Половое размножение. Развитие половых клеток

Размножение — это свойство живых организмов, которое заключается в способности производить подобных особей своего вида.

При бесполом размножении не происходит увеличение генетического разнообразия, которое может оказаться очень полезным при изменении условий существования вида.

По этой причине большинство живых организмов на Земле размножаются половым путём.

Сущность полового размножения заключается в слиянии генетической информации родителей, благодаря чему генетическое разнообразие в потомстве увеличивается.

Половой процесс возник очень давно. Самые простые его формы наблюдаются у простейших.

У одноклеточных организмов выделяют две формы полового размножения: конъюгацию и копуляцию.

Например, у инфузории-туфельки половой процесс получил название — конъюгации.

У инфузории туфельки имеется два разных по строению и функциям ядра полиплоидный макронуклеус (большое ядро) бобовидной формы и диплоидный микронуклеус (малое ядро) округлой формы.

В отличие от микронуклеуса макронуклеус содержит полный геном.

В ходе конъюгации две инфузории сближаются. Между ними образуется цитоплазматический мостик.

Затем макронуклеусы инфузорий разрушаются, а микронклеусы делятся путём мейоза. В результате образуются 4 ядра.

Три из которых погибают, а оставшаяся делится митозом.

В каждой инфузории теперь есть два гаплоидных ядра одно из них женское, а другое — мужское.

Инфузории обмениваются мужскими пронуклеусами, а женские остаются в «своей» клетке. Затем в каждой инфузории «свой» женский и «чужой» мужской пронуклеусы сливаются, образуя диплоидное ядро — синкарион. При делении синкариона образуется два ядра. Из двух имеющихся ядер, одно становится макронуклеусом, другое — микронуклеусом.

Конъюгация водоросли спирогиры проходит схожим образом.

При этом клетки двух соседних нитей различных типов соединяются между собой боковыми выростами. Затем между нитями образуется копуляционный канал, по которому протопласт одной клетки перетекает в другую и сливается с содержимым последней. Клетка, в которой произошло слияние (то есть зигота), закругляется, отделяется от нити и, одеваясь толстой оболочкой, превращается в зигоспору.

Зигоспора перезимовывает и весной делится мейозом, давая 4 гаплоидные споры, три из которых отмирают, а одна прорастает в молодую нить. Все стадии, кроме зиготы и зигоспоры, — гаплоидны.

Биологическое значение конъюгации состоит в обновлении генетического материала и возможном появлении новых признаков, полезных для выживания в меняющихся условиях окружающей среды. Однако число особей при этом не увеличивается. Поэтому конъюгацию называют половым процессом, а не размножением.

У некоторых одноклеточных организмов наблюдается другая разновидность полового процесса — копуляция.

Процесс копуляции наблюдается в жизненном цикле одноклеточной зелёной водоросли хламидомонады.

Сначала образуются гаметы. Затем две различающиеся по полу клетки − гаметы - сливаются и образуют зиготу. При этом ядра гамет образуют одно ядро зиготы, которая содержит (2 n — два набора хромосом); Затем зигота прорастает при этом происходит мейоз и уменьшение числа хромосом вдвое, после чего из неё выходят вегетативные клетки, превращающиеся после размножения в гаметы.

При половом размножении особи каждого следующего поколения возникают в результате слияния двух специализированных гаплоидных клеток — гамет.

Различия между гаметами

В процессе эволюции степень различия гамет изменялась. Наиболее простым типом является изогамный половой процесс (изогамия).

Изогамия — это примитивная форма полового процесса, при котором сливаются две одинаковые морфологически и по величине гаметы.

Такая форма размножения встречается у низших растений — например у одноклеточной водоросли хламидомонады.

Следующей ступенью является гетерогамный половой процесс (гетерогамия). При котором гаметы различны по форме и размеру.

Гетерогамия также может происходить у хламидомонады. При гетерогамии обе гаметы подвижны, имеют жгутики, но различаются величиной.

Одна из них, меньших размеров, отличается большей подвижностью и считается мужской гаметой.

Другая, несколько более крупная, менее подвижная. Она считается женской гаметой. В плазме её содержится некоторое количество запасных питательных веществ.

Следующей ступенью является оогамный половой процесс (оогамия). В этом случае гаметы резко различны по форме и по величине.

Одна из них — мужская — очень мелкая со жгутиком. Мужская гамета активно подвижна и называется сперматозоидом.

Женская гамета крупная и лишена подвижности. Она называется яйцеклеткой.

Оогамия свойственна как многим низшим растениям, так и высшим растениям.

А также всем многоклеточным животным включая и человека.

У животных и человека гаметы формируются в специальных органах гонадах.

Сперматозоиды формируются в мужских половых железах- семенниках. А яйцеклетки формируются в женских половых железах — яичниках.

Яйцеклетка — это округлая, относительно крупная клетка. Она состоит из ядра, которое содержит ДНК. Также яйцеклетка включает цитоплазму в которой имеется запас питательных веществ в виде желтка.

