Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
101
Добавлен:
22.11.2019
Размер:
12.92 Mб
Скачать

V. Гаметогенез

81

дукционного тельца поляризация становится устойчивой и необратимой. Это доказывается следующим опытом, поставленным французским ученым Геррье на яйцеклетках моллюсков (виноградный слизень). Посредством центрифугирования яйцеклетки после выделения 1-го редукционного тельца веретено 2-го деления созревания смещалось со своего обычного положения и 2-го редукционное тельце выделялось не под 1-м тельцем, как обычно, а в другой точке поверхности яйцеклетки. Оказалось, что в последующем развитии таких яйцеклеток ось делений дробления, а отсюда и переднезадняя ось организма соответствовали точке выделенного не 1-го, а 2-го редукционного тельца.

Материальные носители полярности яйцеклетки до сих пор полностью не выявлены. Судя по всему, они локализованы в плазматической мембране яйцеклетки, а не в цитоплазматических включениях (эти включения и особенно желток можно сместить путем центрифугирования в различные положения, а полярная ось сохранит после этого свою исходную ориентацию). Что касается мембранных структур, ответственных за полярность яйцеклетки, интересные данные получены в последние годы с применением электрофизиологических измерений: при помощи так называемых вибрирующих электродов вокруг ооцитов и яйцеклеток ряда животных и растений обнаружены электрические поля. Известно также о наличии такого поля вокруг системы «ооцит – трофоциты». Особенно подробно были исследованы электрические поля вокруг яйцеклеток бурых водорослей – фукуса и др. (работы Л. Джаффе и других исследователей). Установлено, что через яйцеклетку фукуса протекает электрический ток плотностью порядка 5 мкА/см2, причем в один из полюсов яйцеклетки (из которого впоследствии возникнет ризоид) катионы входят, а из противоположного – выходят наружу. Разность потенциалов между полюсами составляет от 2 до 20 мВ.

Наличие стационарных электрических полей и электрических (ионных) токов объясняется, по-видимому, разной концентрацией ионных каналов и насосов на противоположных полюсах яйцеклеток. На ризоидном полюсе яйцеклетки фукуса сосредоточены преимущественно каналы для ионов Na+ и Са2+; на противоположном полюсе – насосы, активно откачивающие эти ионы с использованием энергии, аккумулированной в молекулах

82

Болотов А. В. Биология размножения и развития

АТФ. Приложением внешнего электрического поля можно сместить каналы и насосы (которые представляют собой ассоциации белковых молекул, обладающих некоторым суммарным зарядом) с их естественных положений. В результате и яйцеклетка в целом изменит свою полярность. Из этих опытов следует, что расположение ионных каналов и насосов однозначно определяет полярность яйцеклетки. Подобные же электрические поля обнаружены вокруг яйцеклетки шпорцевой лягушки: здесь концентрация ионных каналов выше в анимальном, а насосов – в вегетативном полушарии. Электрические поля в системе «ооцит – трофоциты» связаны также с тем, что каналы локализованы преимущественно в мембране трофоцитов, а насосы – в мембране ооцита.

В цитоплазме яйцеклетки содержатся специфические структуры:

1.Желточные гранулы, количество которых в разных яйцеклетках различно и зависит от экологических условий и особенностей развития организмов.

2.Слой цитоплазмы, располагающийся непосредственно под плазматической мембраной, называется кортикальным слоем или кортексом (рис. 16, 3). Кортикальная цитоплазма гораздо более вязкая, чем расположенная глубже основная масса цитоплазмы. В кортексе заключены кортикальные гранулы. Эти мембранные структуры гомологичны акросомному пузырьку спермия, поскольку они содержат протеолитические ферменты и формируются аппаратом Гольджи. Однако если каждый спермий имеет только один акросомный пузырек, то каждое яйцо содержит приблизительно 15 000 кортикальных гранул. Кроме того, в кортикальных гранулах помимо протеолитических ферментов содержатся мукополисахариды и белок гиалин. Ферменты и мукополисахариды участвуют в защите яйца от проникновения многочисленных спермиев (предотвращают полиспермию).

