Gamtos mokslai suteikia galimybę atsakyti į daugelį žmoniją dominančių ir jai svarbių klausimų apie supantį pasaulį ir technologijas remiantis įrodymais, pagrįstais patirtimi, stebėjimais ir tyrimais. Ugdymas grindžiamas gamtos reiškinių bei procesų holistine interpretacija ir yra orientuotas į gamtoje vykstančių reiškinių pažinimą juos interpretuojant lokaliame ir globaliame kontekste.
Lytinis ir nelytinis dauginimasis
Daugybė skirtingų būdų, kuriais gyvūnai dauginasi, gali būti suskirstyti į lytinį ir nelytinį dauginimąsi. Dauginantis nelytiškai, yra tik vienas tėvas, o dauginantis lytiškai - du tėvai. Ilgai buvo tikima, kad tarp žinduolių nelytinis dauginimasis yra neįmanomas, tačiau tai netiesa, laboratorijoje buvo klonuotas žinduolis.
Nelytiniam dauginimuisi reikia tik vieno organizmo. Nelytiniam dauginimuisi nereikia lytinių ląstelių, pvz., spermatozoidų ir kiaušialąsčių -- palikuonis turi tuos pačius požymius kaip ir vienintelis tėvas. Taip pasidauginęs organizmas palieka tikslias savo kopijas. Tėvo prisitaikymas išgyventi yra be pakitimų perduodamas palikuoniui ir tai gali būti pranašumas, jei aplinka nekinta. Nelytiniam dauginimuisi neriekia eikvoti energijos partneriui susirasti. Įmanoma labai greitai palikti daugybę palikuonių. Tai leidžia organizmams veiksmingai išnaudoti palankias aplinkybes.
Tačiau lyčių buvimas svarbus biologine prasme. Beveik visi organizmai gali daugintis lytiškai - netgi tie, kurie dauginasi ir nelytiniu būdu. Lytinis dauginimasis priklauso nuo tam tikrų ląstelių, vadinamų gametomis. Dvi gametos, paprastai po vieną iš tėvų, jungiasi tarpusavyje ir susidaro zigota. Kai kurie gyvūnai ir daugelis augalų yra hermafroditai. Tai reiškia, jog tame pačiame individe susidaro ir vyriškų, ir moteriškų gametų. Lytiniam dauginimuisi rreikia dviejų tėvų: vieno kiaušialąstė yra apvaisinama kito spermatozoidu. Lytinio dauginimosi privalumas yra tas , kad gimę palikuonys nėra tiksli nė vieno iš jų kopija.
Bet lytinis dauginimasis labiau priklauso nuo dviejų skirtingų gametų, o ne nuo dviejų skirtingų individų. Lytinis dauginimasis paprastai yra sudėtingesnis už nelytinį. Jam reikia gametų, ir dažniausiai būna mažiau palikuonių. Taigi kai kurie iš šių palikuonių bus geriau prisitaikę prie aplinkos negu kiti palikuoniai ar tėvai. Po daugybės kartų tokie nedideli skirtumai gali susikaupti populiacijoje ir ši jau gerokai skirsis nuo kitų. Kartais, spaudžiama vienos rūšies individų gausos vienoje vietovėje, dalis populiacijos priverčiama užimti naujas vietoves.
Gyvūnai dauginasi įvairiai ir kai kurie jų derina nelytinį ir lytinį dauginimąsi. Duobagyviai, pvz., hidros, dauginasi pumpuruodami. Pumpuruojant naujas individas atsiranda kaip tėvinio organizmo išauga (pumpuras). Kiti duobagyviai turi dvi diploidines kartas. Obelia - tai į hidrą panašių polipų kolonija. Polipo stadijos duobagyviai yra sėslūs ir pumpuravimo būdu gamina diploidinius medūzoidus. gamina haploidines kiaušialąstes ir spermatozoidus. Rūšį išplatina judrūs medūzoidai. Daug plokščiųjų kirmėlių gali dalytis pusiau ir iš kiekvienos pusės regeneruoja vienas individas. Regeneracijos lydimą fragmentaciją taip pat matome pinčių ir dygiaodžių tarpe.
Keletas plokščiųjų kirmėlių, apvaliųjų kirmėlių, vėžiagyvių, žieduotojų kimėlių, vabzdžių žuvų ir driežų rūšių sugeba daugintis partenogeneziškai. Partenogenezė - lytinio dauginimosi atmaina, kai individas išsivysto iš neapvaisintos kiaušialąstės. Bičių motinėlė gali dėti apvaisintus arba neapvaisintus kiaušinius. Lytinio dauginimosi metu paprastai vieno iš tėvų kiaušialąstę apvaisina kito spermatozoidus. Netgi tarp sliekų vyksta kryžminis apvaisinimas. Todėl palikuonių genų rinkinys skiriasi nuo abiejų tėvų.