Яйцеклетку окружает оболочка, вокруг которой располагаются фолликулярные клетки.

По содержанию желтка яйцеклетки бывают:

Изолецитальными где желток распределён равномерно по цитоплазме. Такие яйцеклетки имеются у млекопитающих и человека. Желтка они почти не содержат, и будущий зародыш сможет питаться только за счёт материнского организма.

Телолецитальными − желток находится на одном из полюсов (вегетативном). Эти яйцеклетки характерны для земноводных, рептилий и птиц.

И центролецитальными − желток расположен вокруг ядра. По периферии находится свободная от желтка цитоплазма. Эти яйцеклетки характерны для насекомых.

Сперматозоид в отличии от яйцеклетки гораздо более мелких размеров. Он состоит из головки, которая почти полностью занята ядром и гаплоидным набором хромосом; Шейки, в которой находится митохондрии. Также сперматозоид содержит хвост, образованный микротрубочками. Хвост обеспечивает подвижность всего сперматозоида.

В передней части головки сперматозоида находится видоизменённый комплекс Гольджи, который называется акросомой. В акросоме запасается определённый фермент, который необходим для растворения оболочки яйцеклетки, без чего невозможно оплодотворение.

Развитие половых клеток

Процесс созревания половых клеток называется гаметогенезом.

Выделяют сперматогенез - процесс образования сперматозоидов.

И оогенез - процесс образования яйцеклетки.

В данных процессах созревания выделяют несколько фаз.

Фазу размножения, фазу роста и фазу созревания.

В фазу размножения первичные половые клетки (сперматогонии и оогонии) делаться митозом. Благодаря этому увеличивается количество будущих гамет.

При этом сохраняя диплоидный набор хромосом в ядрах. Сперматогонии превращаются в сперматоциты первого порядка. Оогоний становится ооцитом первого порядка.

У самцов млекопитающих (в том числе и у человека - мужчин) этот процесс идёт с момента наступления половой зрелости и до старости.

А у самок млекопитающих (а также человека -женщин) первичные половые клетки делятся только в период внутриутробного развития плода.

В фазу роста клетки увеличиваются в размерах.

Будущее сперматозоиды увеличиваются незначительно, а вот будущие яйцеклетки увеличиваются в несколько раз. Вспомните интерфазу делений.

Происходит репликация ДНК, запасаются вещества, которые пригодятся для последующих делений клетки.

Рассмотрим фазу созревания сперматозоидов. В эту фазу будущие гаметы делятся мейозом.  

В результате первого деления из одного сперматоцита первого порядка образуется два сперматоцита второго порядка.

После второго деления из каждого сперматоцита второго порядка возникают две гаплоидные клетки — сперматиды. Таким образом, из одной исходной клетки, вступившей в мейоз, образуются четыре гаплоидных сперматиды. Они имеют гаплоидный набор хромосом.

В сперматогенезе выделяют ещё одну, заключительную фазу — фазу формирования.

В этой фазе у сперматозоидов возникают жгутики, и они приобретают подвижность.

При образовании сперматозоидов каждая из четырёх дочерних клеток полноценна и способна оплодотворить яйцеклетку.

А вот при созревании яйцеклеток мейотическое деление протекает иначе: цитоплазма между дочерними клетками распределяется неравномерно.

После цитокинеза первого мейоза получается одна крупная клетка, содержащая практически всю цитоплазму (ооцит второго порядка), другая — мелкая, состоящая по существу из ядра с минимальным количеством цитоплазмы. Эту клетку называют 1-м редукционным тельцем.

После второго деления мейоза, появляется крупная яйцеклетка и 2-е редукционное тельце. Первое редукционное тельце, как правило, тоже делится. Таким образом, возникают четыре гаплоидные клетки.

В отличие от сперматогенеза, где образующиеся в ходе мейоза клетки равноценны друг другу, при формировании женских половых клеток результатом мейоза является одна готовая к оплодотворению яйцеклетка и три редукционных тельца, которые со временем разрушаются.

Смысл образования редукционных телец заключается в осуществлении мейоза при сохранении максимума питательных веществ в яйцеклетки.

Значит в процессе сперматогенеза из диплоидных сперматогониев содержащих двойной набор хромосом 2n (два эн) образуются 4 гаплоидные сперматиды. Из них формируются сперматозоиды, которые также содержат гаплоидный набор хромосом.

В процессе оогенеза, из оогонии (содержащей двойной набор хромосом), образуется ооцит, а затем и гаплоидная яйцеклетка.

Как мы уже сказали оогенез начинается ещё на эмбриональных стадиях развития. И к моменту рождения в организме девочки уже имеется полный набор клеток. Однако яйцеклетками они будут становиться, только после полового созревания. До этого времени клетки находятся в покоящимся состоянии.

После полового созревания под действием гормонов зрелая яйцеклетка ежемесячно выходит в просвет яйцеводов и продвигается к матке. Именно в этот период может произойти оплодотворение яйцеклетки. Естественно при наличии сперматозоидов.