3.Яйцевые оболочки (рис. 16, 5, 6). Поверх плазматической мембраны яйцо может быть одето еще несколькими оболочками. Оболочек может быть одна, две или три в разных сочетаниях, в зависимости от условий развития и экологии. Функции оболочек различны и многообразны:

1) через оболочки идет процесс обмена веществ;

V. Гаметогенез

83

2)участие в оплодотворении;

3)участие или ограничение полиспермии;

4)на ранних этапах эмбриогенеза обеспечивают сохранение зародышем формы, важной для дальнейших формообразовательных процессов;

5)защитная (от температуры, влажности, химических веществ, механических воздействий, инфекции и т. д.)

Различают первичные (желточные), вторичные и третичные оболочки. Первичные оболочки представляют собой производные плазматической мембраны яйцеклетки. Они присущи яйцеклеткам почти всех животных (кроме губок и большинства стрекающих), но особенно хорошо развиты у позвоночных, где они пронизаны уже упоминавшимися выше выростами яйцеклетки и фолликулярных клеток. При малых увеличениях микроскопа такая оболочка выглядит радиально исчерченной и называется zona radiata.

Первичная оболочка яиц млекопитающих похожа на блестящий ободок и называется zona pellucida (рис. 16, 5). Возможно, что ее внешняя часть формируется выделениями фолликулярных клеток. Первичные оболочки видоизменяются и достраиваются после оплодотворения яйцеклетки.

Вторичные оболочки (хорион) образуются в яичниках и представляют собой исключительно продукт выделения фолликулярных клеток. Они есть далеко не у всех яиц и лучше выражены, например, у насекомых. В хорионе имеется одно или несколько узких отверстий (микропиле), через которые сперматозоид проникает в яйцо. У млекопитающих вторичная оболочка представлена зернистой оболочкой (рис. 16, 6).

Третичные оболочки выделяются железами яйцевода. В ряде групп позвоночных (химеровые рыбы, амфибии, рептилии, птицы) они развиты очень сильно. Поразительной сложности достигают третичные оболочки у акуловых и химеровых рыб. Часто эти оболочки имеют вытянутую форму, и яйцо в начале развития заполняет только часть пространства внутри плотной роговой третичной оболочки. Последняя представляет собой как бы «люльку», размеры которой точно подогнаны к размеру и форме зародыша перед вылуплением. У птиц третичные оболочки представлены белком, двумя слоями подскорлуповой «перга-

84

Болотов А. В. Биология размножения и развития

ментной оболочки» и скорлупой. Названные компоненты выделяются последовательно расположенными железами яйцевода, по мере движения яйца по яйцеводу вниз. Двигаясь по яйцеводу, яйцо вращается благодаря сокращениям гладкой мускулатуры стенок яйцевода, о чем можно судить по винтовой закрученных халаз – плотных тяжей белкового вещества, которые поддерживают желток в менее плотной массе белка. Интересно, что пе- редне-задняя ось зародыша расположена всегда перпендикулярно направлению движения яйца по яйцеводу, а направление от хвоста зародыша к голове совпадает с направлением вращения яйца. Эта закономерность была впервые отмечена Карлом Бэром и называется правилом Бэра. До сих пор правило Бэра не получило полного объяснения. Примеры третичной оболочки: галлерта у моллюсков; студенистая оболочка у амфибий; белковая, подскорлуповая и скорлуповая оболочки у птиц, коконы многих червей и моллюсков. К третичным оболочкам относится также и белковая жидкость внутри кокона, в которой находится не одно, а несколько яиц. Присутствие всех трех типов оболочек встречается не у всех яиц; яйцо может иметь лишь одну или две из названных оболочек (первичную и вторичную или вторичную и третичную).

