Болотов. Биология размножения и развития, 2011

2.Смешанный тип осеменения. У хвостатых амфибий на-

ружное оплодотворение более экономично, так как икринки и семенная жидкость упакованы в специальные мешочки, которые попадают в воду, а затем самки сами захватывают их клоакой, после чего сперматофоры оказываются внутри тела самки. В этих условиях половым клеткам встретиться гораздо проще, и временной фактор не играет существенной роли. У них сперматозоиды из сперматофора проникают в слизистый икряной мешочек и там оплодотворяют яйца. Так происходит осеменение у хвостатых амфибий (тритоны, амбистомы) и др.

3.Внутреннее осеменение. При внутреннем осеменении выделяемая самцом семенная жидкость, содержащая сперматозоиды, вводится в половые пути самки. Этот тип осеменения характерен для всех наземных позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих). У человека сперматозоиды достигают оплодотворяющей способности в нижних отделах половых путей мужчины. После эякуляции они быстро поднимаются по половым путям женщины за счет сокращений матки и маточных труб, а собственная их подвижность становится важной на более поздних этапах. Только небольшое число из них достигает места оплодотворения в ампуле трубы, и только один из нескольких миллионов спермиев эякулята оплодотворит яйцеклетку. У наземных животных -внутреннее осеменение, при котором самцы с помощью копулятивных органов вводят сперматозоиды в половые пути самки. У животных сперма может попадать во влагалище или в матку. Влагалищный тип осеменения имеют кролики, крупный рогатый скот, овцы, козы, обезьяны и человек. Маточный тип осеменения имеют свиньи, лошади, собаки, грызуны. Оплодотворение – слияние гамет с образованием зиготы с диплоидным набором хромосом.

Оплодотворению предшествует осеменение – излияние семенной жидкости в половые пути при внутреннем оплодотворении или в среду, где находятся яйцеклетки, при наружном оплодотворении.

В процессе оплодотворения различают три фазы: 1) дистантное взаимодействие и сближение гамет;

2) контактное взаимодействие и активизация яйцеклетки;

3) вхождение сперматозоида в яйцо и последующее слияние – сингамия.

1.Дистантное взаимодействие

исближение гамет

Обеспечивается совокупностью ряда неспецифических факторов, повышающих вероятность столкновения половых клеток.

Сближению гамет способствуют:

I. Координирование процессов оогенеза и сперматогенеза. II. Приспособления, обеспечивающие попадание созревших

гамет в места, где происходит оплодотворение.

III.Факторы, способствующие оплодотворению:

1.Концентрация спермы. Оптимальная – 40–60 млн в 1 мл.

2.Концентрация водородных ионов или рН-среды. В более щелочной среде спермии становятся более подвижными, но менее жизнеспособными.

3.Концентрация СО2. Выделяется самими спермиями.

4.Тип сперматозоида. Y-спермии более активные, но менее жизнеспособные, чем X-спермии.

5.Избыточная продукция сперматозоидов. В норме должно быть 150–240 млн спермиев.

6.Крупные размеры яйцеклеток. Диаметр яйцеклеток у человека от 100 до 200 мкм, что в среднем составляет 150 мкм.

IV. Влияние химических веществ, способствующих сближению и взаимодействию половых клеток. Важную роль в этом играют химические вещества, вырабатываемые половыми клетками, – гамоны: гиногамоны (I, II), вырабатываемые яйцеклетками и андрогамоны (I, II), продуцируемые спермиями. Гиногамоны I (низкомолекулярные вещества небелковой природы, выделяемые яйцеклетками, активизируют движение спермиев. Гиногамоны II (фертилизины) – видоспецифические белки, вызывающие склеивание спермиев при их реакции с комплементарным андрогамоном II, встроенным в цитолему спермия. Склеивание спермиев предохраняет яйцеклетку от проникновения многих спермиев.

Андрогамоны I – антагонисты гиногамонов I – вещества небелковой природы, подавляют подвижность спермиев. АндрогомоныII (белковойприроды) участвуют врастворенииоболочки яйца.

Попав в женские половые пути во время своего движения сперматозоид обычно вращается вокруг своей оси. Скорость движения сперматозоида человека может достигать 0,1 мм в 1 с или более 30 см в 1 ч. У человека приблизительно через 1–2 ч после коитуса с эякуляцией первые сперматозоиды достигают ампулярной части фаллопиевой трубы (той части, где происходит оплодотворение). Только каждый 5-й сперматозоид движется в правильном направлении, после эякуляции.

