кариокинез. Цитокинез у многих организмов происходит не сразу после деления ядер, так что в одной клетке лежат два ядра, более мелких, чем исходное.
Затем наступает стадия интеркинеза, которая отличается от интерфазы I тем, что в ней не происходит синтеза ДНК и удвоения хромосом. Поэтому, вступая во второе мейотическое деление, клетка содержит гаплоидный набор удвоенных хромосом. Формула хромосом - n2c в каждом ядре. Интеркинез – это промежуточная стадия между редукционным и эквационным делениями мейоза.
Вслед за интеркинезом наступает второе деление мейоза— эквационное. Оно проходит по типу митоза, только в него вступает клетка не диплоидным (2n4с), а с гаплоидным (n2с) числом хромосом, состоящих из двух хроматид (их удвоение произошло еще в интерфазу перед мейозом 1). Эквационное деление состоит из тех же фаз, что и митоз: профаза II, метафаза II , анафаза II (хроматиды расходятся к полюсам), телофаза II (в каждом ядре - гаплоидное число однонитевых хромосом). После окончания мейоза происходит цитокинез, в результате которого образуются четыре гаплоидные клетки с набором хромосом nc в каждой.
Основные отличия мейоза от митоза представлены на рис. 3.14.
Биологическое значение мейоза
1.Благодаря мейозу во всех живых организмах при половом размножении поддерживается постоянство числа хромосом (кариотипа) в поколениях организмов.
2.Мейоз - мощный фактор комбинативной изменчивости. Механизмы комбинативной изменчивости:
1.Благодаря кроссинговеру происходит рекомбинация генов гомологичных хромосом (отцовской и материнской). В результате образуются качественно новые, рекомбинантные хромосомы.
2.В связи с независимым расхождением отцовских и материнских хромосом в анафазе 1 деления происходит рекомбинация на уровне целых хромосом - рекомбинация отцовских и материнских хромосом в гаметах.
Благодаря такому механизму достигается большое число новых сочетаний
51
наследственной информации. Оно может быть выражено формулой 2n, где n – число хромосом в гаплоидном наборе. Например, у дрозофилы n = 4 и количество типов гамет, обеспечиваемое комбинацией родительских хромосом в них, равно 24 = 16. У человека n = 23, и разнообразие гамет, обусловленное этим механизмом, соответствует 223, или 8 388 608.
3. Независимое сочетание хромосом в зиготе при оплодотворении.
ГАМЕТОГЕНЕЗ
Гаметогенез – процесс формирования половых клеток: мужских – сперматогенез, женских - овогенез.
Сперматогенез
Сперматогенез происходит в мужских половых железах – семенниках (рис. 3.15-А). Семенник состоит из многочисленных канальцев. На поперечном разрезе через каналец видно, что его стенка состоит из нескольких слоев клеток, которые представляют собой последовательные стадии развития сперматозоида. Наружный слой – сперматогонии. Сперматогонии развиваются из первичных половых клеток, образующих семенники на ранних стадиях эмбрионального развития.
Когда организм достигает периода половой зрелости (у мальчиков – в возрасте 13-16 лет) сперматогонии начинают быстро делиться путем митоза. Это период размножения (I) сперматогониев, который продолжается на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи. Часть сперматогониев перемещается в следующую зону – зону роста, расположенную ближе к просвету семенного канальца.
В период роста (II) происходит увеличение объема цитоплазмы и клеточных размеров. Важным событием этого периода является репликация ДНК и удвоение хромосом (набор хромосом 2n4c) – сперматоциты I порядка.
Следующий период – период созревания (III). Основным событием этого периода является мейоз, включающих два последовательных деления (редукционное и эквационное). В результате редукционного деления образуются сперматоциты II порядка (набор n2c), затем – сперматиды (хромо-
52
сомный набор nc). Сперматиды – клетки с гаплоидным набором хромосом. Процесс сперматогенеза завершается периодом формирования (IV).