Желток – это вещество, которое для развивающегося зародыша служит питательным и строительным материалом (у человека – только во время примитивных фаз развития, у птиц – в течение почти всего периода эмбриогенеза). В центральной части ооплазмы более или менее диффузно рассеяны желточные гранулы, в живой яйцеклетке они наблюдаются в виде маленьких образований, сильно отражающих свет. Их вещество состоит из липоидов, а в меньшей мере – из составных частей белков (аминокислот), жиров, углеводов и солей. Наличие красящего вещества липохрома, растворимого в липоидах, придает им желтый цвет.

Яйцеклетка различных животных содержит различное количество желтка. Это тесно связано с филогенетическим развитием вида животного. Животные, стоящие филогенетически на самых низких ступенях развития разряда позвоночных, как, например, ланцетник (Amphioxus lanceolatus) не нуждаются для своего сравнительно несложного и недлительного развития в

V. Гаметогенез

85

большом количестве питательного вещества в яйце. Однако чем сложнее филогенетическое развитие организма и чем длительнее его онтогенетическое развитие, тем больше желтка содержится в яйцах соответствующего вида животного. В яйцеклетках первого предшественника разряда позвоночных – (ланцетника) – содержится еще очень мало желточных гранул (олиголецитальные яйцеклетки). У земноводных (Amphibia), стоящих в филогенетическом отношении выше, и у некоторых низших рыб содержание желтка уже повышено, его количество можно считать средним (мезолецитальные яйцеклетки). В яйцеклетках позвоночных, стоящих на последующих ступенях филогенетического развития, желтка содержится все больше и больше, например, у высших рыб, пресмыкающихся и птиц яйцеклетки имеют сравнительно крупные размеры с большим количеством желточного вещества (полилецитальные яйцеклетки). У птиц количество желтка в яйцах филогенетически кульминирует. При последующем филогенезе процессы развития у высших животных (млекопитающих) под влиянием новых жизненных факторов становятся все более сложными, их развитие сравнительно удлиняется, а их организмы приобретают более сложное строение. Питание лишь одним желточным веществом является уже недостаточным, поэтому для эмбрионального организма этих животных возникают новые условия и новые источники питания. Самые низшие млекопитающие (яйцеродные), хотя еще и развиваются из полилецитальных яиц и вне тела матери, тем не менее, в соответствии с филогенетическим развитием млекопитающих их яйцеклетки содержат все меньше желтка. Дело в том, что развивающийся организм получает все больше питания и в более сложном виде из другого источника, а именно непосредственно из организма матери при помощи особых устройств, находящихся вне собственного тела зародыша, которые эмбрион создает для этих целей. У человека филогенетическое развитие данных устройств кульминирует; по этой причине яйцеклетка человека, как и яйца высших млекопитающих вообще, снова содержат мало желточного вещества, становясь в процессе филогенетического развития вторично олиголецитальными.

С содержанием желтка в яйцеклетке тесно связан и характер процессов развития в начальной стадии эмбриогенеза, то есть

86

Болотов А. В. Биология размножения и развития

первичное, иными словами, примитивное развитие эмбриона (бластогенез). Большие массы желтка в ооплазме яйцеклетки затрудняют деление оплодотворенного яйца в период дробления, а полилецитальные клетки даже при дроблении не могут разделиться полностью, в связи с чем новые клетки возникают только на одном полюсе яйца. Распределение желточного вещества в ооплазме и его локализация также играют большую роль в процессе дробления и бластуляции.

В зависимости от количества и распределения желтка в ооплазме различаются следующие яйцеклетки:

1.Изолецитальные яйцеклетки – желток располагается в ооплазме более или менее диффузно и равномерно. Обычно это яйца с малым содержанием желтка (олиголецитальные яйцеклетки). Такие яйца у губок, кишечнополостных, бесчерепных (ланцетник), иглокожих и большинства млекопитающих.

2.Телолецитальные яйцеклетки – желток располагается неравномерно, причем большая его часть концентрируется в области одного полюса яйцеклетки (вегетативное полушарие), в то время как на противоположном полюсе желтка гораздо меньше (анимальное полушарие). Такие яйца у кольчатых червей, головоногих моллюсков, рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц и однопроходных млекопитающих.

