – die dann eine Mitose durchlaufen, um zu ganz neuen haploiden Organismen zu wachsen, auch bekannt als Gametophyten!

Dieser Generationswechsel ist eine Überlebensstrategie, bei der eine Pflanze oder Alge zwischen verschiedenen Fortpflanzungstechniken wechselt.

Der Gametophyt – üblicherweise als erstes Stadium des Zyklus betrachtet – pflanzt sich geschlechtlich fort, indem er Fortpflanzungszellen von zwei verschiedenen Organismen kombiniert, um genetisch vielfältige Nachkommen zu produzieren.

Dadurch kann die Pflanzenpopulation während der Gametophytenvermehrung Merkmale mischen und anpassen, was die Populationen immuner gegen Krankheiten und anpassungsfähiger an sich ändernde Umweltbedingungen macht.

Die Sporophyten-Nachkommen von Gametophyten hingegen können sich schnell ausbreiten und brauchen keine Partner, um sich fortzupflanzen.

Dadurch kann ein einzelner Sporophyt eine ganz neue Population gründen, die dann Gene mit benachbarten Populationen in der Gametophytengeneration mischen kann. Sporen können auch viele Jahre unter feindlichen Bedingungen überleben, während Spermien und Eizellen das nicht können.

Dieser Wechsel der Generationen erlaubt es der Mutterpflanze, sowohl die Vorteile der sexuellen Fortpflanzung – wie die genetische Rekombination, die die genetische Vielfalt fördert – als auch die Vorteile der ungeschlechtlichen Fortpflanzung, wie Geschwindigkeit und schnelles Wachstum, zu nutzen.

Gebräuchliche Pflanzen, die den Wechsel der Generationen nutzen, sind Moose, Farne und Kiefern. In einer merkwürdigen evolutionären Umkehrung entwickeln Samenpflanzen, die den Generationswechsel nutzen, wie Nadelbäume und andere Kiefern, ihr gesamtes Gametophyten-Lebenszyklus-Stadium innerhalb eines geschlossenen Zapfens.

Im Gegensatz dazu ist der Generationswechsel bei einigen anderen Arten durchaus sichtbar. Bei Farnen zum Beispiel ist der Sporophyt die bekannte große, beblätterte Pflanze, die man oft auf Waldböden sieht.

Der Gametophyt hingegen ist eine winzige, herzförmige Pflanze, die leicht mit einer völlig anderen Art als die Sporophytengeneration verwechselt werden kann.

Funktion der Gametophyten

Gametophyten-Pflanzen produzieren Geschlechtszellen – bei Landpflanzen „Spermien“ und „Eizellen“ genannt -, um die geschlechtliche Fortpflanzung ihres Stammes zu ermöglichen.

Es gibt viele bekannte Vorteile der sexuellen Fortpflanzung, da die Fähigkeit, genetische Merkmale von zwei Individuen zu kombinieren, zu einer Vielzahl von verschiedenen Kombinationen von Merkmalen innerhalb der Population führt.

Diese Vielfalt ist extrem vorteilhaft für die Krankheitsresistenz und die Fähigkeit, auf Umweltveränderungen zu reagieren.

Ein praktisches Beispiel für die Vorteile der sexuellen Fortpflanzung ist die irische Kartoffel Hungersnot.

In Irland wurden zur Zeit der Hungersnot seit vielen Jahren Kartoffelpflanzen angebaut, die sich ungeschlechtlich fortpflanzten und sich über die Inseln verbreitet hatten. Das bedeutete, dass die Pflanzen, die das irische Volk ernährten, alle genetisch identisch waren, da sie ungeschlechtlich aus einer winzigen Elternpopulation hervorgegangen waren.

Als eine neue Krankheit die irischen Kartoffeln befiel, starben aufgrund des fehlenden genetischen Austauschs und der fehlenden Vielfalt praktisch alle Kartoffeln auf der Insel. Das Ergebnis war eine der schlimmsten humanitären Katastrophen der Geschichte, denn alle Kartoffelpflanzen, auf die sich die Menschen für ihre Ernährung verließen, starben ab.

Das Ergebnis war, dass Millionen von Iren gezwungen waren, Irland auf der Suche nach einem besseren Leben zu verlassen – und Millionen weitere starben.

Ein Aussterben der Farne wäre für die menschliche Bevölkerung nicht katastrophal, aber für die Farnpopulation wäre es katastrophal – deshalb verwenden Farne und andere Pflanzen, die einen Generationenwechsel praktizieren, Gametophyten, um die sexuelle Fortpflanzung durchzuführen und ihre Populationen genetisch vielfältig zu halten.

Interessanterweise variiert es je nach Pflanze, ob Gametophyten oder Sporophyten „dominant“ sind. Bei Farnen zum Beispiel nimmt die Gametophyten-Generation mehr Ressourcen des Lebenszyklus in Anspruch und wächst zu einer großen, sichtbaren Pflanze heran, die wir erkennen.