Сперматиды перемещаются ближе к просвету семенного канальца, меняется их форма, формируются зрелые сперматозоиды – клетки, способные к передвижению, которые выходят в просвет канальца.
Таким образом, сперматогенез включает 4 периода: размножение, рост, созревание и формирование. Из одного сперматогония образуется 4 зрелых сперматозоида.
Морфология сперматозоидов
Сперматозоиды – очень маленькие клетки, обладающие способностью к передвижению. Сперматозоид имеет головку, шейку и хвост (см. рис. 3.15-Б). На переднем конце головки расположена акросома, состоящего из видоизмененного комплекса Гольджи. В ней содержится фермент для растворения оболочки яйца. Основную массу головки занимает ядро. В шейке находятся центриоль и много митохондрий. От шейки отрастает хвост, представляющий собой жгутик – специализированный органоид для передвижения.
Овогенез
Процесс развития женских половых клеток (яйцеклеток) называется овогенезом. Овогенез происходит в женских половых органах – яичниках (рис. 3.15). Периоды развития яйцеклеток сопоставимы с периодами сперматогенеза.
Овогонии развиваются из первичных половых клеток, мигрирующих в яичник на ранней стадии эмбриогенеза. Период размножения (I) овогоний у млекопитающих и человека заканчивается еще до рождения. Сформировавшиеся к этому времени овоциты I порядка (2n4c) находятся в специальных пузырьках – фолликулах и сохраняются в яичнике без изменения многие годы. С наступлением половой зрелости (12-15 лет для девочек) один раз в 28-32 дня один из фолликулов начинает расти, овоцит увеличивается в размерах – это период роста (II), окружается фолликулярными клетками, обеспечивающими его питание.
Наступает период созревания (III). Под влиянием женских половых
53
гормонов овоцит I порядка проходит редукционное деление мейоза. Образуется один овоцит II порядка и одно полярное тельце. Второе мейотическое деление в яичнике проходит только до стадии метафазы II. На этой стадии фолликул находится на поверхности яичника, происходит овуляция
– выход овоцита II порядка из фолликула в брюшную полость и затем в маточные трубы. Дальнейшее созревание овоцита не произойдет до тех пор, пока не наступит оплодотворение – слияние со сперматозоидом, который стимулирует завершение мейоза в овоците.
Т.о., овогенез включает 3 периода: размножение, рост и созревание. Из одного овоцита I порядка образуется только 1 зрелая яйцеклетка и 3 полярных тельца.
Морфология яйцеклеток
Зрелая яйцеклетка имеет шарообразную форму или слегка вытянутую форму. Она содержит все основные компоненты, т.е. плазмолемму, ядро, цитоплазму. Цитоплазма заполнена свободнолежащими рибосомами. Хорошо развита ЭПС, митохондрии развиты умеренно. Комплекс Гольджи на ранних стадиях развития яйцеклетки располагается около ядра, окружая центросому. В ходе созревания яйцеклетки центросома исчезает, а комплекс Гольджи смещается на периферию цитоплазмы. Из включений особое внимание заслуживает желток – питательный материал. Ядро имеет сферическую форму, содержит одно или несколько ядрышек.
Размеры яйцеклеток значительно крупнее соматических и зависят от количества накапливаемого желтка. Размер яйцеклетки человека в поперечнике достигает 130–200 мкм. У некоторых видов животных накапливается столько питательного желтка, что они могут быть видны невооруженным глазом (икринки рыб, земноводных). У сельдевой акулы – 29 см в диаметре. У птиц считается яйцом то, что в повседневной жизни называется «желтком». Диаметр яйца страуса – 10,5, курицы – 3,6 см.