3.Центролецитальные яйцеклетки – желток располагается в центре и его много. Такие яйца у членистоногих и некоторых кишечнополостных.

4.Алецитальные яйцеклетки – желтка очень мало, располагается в ооплазме более или менее равномерно. Такие яйца у млекопитающих.

По количеству желтка в цитоплазме яйца различают:

1.Полилецитальные яйцеклетки – желтка много. Такие яйца у рыб, пресмыкающихся, птиц.

2.Мезолецитальные яйцеклетки – желтка среднее количество. Такие яйца у рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц.

3.Олиголецитальные яйцеклетки – желтка мало. Такие яйца

угубок, кишечнополостных, иглокожих, нематод, бесчерепных (ланцетник), оболочников, и большинства млекопитающих.

V. Гаметогенез

87

4. Развитие половых клеток

Миграция первичных гоноцитов. Прежде всего гоноциты должны добраться до места своего назначения, т. е. до закладки половой железы гонады.

Как первичные гоноциты, так и резервные клетки типа интерстициальных способны двигаться самостоятельно, иногда (шпорцевая лягушка) по ориентированным волокнам внеклеточного матрикса. Но значительную часть пути они, повидимому, проходят пассивно: интерстициальные клетки – с током воды в гастральной полости, а гоноциты куриного зародыша, как, вероятно, и других амниот, – с током крови по эмбриональным кровеносным сосудам. Но поблизости от места своего назначения они движутся, несомненно, активно. Так, гоноциты куриного зародыша активно проползают через стенку половой железы. На этом этапе своего движения они привлекаются химическими веществами типа мукополисахаридов, выделяемых зачатком гонады. Перед нами в данном случае один из немногих достоверных примеров хемотаксиса – движения клеток вверх по градиенту концентрации химических веществ. С другими примерами хемотаксиса мы познакомимся при изучении движения сперматозоидов.

Пол зародыша определяется хромосомным набором, полученным им в момент оплодотворения. Но на стадии первичных гоноцитов мужские и женские половые клетки, как правило, неотличимы. Различия проявляются лишь после их проникновения в половые железы. Надо сказать, что генетическая детерминация пола не всегда стабильна и окончательна – у некоторых животных пол может быть переопределен воздействием гормонов.

Размножение и гибель половых теток. Попав в зачатки по-

ловых желез, гоноциты обоих полов усиленно размножаются путем обычных митотических делений. В течение этого периода размножения женские половые клетки называются оогониями, а мужские – сператогониями. Однако оогонии прекращают размножаться еще в эмбриональном периоде жизни самки, задолго до наступления половой зрелости. Подсчитано, что у 4- месячного плода человека имеется приблизительно 2–3 млн женских половых клеток, потом наступает массовая дегенерация

88

Болотов А. В. Биология размножения и развития

их, так что к моменту рождения остается около 1 млн, а к 7- летнему возрасту – примерно 300 тыс. половых клеток.

Размножение сперматогониев, напротив, происходит в течение всего периода половой зрелости самца, непрерывно (теплокровные животные) или с сезонной ритмикой (холоднокровные).

5. Профаза мейоза

Перед вступлением клетки в профазу мейоза в предмейотической интерфазе происходит синтез белков, РНК и удвоение ДНК (4с).

Профаза мейоза (рис. 17) в отличие от таковой митоза сопровождается более значительными преобразованиями ядерных структур, большей длительностью во времени, достигающей иногда многих лет (например, у птиц и млекопитающих).

Рис. 17. Профаза 1-го деления мейоза

Условно профазу мейоза делят на несколько стадий (рис. 17). Лептотенная (с лат. leptos – тонкий) стадия – хромосомные нити тонкие (период роста – ооцит и сперматоцит 1-го порядка) и лишь к концу стадии по длине хромосом выявляются небольшие утолщения-хромомеры, количество и расположение кото-

рых специфичны для пары гомологичных хромосом.