Bei Nadelbäumen hingegen ist die Sporophyten-Generation „dominant“ – sie wächst zu riesigen, langlebigen Bäumen heran, während die Gametophyten-Generation auf einen winzigen Organismus beschränkt ist, der im Inneren eines Zapfens wächst.

Beispiele für Gametophyten

Farne

Der Farn, den Sie sich vorstellen, wenn Sie an Jurassic Park oder einen Waldboden denken, ist ein Gametophyt. Die anmutigen, gefransten Blätter sind haploid – das heißt, sie haben nur einen Chromosomensatz und produzieren Geschlechtszellen durch Mitose, wie alle Gametophyten-Pflanzen.

Wenn Sie jemals einen Farn mit scheinbar braunen Punkten auf seinen Blättern sehen, schauen Sie genauer hin. Diese Punkte sind in Wirklichkeit separate Pflanzen: die winzige Sporophyten-Generation, die direkt aus den Blättern ihrer Eltern-Gametophyten herauswächst.

Die winzigen Sporophyten-Pflanzen sind diploid – das bedeutet, dass sie zwei Chromosomenpaare haben und eine Meiose durchlaufen, um Sporen zu produzieren.

Diese Sporen kann man als feines Pulver sehen, das sich von den braunen Punkten auf den Farnblättern löst, wenn die Zeit gekommen ist. Eine einzelne Farnspore kann vom Wind getragen werden, an einem neuen Ort landen und zu einer Gametophytenpflanze heranwachsen. Diese einzelne Gametophyten-Pflanze kann sich dann selbst befruchten und eine Generation neuer Sporophyten produzieren!

Moose

Das Moos, an das man denkt, wenn man sich einen Teppich aus rauem, grünem Pflanzenmaterial vorstellt, ist ein Gametophyt. Das Gametophytenstadium des Mooses ist langlebiger, während Sporophyten eher kurzzeitig als lange Stängel auftreten, die sich aufrichten, um Sporen in den Wind abzugeben.

Moos-Sporophyten können leicht mit einem Teil der Moos-Gametophyten-Pflanze verwechselt werden, da sie oft direkt aus dem Gametophyten-Teppich herauswachsen.

Doch die Sporophytenstängel sind eigentlich eigenständige Organismen mit anderen Genen als der darunter liegende Moosteppich.

Die Sporophyten entstehen durch die Verschmelzung von Gametophyten-Geschlechtszellen. Dadurch haben sie die doppelte Anzahl an Chromosomen im Vergleich zur Gametophyten-Generation und enthalten dadurch eine einzigartige Mischung an genetischen Merkmalen.

Hornkraut

Obwohl vom Namen her nicht so glamourös wie Farne oder Moose, sind Hornkräuter tatsächlich eine hübsche Waldpflanze, deren Gametophyten-Stadium aus kleinen, smaragdgrünen Blättern besteht, die in feuchten Böden wachsen.

Wie bei den Moosen ist die Gametophyten-Form des Hornkrauts grün, langlebig und niedrig am Boden, während die Sporophyten-Generation einen langen, dünnen Stiel bildet, aus dem Sporen freigesetzt werden, um sie in den Wind zu streuen.

Wie bei den Moosen neigen Hornkraut-Gametophyten und Sporophyten dazu, direkt übereinander zu wachsen und könnten fälschlicherweise für verschiedene Teile der gleichen Pflanze gehalten werden. Aber sie sind eigentlich unabhängige Organismen mit unterschiedlichen Chromosomenzahlen.

• Generationenwechsel – Ein Lebenszyklus, bei dem Pflanzen und einige Algen eine Generation von „Gametophyten“ haben, die sich sexuell fortpflanzen, im Wechsel mit einer Generation von „Sporophyten“, die sich asexuell fortpflanzen.
• Gamete – Eine „Geschlechtszelle“, die für die sexuelle Fortpflanzung verwendet wird. Bei Tieren und Landpflanzen werden zwei Arten von Gameten produziert – Spermien und Eizellen.
• Spore – Eine Zelle, die in der Lage ist, allein, ohne einen Fortpflanzungspartner, einen neuen Organismus hervorzubringen.

Quiz

1. Welcher der folgenden ist KEIN Gametophyt?
A. Ein Farn auf einem Waldboden.
B. Ein Teppich aus grünem Moos.
C. Eine Kiefer.
D. Keine der oben genannten.

2. Welcher der folgenden Punkte ist ein Vorteil der Art und Weise, wie sich Gametophyten vermehren?
A. Gameten können viele Jahre lang unter feindlichen Bedingungen überleben.
B. Gameten können neue Organismen ohne einen Fortpflanzungspartner hervorbringen.
C. Gameten tragen zur genetischen Vielfalt bei, indem sie genetische Merkmale mischen und anpassen.
D. Keine der oben genannten Möglichkeiten.

3. Welche der folgenden Aussagen über Gametophyten und Sporophyten trifft NICHT zu?
A. Sie sind Mitglieder der gleichen Art.
B. Sie haben eine unterschiedliche Anzahl von Chromosomen.
C. Sie sind Teile desselben Organismus.
D. Sie haben unterschiedliche Methoden der Fortpflanzung.