Яйцеклетки покрыты оболочками, которые по происхождению бывают первичными, вторичными и третичными. Первичная оболочка образуется из поверхностного слоя, т.е. цитолеммы, еще незрелой половой
клетки (овоцита) она пронизана микроворсинками и отростками фоллику-
54
лярных клеток. По этим структурам в овоцит поступают питательные вещества. Вторичная оболочка образована фолликулярными клетками. Третичные оболочки формируются во время прохождения яйцеклеток по яйцеводам из веществ, секретируемых железами стенок яйцеводов. Третичными оболочками являются белковая, подскорлуповая и скорлуповая оболочки яиц птиц. Яйцеклетки плацентарных млекопитающих и человека третичной оболочки не имеют.
Яйцеклетка человека также имеет первичную оболочку (вителлиновая). Снаружи от первичной оболочки располагаются фолликулярные клетки, образующие вторичную оболочку. Часть вторичной оболочки, которая представлена тонкими и прозрачными отростками, контактирующими с плазмолеммой, называется светлой или блестящей зоной (Zonapellucida). Каждое яйцо окружено лучистым венцом (Сoronaradiatа). Это та часть вторичной оболочки, где сконцентрированы ядра фолликулярных клеток. Фолликулярный эпителий принимает участие в питании яйцеклетки, а также выполняет защитную, барьерную и гормональную функции.
По количеству желтка различают 3 типа яйцеклеток: алецитальные (характерны для человека) и олиголецитальные (маложелтковые), мезолецитальные (среднежелтковые), полилецитальные (многожелтковые). По расположению желтка яйцеклетки бывают изолецитальными (желтка немного, он распределен равномерно, такой тип характерен для низших хордовых, иглокожих, млекопитающих), телолецитальными (желтка много, он сосредоточен на одном из полюсов, характерен для птиц, земноводных, рептилий) и центролецитальными (желток находится в центре клетки вокруг ядра, встречается у насекомых).
В овогенезе яйцеклетки приобретают полярность: формируются вегетативный и анимальный полюса, возникает различие состава участков цитоплазмы. Это явление называется овоплазматической сегрегацией.
Основные формы полового размножения
Хотя в процессе развития жизни бесполое размножение возникло первым, половое размножение существует на Земле более 3 млрд. лет. Половое размножение характеризуется наличием полового процесса, при ко-
55
тором происходит слияние гаплоидных (т.е. с одинарным набором хромосом) половых клеток (гамет). Гаметы образуются в результате особого вида деления клеток – мейоза.
Половой процесс у одноклеточных происходит по типу конъюга-
ции и копуляции.
Конъюгация – это половой процесс, заключающийся во временном объединении двух особей и обмене частями их ядерного аппарата, а также небольшим количеством цитоплазмы. Конъюгация происходит у инфузорий при неблагоприятных условиях (рис. 3.1). В ходе конъюгации макронуклеус каждой инфузории разрушается, а микронуклеус делится мейозом, после чего три ядра разрушаются, а четвертое делится митозом, в результате чего образуются два гаплоидных ядра. Одно из них (стационарное) остается в теле материнской клетки, второе (миграционное) по цитоплазматическому мостику переходит в тело партнера, после чего происходит слияние обменявшихся ядер с оставшимися и образуется синкарион с диплоидным набором хромосом. Затем инфузории расходятся, синкарион каждой особи делится, и образуются макро- и микронуклеусы. Конъюгация инфузорий – половой процесс без размножения, приводящий к комбинативной изменчивости.
Копуляция – это половой процесс у одноклеточных организмов, при котором две особи приобретают половые различия, т.е. превращаются в гаплоидные гаметы в результате размножения мейозом. Далее происходит попарное слияние гамет разных особей с образованием диплоидной зиготы.
В процессе эволюции степень различия гамет нарастает. В зависимости от размеров и подвижности сливающихся гамет различают виды копуляции:
a)изогамия – различия между гаметами отсутствуют: копулирующие гаметы подвижные и имеют одинаковые размеры (раковинная корненожка полистомелла);
b)анизогамия – сливаются гаметы разного размера (макрогамета и микрогамета, но подвижные (колониальные жгутиконосцы);
c)овогамия – сливаются неподвижная макрогамета и подвижная микрогамета (вольвокс).