Движение сперматозоидов по половым путям женщины является самостоятельным и осуществляется против движения жидкости, т. е. имеют отрицательный реотаксис. Для осуществления оплодотворения сперматозоидам необходимо преодолеть путь длинной около 20 см (цервикальный канал – около 2 см, полость матки – около 5 см, фаллопиева труба – около 12 см). Среда влагалища является губительной для сперматозоидов, семенная жидкость нейтрализует влагалищные кислоты и частично подавляет действие иммунной системы женщины против сперматозоидов. Из влагалища сперматозоиды движутся по направлению к шейке матки. Направление движения сперматозоид определяет, воспринимая pH окружающей среды. Он движется по направлению уменьшения кислотности от влагалища около pH = 6,0 к шейке матки pH = 7,2. Для успешного оплодотворения в матку должно проникнуть не менее 10 млн сперматозоидов. Из матки сперматозоиды направляются в фаллопиевы трубы, направление к которым и внутри которых сперматозоиды определяют по току жидкости.

2.Контактное взаимодействие

иактивизация яйцеклетки

Она включает:

1)контактное взаимодействие гамет;

2)проникновение спермия в яйцеклетку, которое осуществ-

ляется с помощью акросомы и ее ферментов спермолизинов. Плазматические мембраны в месте контакта половых клеток сливаются и происходит плазмогамия – объединение цитоплазм обеих гамет.

Сближение половых клеток происходит за счет пассивного движения яйцеклетки (ооцита с оболочками) вместе с током жидкости по яйцеводу к матке и вначале (во влагалище и матке) тоже пассивного, а затем (в яйцеводе) активного движения сперматозоидов.

а) В яйцеводе на относительно больших расстояниях от яйцеклетки направление активного движения сперматозоидов обеспечивается отрицательным реотаксисом – способностью регистрировать направление тока жидкости и двигаться противоположно ему.

б) На малых расстояниях могут иметь значение два других вида таксиса:

1) хемотаксис – движение сперматозоидов по градиенту концентрации гиногамонов – специальных химических веществ, выделяемых яйцеклеткой; 2) электротаксис – электрическое взаимодействие между разноименно заряженными белками сперматозоидов и яйцеклетки.

Капацитация

Во время перемещения по женским половым путям в сперматозоидах происходит капацитация – процесс активизации. В это время:

а) метаболизм и подвижность сперматозоидов усиливаются; б) плазмолемма головки теряет некоторые поверхностные гликопротеины, что придает ей способность связываться с внешней оболочкой яйцеклетки, а также лабильность, необходимую для последующего разрыва в ходе высвобождения фер-

ментов акросомы.

Возможно, что капацитацию инициируют гиногамоны II, выделяемые ооцитом, и, вероятно, адреналин (содержащийся в семенной жидкости).

Достигая яйцеклетки (ооцита II), многочисленные сперматозоиды (у млекопитающих) проникают между достаточно рыхло расположенными фолликулярными клетками зернистой оболочки и связываются с блестящей оболочкой. В связывании участвуют специфические рецепторы – как со стороны плазмолеммы головки сперматозоида, так и со стороны блестящей оболочки ооцита. Именно эта специфичность во многом обусловливает

трудность или полную невозможность скрещивания разных животных.

Благодаря биениям жгутиков сперматозоидов образовавшийся комплекс обычно начинает вращаться с частотой четыре оборота в минуту. Одновременно продолжается пассивное поступательное движение в яйцеводе по направлению к матке.

Рис. 24. Акросомная реакция у млекопитающих

После капацитации следует акросомальная реакция, которая индуцируется только при контакте сперматозоида с клетками яйценосного бугорка.

Чтобы оплодотворение произошло необходимы, помимо прочего, прогестерон, кальций и, как выяснилось, их белковый посредник. Прогестерон воздействует на порообразующий белок (кальциевый ионный канал CatSper), расположенный на хвостике сперматозоида; это приводит к резкому увеличению его пропускной способности и, соответственно, к быстрому увеличению концентрации Са2+ в хвостике сперматозоида. После этого запускается кальций-зависимый ответ сперматозоида, приводящий к созреванию и внедрению сперматозоида в яйцеклетку. Прокачивая ионы через мембрану жгутика, CatSper провоцирует и увеличение концентрации кальция в головной части сперматозоида. Дополнительные ионы кальция «заставляют» сперматозоид высвободить содержимое пузырька передней части – акросо-

мы. Содержимое акросомы и «переваривает» защитную оболочку (zona pellucida) – мужская гамета проникает в яйцеклетку.

