Оплодотворение. Онтогенез

В процессе гаметогенеза гаметы созревают, образуются сперматозоиды и яйцеклетки.

При половом размножении потомство возникает в результате слияния двух гамет.

Оплодотворение — это процесс слияния женской и мужской гамет.

Оплодотворение может быть наружным и внутренним.

Наружное оплодотворение происходит в воде, и развитие зародыша также происходит в водной среде.

Например, у рыб и земноводных оплодотворение обычно осуществляется вне организма. Поведение животных во время откладки икры отличается большим разнообразием.

Самки рыб вымётывают большое количество икринок, чтобы увеличить шанс оплодотворения. После подплывает самец. Он оплодотворяет икринки семенной жидкостью. Но далеко не все из них оплодотворяются. Большая часть, как правило, гибнет.

Наружное оплодотворение зелёной жабы происходит также в воде. При этом самец обхватывает самку передними лапами. Самка тем самым вымётывает икринки, которые в виде шнура наматывается на растительность.

Рефлекс обхватывания в период размножения у самцов весной выражен очень ярко. На любое прикосновение к телу они реагируют обхватыванием.

Когда самка отложит икру, самец выделяет семенную жидкость, содержащую сперматозоиды и оплодотворяет её. Так в воде и происходит оплодотворение — сперматозоид сливается с яйцеклеткой, образуя зиготу.

Внутренний тип оплодотворения происходит в половых путях самки, а развитие зародыша может происходить или во внешней среде (например, как у рептилий и птицы), или внутри организма матери в особом органе – матке (например, как у плацентарных млекопитающих и человека).

Для покрытосеменных растений характерно двойное оплодотворение.

Пыльцевой зерно попадает на рыльце пестика, пыльцевая трубка начинает прорастать внутрь столбика, стремясь к завязи. Когда пыльцевая трубка достигает зародышевого мешка, один из спермиев оплодотворяет яйцеклетку, из которой будет формироваться зародыш.

Второй спермий сливается с двумя ядрами в середине, образуя триплоидную клетку. Из которой будет формироваться эндосперм.  Это и есть двойное оплодотворение.

Онтогенез — это развитие организмов от зарождения до смерти, включающая в себя фазы: быстрого роста, полового созревания, взрослой жизни и старости.   

Онтогенез делят на два периода: эмбриональный и постэмбриональный.

Эмбриональный период начинается с момента образования зиготы и длится до рождения или выхода из яйца.

Постэмбриональный период начинается с момента рождения и длиться до конца жизни особи.

Рассмотрим эмбриональный период.

У всех млекопитающих организмов стадии эмбрионального развития зародыша одни и те же, однако они могут протекать по-разному.  

В результате оплодотворения гаплоидные ядра половых клеток сперматозоиды и яйцеклетки сливаются и возникает одноклеточная стадия развития организма – зигота.

Зигота будет иметь уже диплоидный набор хромосом. Обычно в яйцеклетку проникает только один сперматозоид. Сам процесс оплодотворения занимает несколько минут и у большинства организмов протекает сходным образом.

Когда один из сперматозоидов проникает в яйцеклетку ее оболочка утолщается это препятствует проникновению других сперматозоидов.

В яйцеклетке ядро спермия набухает. Ядерные оболочки растворяются и ядерный материал яйцеклетки и сперматозоида объединяется. Зародыш на этой стадии называется зиготой и представляет собой диплоидную клетку.

Разберём эмбриональное развитие зародыша у ланцетника.

Сначала зигота делиться митозом. Митотические деления называются делениями дробления. Первое деление происходит в вертикальной плоскости, и клетка длиться на две одинаковые с диплоидным набором хромосом. Эти клетки называют бластомерами. Бластомеры не расходятся, а делятся ещё раз и образуется уже 4 клетки.

Третье деление происходит в горизонтальной плоскости и из четырёх образуется 8 бластомеров. Далее продольные и поперечные деления сменяют друг друга. Возникает все больше бластомеров.

Дробление или бластуляция это процесс образования многоклеточного зародыша.

Постепенно бластомеры располагаются в один слой так образуется шарик, который называют бластулой. Бластула имеет внутри полость (пустое пространство). Эту полость называют первичной полостью тела или бластоцелем.

Следующий этап эмбрионального развития ─ гаструляция.

На одном из полюсов бластулы клетки делятся и впячиваются внутрь первичной полости тела. Так формируется второй внутренний слой клеток − зародышевый листок. Такой двуслойный шарик называется гаструлой.

Гаструла состоит из двух зародышевых листков. Верхние клетки составляют первый зародышевый листок − эктодерму. А внутренние второй зародышевый листок- энтодерму.

Полость, которая образовалась внутри гаструлы, является первичной кишкой. А отверстие ведущие в первичную кишку – первичным ртом. Между энтодермой и эктодермой образуется третий зародышевый листок – мезодерма.

На будующей спинной стороне зародыша начинается впячивание эктодермы в форме желобка – закладывается нервная пластинка. Которая в дальнейшем развивается в нервную трубку. 

Процесс образования нервной пластинки и её замыкание в нервную трубку в процессе зародышевого развития хордовых называется – нейруляцией.

Нервная трубка погружается под эктодерму и образует зачаток спинного мозга.

А из его переднего широкого конца развивается головной мозг.

После нейруляции происходит вытягивание зародыша в длину. Возникают спонтанные мышечные сокращения.

На поздних стадиях эмбрионального развития из трёх сформировавшихся зародышевых листков происходит закладка всех основных органов и тканей животного.

Так эктодерма образует органы зрительной, обонятельной и слуховой систем, а также наружный слой кожи.

Клетки второго зародышевого листка энтодермы образуют трубку, из которой будет формироваться кишечник.