56
Половое размножение многоклеточных организмов может быть с оплодотворением и без оплодотворения (партеногенез).
Оплодотворению предшествует осеменение, обеспечивающее встречу мужских и женских гамет. Осеменение может быть наружным (характерно для животных, обитающих в воде) и внутренним (у животных, обитающих на суше).
Процесс оплодотворения складывается из трех последовательных фаз: сближения гамет, активация яйцеклетки, слияние гамет (сингамия).
I фаза сближения гамет. Сближению сперматозоида с яйцеклеткой способствуют и повышают вероятность их встречи следующие факторы:
-скоординированность наступления готовности к оплодотворению
усамца с самкой;
-поведение самцов и самок, обеспечивающие совокупление и осеменение;
-избыточная продукция сперматозоидов;
-крупные размеры яйцеклетки;
-вырабатываемые яйцеклеткой и сперматозоидами химические вещества, способствующие сближению и взаимодействию половых клеток. Эти вещества называется гамонами (гормоны). Гамоны активируют движение сперматозоида и их склеивание.
Перемещение сперматозоидов по половым путям самки (влагалище – матка – маточные трубы), во время которого происходит его активация – это дистантное взаимодействие сперматозоида и яйцеклетки. Движение сперматозоидов осуществляется за счет собственной двигательной активности (10 см. мин), сокращения половых органов (по типу «гармошки»), движения ресничек в женских половых путях, направленного тока жидкости от маточной трубы к влагалищу. Сперматозоиды двигаются в противоположном направлении, против тока и этим определяют направление своего движения. Встреча гамет происходит в верхних отделах маточных труб. Яйцеклетка сохраняет способность к оплодотворению не более суток (24 часа), сперматозоиды – до 5 дней, если находятся в половых путях самки.
Оплодотворение происходит при определенной концентрации сперматозо-
57
идов (около 350 млн.) и их подвижности (10 см/мин).
У млекопитающих большое значение имеет пребывание сперматозоида в половых путях самки, в результате чего сперматозоиды приобретают оплодотворяющую способность (капацитация), т.е. способность к акросомной реакции.
II фаза активации яйцеклетки. Проникновение сперматозоида в яйцеклетку (рис. 3.18). К яйцеклетке подходит одновременно множество сперматозоидов, но проникает только один.
В акросоме сперматозоида локализуются протеолитические ферменты. В момент контакта сперматозоида с оболочкой яйцеклетки происходит
акросомная реакция:
1)под действием протеолитических ферментов яйцевые оболочки растворяются;
2)плазматические мембраны яйцеклетки и сперматозоида сливаются
ичерез образующийся вследствие этого цитоплазматический мостик цитоплазмы обеих гамет объединяются;
3)в цитоплазму яйца переходит ядро и центриоль сперматозоида, мембрана сперматозоида встраивается в мембрану яйцеклетки, хвостовая часть сперматозоида у большинства животных тоже входит в яйцеклетку, но потом отделяется и рассасывается, не играя какой-либо роли в дальнейшем развитии.
Таким образом, в результате контакта сперматозоида с яйцеклеткой происходит ее активация – это сложные структурные и физикохимические изменения. Благодаря тому, что участок мембраны сперматозоида проницаем для ионов натрия, ионы натрия начинают проникать 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; она затвердевает и называет-
ся оболочкой оплодотворения. Эти процессы называются кортикальной
реакцией.
58
У таких животных, как морской еж, костистые рыбы и земноводные, все изменения цитоплазмы сопровождаются видимыми морфологическими перестройками. Эти явления называются расслоением или сегрегацией.
Активация яйцеклетки завершается началом синтеза белка на трансляционном уровне, так как мРНК, тРНК, рибосомы и энергия были запасены еще в овогенезе.