У всех животных кальций – ключевой элемент во многих процессах, связанных с созреванием половых клеток и оплодотворением. Обнаружение особого мембранного рецептора, напрямую связанного с регуляцией кальция, – важная веха в понимании динамики этих биологических процессов. За счет изменения содержания кальция мужские и женские клетки передают сигналы друг другу. У растений процесс роста пыльцевых трубок к яйцеклетке (по аналогии с движением сперматозоида к яйцу) и последующее оплодотворение также опосредованы изменениями концентрации кальция.

Сперматозоиды млекопитающих просто напичканы белками CRISP (всего четыре разновидности). CRISP всех форм и размеров – это белки, управляющие ионными каналами сперматозоидов и клеток, входящих в структуру мужского полового тракта. Примечательно то, что эти же белки входят в состав яда рептилий.

Ферменты, выделяемые из акросом, – пенетраза и коллагеназа осуществляют диссоциацию и удаление оставшихся фолликулярных клеток, спермолизины (акрозин, трипсин, гиалуронидаза), разрушают лучистый венец, расщепляют гликозаминогликаны блестящей оболочки яйцеклетки. Отделяющиеся фолликулярные клетки склеиваются в конгломерат, который вслед за яйцеклеткой перемещается по трубе благодаря мерцанию ресничек эпителиальных клеток слизистой оболочки. И сперматозоид как бы «пробуравливает» для себя собственный узкий канал (рис. 24).

Один из сперматозоидов, а именно тот, который первый преодолел эти оболочки, прикрепляется к плазмолемме яйцеклетки (ооцита II).

Вданном месте образуется выпячивание цитоплазмы яйцеклетки – воспринимающий бугорок (рис. 25, 8).

Вооплазму проникает головка и промежуточная часть хвостового отдела (рис. 24, 4; 25, 9).

После вхождения сперматозоида на периферии ооплазмы происходит уплотнение ее (кортикальная реакция) и образуется оболочка оплодотворения (рис. 25, 10).

Рис. 25. Стадии оплодотворения и начала дробления (схема).

1 – ооплазма; 1а – кортикальные гранулы; 2 – ядро; 3 – блестящая оболочка; 4 – фолликулярный эпителий; 5 – спермий; 6 – направительные тельца; 7 – деление созревания ооцита; 8 – бугорок оплодотворения; 9 – головка спермия с ядром; 10 – оболочка оплодотворения; 11 – мужской пронуклеус; 12 – женский пронуклеус; 13 – синкарион; 14 – первое митотическое деление зиготы; 15 – бластомеры

Как показано на беспозвоночных, механизм кортикальной реакции включает: приток ионов натрия через участок мембраны сперматозоида, встроенный в поверхность яйцеклетки после завершения акросомальной реакции. В результате отрицательный мембранный потенциал клетки становится слабоположительным. Приток ионов натрия обусловливает высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо и увеличение его содержания в цитоплазме яйцеклетки. Вслед за этим начинается экзоцитоз кортикальных гранул. Освобождающиеся из них протеолитические ферменты разрывают связи между блестящей оболочкой (или желточной оболочки у амфибий и птиц) и плазмолеммой яйцеклетки, а также между спермиями и прозрачной оболочкой. Кроме того, выделяется гликопротеид, связывающий воду и привлекающий ее в пространство между плазмолеммой и блестящей оболочкой. Вследствие этого формируется перивителлиновое пространство. Наконец, выделяется фактор, способствующий затвердению прозрачной оболочки и образованию из нее оболочки оплодотворения (fmembrana fertilisationis).

Кортикальная реакция – один из механизмов, препятствующий проникновению в яйцеклетку других сперматозоидов.

Проникновение сперматозоида через несколько минут значительно усиливает процессы внутриклеточного обмена, что связано с активизацией ферментативных систем яйцеклетки, в частности окислительно-восстановительных, а позднее – белковых синтезов. Активация яйцеклетки происходит в результате контакта сперматозоида с яйцеклеткой и заключается в сложных структурных и физико-химических изменениях. Благодаря тому что участок мембраны сперматозоида проницаем для ионов натрия, последние начинают поступать внутрь яйца, изменяя мембранный потенциал клетки. Затем в виде волны, распространяющейся из точки соприкосновения гамет, происходит увеличение содержания ионов кальция, вслед за чем также волной растворяются кортикальные гранулы. Выделяемые при этом специфические ферменты способствуют отслойке желточной оболочки. У таких животных, как морской еж, костистые рыбы и земноводные, все изменения цитоплазмы сопровождаются морфологическими перестройками. Эти явления получили название расслоения или сегрегации плазмы. Активация яйцеклетки завершается началом синтеза белка на трансляционном уровне, поскольку мРНК, тРНК, рибосомы и энергия были запасены еще в овогенезе. Активация яйцеклетки может начаться и протекать до конца без ядра сперматозоида и без ядра яйцеклетки, что доказано опытами по энуклеации зиготы. Яйцеклетка в момент встречи со сперматозоидом обычно находится на одной из стадий мейоза с помощью специфического фактора. У большинства позвоночных этот блок осуществляется на стадии метафазы 2-го деления; у многих беспозвоночных, а также у трех видов млекопитающих (лошади, собаки и лисицы) блок происходит на стадии диакинеза. В большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйцеклетки вследствие оплодотворения.