А выросты зачатка кишечника в последствии превращаются в печень, поджелудочную железу и лёгкие.

Из третьего зародышевого листка − мезодермы, образуется большая часть организма животных. Из мезодермы развиваются мышцы, хрящи, кости, почки, половая и сердечно-сосудистая системы.

Сразу же следом за эмбриональным развитием наступает постэмбриональное развитие.

У разных организмов этот период может происходить по-разному.

У одних развитие может быть прямое. У других не прямое (с превращением).

Прямое развитие происходит без превращений. В этом случае вновь появившийся на свет организм отличается от взрослой особи только размерами, пропорциями и недоразвитием некоторых органов. Такое развитие наблюдается у ряда насекомых, рыб, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.

Например, у птиц в половой системе самки зародыш окружается питательными веществами и покрывается несколькими оболочками. Так образуется яйцо, которое выводится из организма для дальнейшего высиживания.

В яйце формирование новой особи продолжается. Приходит время, птенец разрушает изнутри оболочку яйца и выходит наружу.

У большинства млекопитающих яйцо не образуется, а зародыш развивается внутри тела самки в половом органе — матке.

Такой вариант развития называют внутриутробным. Когда организм новой особи становится способным к самостоятельному дыханию и питанию, происходят роды — из половых путей самки выходит детёныш.

Прямое развитие характерно и для рыб. Так, из икринки рыбы выходит малёк, похожий на взрослую особь, но отличающийся от неё размерами, недоразвитием чешуи и плавников.

Непрямое постэмбриональное развитие иногда требует сложной перестройки при переходе к взрослой форме.

Различают два типа непрямого развития – с полным и неполным превращением.

Развитие с превращением характерно для ряда насекомых и земноводных.

Личинки насекомых с неполным превращением внешне сходны со взрослыми особями. Например, у кузнечиков из яиц появляются личинки − маленькие насекомые, внешне похожие на родителей.

Они отличаются от взрослых только величиной, отсутствием крыльев, и неразвитостью половой системы. Личинки несколько раз линяют, до тех пор, пока не превращаются в половозрелых (взрослых) насекомых.

Таким образом при неполном превращении насекомое проходит три стадии:1-я яйцо, 2-я личинка и 3-я взрослое насекомое.

У насекомых при развитии с полным превращением особь проходит несколько последовательных стадий, отличающихся друг от друга образом жизни и характером питания.

При развитии с превращением из яйца появляется личинка, совершенно не похожая на взрослый организм. Такое развитие называется непрямым или развитием с метаморфозом, то есть постепенным превращением организма во взрослую особь.

Таковы личинки (гусеницы) бабочек, например. У этих личинок отсутствуют сложные глаза, тело чаще всего червеобразное. Эти личинки несколько раз линяют, активно питаются и растут. Достигнув предельных размеров, личинка превращается в куколку. Из которой постепенно формируется бабочка.

Таким образом, у насекомых с полным развитием в онтогенезе присутствуют четыре стадии: яйцо, личинка, куколка и взрослое насекомое.

У лягушек непрямое развитие начинается с появления из икринки головастика. Он также не похож на взрослое животное. Головастик дышит жабрами, живёт только в воде. Сначала у него совсем нет конечностей, однако есть хвост, с помощью которого он двигается. Со временем появляются задние конечности, потом отрастают передние. Хвост укорачивается и к моменту выхода животного на сушу совсем исчезает. Вместо жабр формируются лёгкие, которыми животное дышит на суше.

Биогенетический закон

Если сравнить зародышей разных виды животных, то можно заметить, что эмбрионы в пределах одного типа во многом сходны.

Например, у всех хордовых на ранних стадиях развития есть хорда, нервная трубка и кишечная трубка с жаберными щелями в ней.

Хорда — это гибкий скелетный стержень у зародышей всех позвоночных животных; у некоторых из них сохраняется и во взрослом состоянии.

Хорда находится на спинной стороне тела под нервной трубкой и тянется от головы до хвоста. В процессе развития зародыша хорда замещается хрящевым или костным позвоночником.

Тот факт, что эмбрионы всех групп позвоночных на ранних стадиях внешне очень похожи, позволил учёному Карлу Бэру сформулировать закон зародышевого сходства. Который гласит что «В пределах типа эмбриона, начиная с самых ранних стадий, обнаруживают известное общее сходство».

Однако при дальнейшем развитии каждый зародыш развивается своим путём и приобретает все больше сходство с особями своего вида.

Дарвин назвал это обобщение «законом зародышевого сходства» и использовал его для доказательства эволюции.

Человек начинает своё эмбриональное развитие с одной клетки – зиготы, то есть как бы проходит стадию простейших. Бластула аналогична калониальным животным, сходным с вольвоксом, гаструла аналог двуслойных кишечнополостных.

В первые недели эмбриогенеза у будущего человека есть хорда, жаберные щели и хвост, то есть он напоминает древнейших хордовых, сходных по строению с нынешним ланцетником.

Этот и многие другие примеры показывают связь между индивидуальным развитием каждого организма и эволюцией вида, к которому этот организм относиться.

Эта мысль была сформулирована в биогенетическом законе зоологами Фрицом Мюллером и Эрнестом Геккелем: индивидуальное развитие особи (онтогенез) до определённой степени повторяет историческое развитие вида (филогенез), к которому относиться данная особь.  

Известный русский учёный Алексей Николаевич Северцов внёс важные дополнения в этот закон.

Он установил, что в эмбриогенезе повторяются признаки зародышей, а не взрослых особей. Например, жаберные щели у зародыша человека сходны по строению с жаберными щелями зародышей рыб, а не с жабрами взрослых рыб.

Биогенетический закон имеет очень важное значение, поскольку свидетельствует об общих предках животных, относящихся к различным систематическим группам.