Яйцеклетка в момент встречи со сперматозоидом обычно находится на одной из стадий мейоза, заблокированной с помощью специфического фактора. У большинства позвоночных этот блок осуществляется на стадии метафазы II; у многих беспозвоночных, а также у трех видов позвоночных (лошади, собаки и лисицы) блок происходит на стадии диакинеза. В большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйцеклетки вследствие оплодотворения. В то время как в яйцеклетке завершается мейоз, ядро сперматозоида, проникшее в нее, видоизменяется. Оно принимает вид интерфазного, а затем профазного ядра. За это время удваивается ДНК и мужской пронуклеус получает количество наследственного материала – 2с, т.е. содержит гаплоидный набор редуплицированных хромосом.
III фаза сингамии. Ядро яйцеклетки, закончившее мейоз, превращается вженский пронуклеус, также приобретая 2с. Оба пронуклеуса сближаются, затем сливаются (синкарион), образуя общую метафазную пластинку. Это и есть момент окончательного слияния гамет – сингамия. Формируется диплоиднай клетка - зигота (формула хромосом – nc+nc=2n2c). Зигота – это начальный этап развития нового организма. Первое митотическое деление зиготы приводит к образованию двух клеток зародыша (бластомеров) с набором хромосом 2n2c. Последующие деления зародыша путем дробления продолжаются в течение 7 дней. В этот период зародыш перемещается по маточным трубам и попадает в полость матки, где происходит имплантация: 7-дневный зародыш (бластоцист) внедряется в слизистую матки, где происходит его дальнейшее развитие.
Партеногенез (от греч. parthenos – девстенница, genos – рождение) – развитие из неоплодотворенных яиц, позволяющее особи производить потомком без оплодотворения. Различают естественный и искусственный
партеногенез.
59
Вслучае естественного партеногенеза развитие идет на основе цитоплазмы и пронуклеуса яйцеклетки (растения, черви, насекомые, ракообразные). Особи, формирующиеся из яйцеклетки, имеют либо гаплоидный, либо диплоидный набор хромосом, так как чаще всего в начале дробления срабатывает один их механизмов удвоения числа хромосом. В одних случаях в ходе мейоза выпадает стадия редукции числа хромосом и яйцеклетка получается с диплоидным пронуклеусом. В других случаях диплоидизация происходит во время первого деления дробления, при котором не происходит цитотомии.
У пчел, муравьев встречается факультативный партеногенез. У пчел он используется как механизм генотипического определения пола: женские особи (рабочие пчелы и царицы) развиваются из оплодотворенных яйцеклеток, а мужские (трутни) – партеногенетически. Таким образом регулируется численное соотношение полов.
Облигатный (лат. obligato – обязательство) партеногенез, например, наблюдается у кавказской скальной ящерицы. Он обеспечивает рост численности особей в условиях, затрудняющих встречу партнеров противоположного пола.
Партеногенез может быть у птиц. У одной из пород индеек некоторые яйца развиваются партеногенетически, из них появляются только самцы.
У многих видов партеногенез происходит циклически. У тлей, дафний в летнее время существуют только самки, размножающиеся партеногенетически, а осенью имеет место размножение с оплодотворением. Такое чередование форм размножения связано с большой гибелью особей.
Искусственный партеногенез обнаружен в 1886 году А.А. Тихомировым. Большой вклад внесли Б.Л. Астауров, В.А. Струнников.
Вестественных условиях функцию активации яйцеклетки выполняет сперматозоид после проникновения в яйцеклетку. В эксперименте активация может быть вызвана различными воздействиями: химическим, механическим, электрическим, термическим и т.д. Эти факторы изменяют метаболизм яйцеклетки и активируют ее. На тутовом шелкопряде было пока-
зано, что с помощью искусственного партеногенеза можно регулировать
60