Taip pat vyksta pakaitinis hermafroditizmas ir lyties pakeitimas. Kai kurioms koralinių rifų žuvų rūšims būdingi kamerai, kuriuos sudaro vienas patinas ir kelios patelės. Dauginimosi organai yra pirminiai arba pridėtiniai. Lytiškai besidauginantys gyvūnai paprastai tturi pirminius lytinius organus, kurie gamina lytines ląsteles, ir pridėtinius organus lytinėms ląstelėms saugoti ir pernešti. Gyvūnai lytines ląsteles paprastai gamina specializuotuose organuose, vadinamuose lytiniais organais, arba gonadomis. Išimtimi iš šios taisyklės pintys.
Augalų dauginimasis
Žiediniai augalai yra labiausiai klestinti augalų grupė. Tai tie augalai, kurie turi tikrus žiedus ir subrandina sėklas su tvirta apsaugine danga. Šios prisitaikymo priemonės leidžia žiediniams augalams lytiškai daugintis nesant aplinkoje vandens.
Visų žiedų sandara iš esmės panaši. Žiede ant trumpo žiedkočio viena virš kitos prisitvirtinusios struktūros yra išsidėsčiusios spirale arba atskirais apskritimais. yra kuokeliai. Jų gali būti nuo keleto iki šimto. Žiedinių augalų žiedadulkėse yra dvi vyriškosios gametos. Žiedadulkės vystosi dulkinių dulkializdžiuose. Dulkializdžių vidinio sluoksnio ląstelės dalijasi mejozės būdu ir iš kiekvienos susidaro po keturias ląsteles. Kiekviena ši ląstelė virsta žiedadulke.
Žiedadulkei bręstant, susidaro storas išorinis apvalkalėlis, viduje saugantis vyriškas gametas. Piestelė yra moteriškoji žiedo dalis, kurioje susidaro moteriškosios gametos. Piestelė sudaryta iš mezginės, liemenėlio ir purkos. Mezginė primena tuščiavidurį maišelį, saugantį moteriškąsias gametas nuo išdžiūvimo. Mezginėje yra vienas ar daugiau sėklapradžių, o kiekviename sėklapradyje mejozės būdu susidaro po vieną gametą. Skirtingi augalai pagal pateiktą pagrindinį modelį išaugina labai įvairios išvaizdos žiedus. Jie turi prisitaikymo savybių, kurios susijusios u apdulkinimo būdu.
Apdulkinimas - tai Žiedadulkių pernešimas nuo vieno augalo kuokelio ant kito augalo purkos. Kryžminio apdulkinimo atveju vieno augalo žiedadulkės pernešamos ant kito augalo purkos. Tačiau augalai gali formuoti tiek vyriškas, tiek moteriškas gametas ir to paties augalo žiedadulkės gali apdulkinti savo purką. Tai vadinama savidulka. Apdulkinimo metu žiedadulkės pernešamos nuo dulkinės ant purkos. Kai spermis susilieja su kiaušialąste, esančia gemaliniame maišelyje, įvyksta apvaisinimas.
Zigota sparčiai vystosi, kol susidaro gemalas, kuris turi būti apsaugotas nuo išdžiūvimo. Augalo gemalas turi audinių, iš kurių susiformuos šaknys, stiebas ir lapeliai, kai tik sėkla ims dygti. Dygimo procesas paprastai nevyksta, kol ji dar būna prisitvirtinusi motininiame augale. Sakoma, jog gemalas yra ramybės būsenos. Žiediniai augalai išaugina sėklas, kurios apsaugo gemalus. Sėklos dažnai turi maisto medžiagų atsargų, kurios kaupiamos audinyje, vadinamame endospermu. Sėklos išsivysto iš sėklapradžių.
Gyvūnų dauginimasis
Gyvūnams būdingas vidinis apvaisinimas - jie yra gyvavedžiai. Jaunikliui ggimus, jo vystymuisi reikalingą maistą teikia motina. Gyvavedystė rodo didžiausią rūpinimąsi zigota ir gemalu. Lytiškai besidauginantys gyvūnai savo lytinių ląstelių susitikimą užtikrina įvairiausiais būdais. Vandens gyvūnai, kurių apvaisinimas išorinis, kiaušinius į vandenį išleidžia tik tam tikru laiku. Vienas iš aplinkos signalų turbūt yra mėnulio ciklas.