Вслед за проникновением спермия в яйцеклетку и усилением окислительно-восстановительных реакций начинается интенсивное перемещение составных частей цитоплазмы (ооплазмы) с образованием зон повышенной концентрации желточных и пигментных гранул, органелл, что носит название ооплазматической сегрегации. Методом маркировки установлено, что в ходе

дальнейшего развития каждый участок оплодотворенной яйцеклетки даст начало определенной структуре зародыша.

Такие участки называются презумптивными (от лат. praesumptio – предположение, основанное на вероятности).

3. Сингамия

Попавшая в яйцеклетку головка спермия поворачивается на 180°, ядро постепенно набухает, округляется, хроматин разрыхляется, и оно превращается в мужской пронуклеус (рис. 25, 11). Центриоли, внесенные мужской половой клеткой, становятся при этом центром движения внутри оплодотворенной яйцеклетки (зиготы).

В то время как в яйцеклетке завершается мейоз, ядро сперматозоида, проникшее в нее, видоизменяется. Оно принимает вид интерфазного, а затем профазного ядра. В это время удваивается ДНК и мужской пронуклеус получает количество наследственного материала, соответствующего 2с, т. е. содержит гаплоидный набор редуплицированных хромосом. Ядро яйцеклетки, закончившее мейоз, превращается в женский пронуклеус (рис. 25, 12), также приобретая наследственноый материал 2с.

Оба пронуклеуса проделывают сложные перемещения, которые получили название «танца ядер», затем сближаются и сливаются (синкарион), образуя общую метафазную пластинку. Это, собственно, и есть момент окончательного слияния гамет – сингамии. В результате из двух гаплоидных гамет образуется одна диплоидная клетка, называемая зиготой.

Объединение двух пронуклеусов – синкарион (рис. 25, 13) (от греч. sin – связь, karyon – ядро) – приводит к восстановлению характерного для данной особи животного или человека диплоидного набора хромосом. Таким образом, зигота приобретает гены, унаследованные от обоих родителей. В реализации наследственной информации, кроме ядер, половых клеток, важная роль принадлежит цитоплазме клетки. Об этом свидетельствуют эксперименты с пересадкой ядер соматических клеток в яйцеклетку. При этом пол развивающегося организма зависит от половых хромосом. При слиянии яйцеклетки со сперматозоидом, несущим хромосому X, образуется женская особь, а при слиянии со сперматозоидом, имеющим хромосому Y, – мужская особь.

В оплодотворении выделяют две фазы:

–внешняя фаза начинается с дистантного взаимодействия гамет и заканчивается образованием оболочки оплодотворения

(рис. 25, 9);

–во внутренней фазе выделяют стадии женского и мужского пронуклеусов, синкариона и сингамии.

4.Особенности репродукции человека

1.Человек – биосоциальное существо, может сознательно регулировать свою сексуальную жизнь.

2.Способность к репродукции у женщин возможна с 14–16 лет и до 45–50 лет; у мужчин с 16–18 лет и до старости.

3.Образование гамет не имеет сезонного характера.

4.Особенности оплодотворения у человека:

•эякулят спермы должен содержать не менее 150 млн. сперматозоидов,

•яйцеклетка жизнеспособна 24 часа, сперматозоид способен

коплодотворению в течение 24–48 часов,

•сперматозоид проникает в ооцит 2-го порядка,

•через 24 часа после оплодотворения происходит 2-е деление мейоза с образованием яйцеклетки и 2-го редукционного тельца, а спустя 10 часов наступает сингамия.

5. Чем старше женщина, тем большая вероятность рождения ребенка с генетическими дефектами. Возраст отцов способствует увеличению у потомства патологии, обусловленной генными мутациями.

5. Детерминация пола. Влияние факторов среды на развитие признаков пола

У высших организмов значение среды в определении пола, как правило, невелико. Вместе с тем известны случаи, когда при определенных условиях происходит переопределение пола, так как эмбрионы всех животных изначально бисексуальны. Известно, что у млекопитающих дифференцировка пола происходит рано, поэтому полное переопределение пола невозможно. Известны случаи у крупнорогатого скота, когда в разнополых двойнях рождались бесплодная телочка – интерсекс (фри-