V. Гаметогенез

89

Зиготенная стадия (с лат. zeugos – пара) – состоит в конъюгации гомологичных хромосом. Сближение гомологичных хромосом (за счет комплиметарных участков ДНК) и пары конъюгирующих хромосом называются бивалентами. Сдваивание подготавливает редукционное деление мейоза.

Пахитенная стадия (с лат. pachis – толстый) – завершение конъюгации гомологичных хромосом. При усилении спирализации хромосом происходит тесное взаимное закручивание хромосом в составе каждого бивалента. В конце этой стадии в составе каждой хромосомы, образующей бивалент, делается различимой ее двухроматидная структура. С этого момента бивалент может быть назван тетрадой, т. е., две гомологичные хромосомы, конъюгируя, образуют бивалент, каждая из этих хромосом расщепляется на две хроматиды. Четырехнитчатое строение пахитенных хромосом отражает подготовленность хромосомного аппарата клетки к двум последующим мейотическим делениям, в результате которых каждая из образующих клеток получит по одному элементу из каждой тетрады.

Диплотенная стадия (лат. diplos – двойной) – начинается процесс расхождения и раскручивания гомологичных хромосом в составе каждого бивалента. При этом может быть, что несестринские хроматиды в биваленте могут быть соединены между собой в одной или нескольких точках, образуя перекресты – хиазмы. Хиазмы являются следствием происходящего в предшествующий период профазы мейоза кроссинговера – обмена участками между несестринскими хроматидами, происходящего в результате разрывов и воссоединений в соответствующих локусах хроматид. Кроссинговер, приводящий к обмену генетическим материалом между хроматидами, служит одной из причин увеличения резерва наследственной изменчивости в потомстве при половом размножении.

Умлекопитающих хромосомы сильно спирализованные и образуют клубок той или иной плотности – кариосферу. Снабжение ооцита запасными веществами выполняют питающие клетки или клетки фолликулярного эпителия яичника.

Учеловека еще в эмбриогенезе хромосомы, приняв морфологическую форму «ламповых щеток», прекращают дальнейшие структурные изменения на многие годы. В женской профазе 1-го

90

Болотов А. В. Биология размножения и развития

деления мейоза имеется стадия диктотены (до диакинеза). При достижении женским организмом половой зрелости под влиянием лютеинизирующего гормона передней доли гипофиза один ооцит ежемесячно возобновляет мейоз, т. е. он проходит завершающую стадию профазы 1-го деления – диакинез.

Диакинез отличается все большей степенью спирализации хромосом, все большим смещением хиазм к концевым участкам хромосом (терминализация хиазм). Диакинез завершает профазу мейоза, и клетка вступает в первое деление мейоза. Затем после непродолжительной интерфазы, в ходе которой не происходит удвоения ДНК, наступает профаза второго мейотического деления и затем второе деление мейоза, которое по форме напоминает митоз и не сопровождается изменением числового состава хромосом, в связи с чем его называют эквационным или уравнительным делением. Но оно принципиально отличается от митоза тем, что отходящие к двум клеткам из состава каждой хромосомы хроматиды могут быть не идентичны по генетическим свойствам вследствие происшедшего кроссинговера.

Итак, в ходе делений мейоза перекомбинация генетического материала осуществляется дважды: при первом делении в связи с расхождением к каждому из полюсов веретена части материнских и части отцовских хромосом, при втором – вследствие расхождения разнокачественных по генетическому составу хроматид.

Все сложные преобразования хромосомного аппарата клетки, сопровождающие мейоз, имеют два важнейших следствия:

1.Редукцию числа хромосом и соответственно количества ДНК в ядре половых клеток.

2.Перекомбинацию генетического материала между формирующимися клетками, увеличивающую резерв наследственной изменчивости будущего потомства.

6. Оогенез

Яйцевые клетки образуются в женской половой железе – яичнике. Они проходят долгий путь развития, который начинается в эмбриональном и продолжается в репродуктивном периоде онтогенеза особей женского пола. Развитие яйцеклеток происходит в три стадии:

1) размножения; 2) роста; 3) созревания.