Sausumos gyvūnų dauginimosi ciklai dažnai yra susiję su dienos ilgio pokyčiais. Dienos ilgis neklystamai nurodo tinkamą laiką dauginimuisi ir migravimui į tolimas vietas. Kopuliuojantys gyvūnai turi tuoktuvinius ritualus - specifinį poravimosi elgesį, padedantį lytims suartėti. Šie ritualai vyksta tarp tos pačios rūšies individų ir mažina jų elgesio agresyvumą. Elgesys taip pat sukelia hormoninį atsaką, kuris paruošia kūną sėkmingam dauginimuisi.
Vystymosi etapai
Viename kiaušinio gale lieka mažos skylutės spermatozoidams patekti. Kai kurie vabzdžiai turi specialų vidinį organą, kurį laiką po kopuliacijos išsaugantį spermą. Vabzdžių lerva yra nepriklausoma gyvūno vystymosi stadija. Lervos stadijos metu gyvūnas gana dažnai skiriasi nuo suaugėlio savo išvaizda ir gyvenimo būdu. Kol tampa suaugėliu, lerva pati susiranda išgyvenimui reikalingo maisto. Kai kurie sausumos vabzdžiai praeina kelias lervines stadijas.
Tada lerva tampa lėliuke. Lėliukę dengia sukietėjusi kutikulė ir ji dažnai būna kokone. Čia įvyksta metamorfozė ( žymus formos pasikeitimas). Po to pasirodo suaugėlis, kuris nuskrenda ieškotis partnerio ir daugintis. Lervos stadija sutinkama ir daugelyje vandens organizmų. Dėl skirtingo gyvenimo būdo lervos stadijos gyvūnas gali naudoti kitus maisto šaltinius negu suaugėlis. Jūrų žvaigždės lerva paprasčiausiai prisitvirtina prie substrato ir po metamorfozės virsta spinduliškai simetriška jauna žvaigžde.
Roplių, ypač paukščių trynio yra labai daug, nes neturi lervos stadijos. Pilnas vystymasis vyksta lukštu padengto kiaušinio viduje.jame yra gemalo poreikiams būtini ekstraembrioniniai dangalai. Išorėje esanti membrana - chorionas - yra tuoj pat po lukšto ir dalyvauja dujų apykaitoje. Amnionas apie gemalą sudaro vandens pilną maišelį, užtikrinantį, kad gemalas neišdžius. Trynio maišelyje yra gemalą maitinantis trynys, o alantojyje kaupiasi azotinės atliekos.
Ungurių dauginimasis
Ungurių nerštas vyksta Sargaso jūroje, už kelių tūkstančių kilometrų nuo jų nuolatinių buveinių. Ikrai dedami apie 400 m gylyje. Ungurių dauginimosi procesas ištirtas gana menkai, nes natūraliomis sąlygomis neįmanoma stebėti visų jo etapų. Sunkumai yra susiję su dideliu gyliu nerštavietėse. Tik žinoma, kad nerštas praeina maždaug 15 laipsnių vandens temperatūroje. Suaugusi apie 3 kg sverianti patelė gali dėti apie pusę milijono kiaušinėlių, kurių kiekvienas yra 1-1,5 mm dydžio.
Pirmajame etape žuvis turi pailgą lapų formą kūną, apie 8 mm ilgio. Ant visiškai skaidraus, plokščio kūno mažytės akys vos matomos. Pirmosiomis gyvenimo savaitėmis lerva nė iš tolo neprimena suaugusio plėšrūno, todėl ilgą laiką buvo laikoma atskira rūšimi. Maždaug po mėnesio jis pasiekia paviršinius vandens sluoksnius ir, nešamas šiltos Golfo srovės, iškeliauja į Europos krantus. „Stiklinės” formos ilgis yra daugiau nei 9 cm. Artėjant žemynui ungurys visiškai nustoja maitintis ir sumažėja 1-2 cm. Jo kūnas vis dar neturi pigmentacijos, bet įgauna serpantino formą. Šioje būsenoje jaunikliai pasiekia į jūrą įtekančias upes.
Trečioji stadija - suaugęs ungurys, gyvenantis gėlo vandens telkinyje 10-13 metų. Sulaukęs lytinės brandos ungurys išplaukią į jūrą neršti. Kadangi ungurys plėšrūnas ir medžioja tamsoje, tai ir žvejoti reikia naktį. Tam naudojama dugninė meškerė. Masalui naudojamį naktiniai sliekai, sliekų krūva arba susmulkintos žuvies gabalėliai.