§ 24. Гаметогенез и оплодотворение

Определения и обозначения

Гаметогенез — образование и развитие половых клеток, или гамет. Он нужен для полового размножения: гаметы несут наследственную информацию родителей и могут соединиться при оплодотворении. Благодаря этому возникает зигота, из которой развивается новый организм.

Сперматогенез — образование сперматозоидов в мужских половых железах. В процессе выделяют размножение, рост, созревание и формирование клеток. Такая последовательность обеспечивает появление гамет, приспособленных к оплодотворению.

Овогенез — образование яйцеклеток в женских половых железах. При созревании происходят деления, но цитоплазма распределяется между клетками неравномерно. Это позволяет одной яйцеклетке сохранить запас веществ для начальных этапов развития.

Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет с образованием зиготы. При этом объединяется наследственный материал родителей, а число наборов хромосом становится диплоидным. Оплодотворение запускает развитие нового организма.

Как это устроено

Гаметы начинают формироваться из исходных половых клеток. До созревания такие клетки проходят последовательные этапы развития, а при мейозе число наборов хромосом уменьшается вдвое. Это необходимо, чтобы при слиянии гамет хромосомный набор не удваивался в каждом поколении. Поэтому зрелые гаметы имеют гаплоидный набор.

Сперматогенез включает размножение, рост, созревание и формирование. На этапе размножения исходные клетки делятся, увеличивая их число; затем клетка растёт и подготавливается к делению. При созревании мейозом образуются четыре гаплоидные клетки. На этапе формирования они приобретают строение сперматозоидов, способных двигаться и достигать яйцеклетки.

При овогенезе исходная клетка тоже растёт и проходит созревание с мейотическими делениями. Яйцеклетке требуется значительный запас цитоплазмы и веществ для первых этапов развития зародыша. Поэтому при делениях цитоплазма распределяется не поровну: почти вся она остаётся в одной клетке. Эта клетка становится крупной яйцеклеткой, а небольшие полярные тельца обычно не участвуют в развитии.

Разница в распределении цитоплазмы объясняет неодинаковый итог двух процессов. При сперматогенезе после мейоза образуются четыре клетки, и каждая может сформироваться в гамету. При овогенезе из одной исходной клетки получается одна полноценная яйцеклетка, тогда как полярные тельца получают мало цитоплазмы. Так организм обеспечивает яйцеклетку запасом веществ, не создавая несколько клеток с недостаточным запасом.

При оплодотворении сперматозоид встречается с яйцеклеткой и сливается с ней. Затем объединяется наследственный материал двух гамет: к гаплоидному набору одной добавляется гаплоидный набор другой. Возникает зигота с диплоидным набором хромосом. Так число наборов, уменьшенное при мейозе, восстанавливается, а наследственная информация обоих родителей оказывается в одной клетке.

Сравнение сперматогенеза и овогенеза

Сравнивайте процессы по двум вопросам: сколько полноценных гамет образуется и как распределяется цитоплазма. Именно распределение цитоплазмы объясняет разницу в размерах и запасах зрелых клеток. В обоих случаях мейоз приводит к гаплоидному набору хромосом.

Разбор задач

Задача 1. У исходной половой клетки диплоидный набор хромосом. Определите, какой набор будет у образовавшихся после мейоза гамет. Для решения важно не перепутать исходную клетку с конечной гаметой: мейоз уменьшает число наборов вдвое.

1. Исходная клетка имеет два набора хромосом, то есть диплоидный набор.
2. При мейозе число наборов уменьшается вдвое.
3. Следовательно, гамета получает один набор — гаплоидный.

Ответ: гаметы имеют гаплоидный набор хромосом. При оплодотворении он соединится с таким же набором второй гаметы. Так в зиготе восстановится диплоидный набор.

Задача 2. Из одной исходной клетки при сперматогенезе образовались четыре клетки. Объясните, почему это соответствует сперматогенезу, и назовите дальнейшее превращение этих клеток. Нужно связать число клеток с мейозом и последующим этапом процесса.

1. При созревании исходная клетка проходит мейоз, в результате которого возникают четыре гаплоидные клетки.
2. Такой результат характерен для сперматогенеза: цитоплазма делится без образования одной крупной клетки.
3. Затем клетки проходят этап формирования и приобретают строение сперматозоидов.

Ответ: четыре клетки соответствуют результату мейоза при сперматогенезе. Далее они формируются в сперматозоиды. Каждый из них имеет гаплоидный набор хромосом.

Задача 3. При овогенезе из одной исходной клетки образовалась одна крупная яйцеклетка и полярные тельца. Объясните такой результат и укажите, что произойдёт с набором хромосом после её слияния со сперматозоидом. Здесь нужно учесть одновременно неравное деление цитоплазмы и результат оплодотворения.

1. При созревании происходит мейоз, поэтому образующиеся клетки получают гаплоидный набор.
2. Цитоплазма делится неравномерно, чтобы одна клетка сохранила запас веществ; она становится яйцеклеткой, а остальные — полярными тельцами.
3. При слиянии яйцеклетки с гаплоидным сперматозоидом их наборы объединяются.

Ответ: образуется одна полноценная яйцеклетка, богатая цитоплазмой, и полярные тельца. После оплодотворения возникает зигота с диплоидным набором хромосом. Это происходит благодаря объединению гаплоидных наборов обеих гамет.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что гаметы имеют диплоидный набор. Так думают, если переносят на гамету набор исходной клетки и забывают о мейозе. Проверьте себя: после мейоза число наборов должно быть вдвое меньше, поэтому гамета гаплоидна.

Ошибка — ожидать одинаковое число полноценных гамет при сперматогенезе и овогенезе. Обычно это связано с тем, что в обоих случаях происходит мейоз и ученик не учитывает неравное распределение цитоплазмы. Сверьте результат: при сперматогенезе формируются четыре сперматозоида, при овогенезе — одна яйцеклетка и полярные тельца.

Ошибка — называть оплодотворением простое сближение гамет. Сближение само по себе ещё не означает, что наследственная информация объединена. Проверьте определение: оплодотворение включает слияние гамет и объединение их наследственного материала.

Ошибка — считать, что зигота сохраняет гаплоидный набор. Это происходит, если учитывать только одну гамету и не учитывать вклад второй. Чтобы проверить ответ, сложите два гаплоидных набора: после их объединения зигота становится диплоидной.

Связь с другими темами

Для понимания гаметогенеза нужны знания о строении клетки, хромосомах и наборах хромосом. Особенно важно различать митоз и мейоз: мейоз уменьшает число наборов и участвует в образовании гамет. Без этого трудно объяснить, почему гаметы гаплоидны, а зигота диплоидна.

Эта тема понадобится при изучении полового размножения и наследования признаков. Она помогает понять, как наследственная информация родителей объединяется в зиготе. С оплодотворения начинается раннее эмбриональное развитие, поэтому гаметогенез связан и с последующими этапами развития организма.

Что запомнить

• Гаметогенез — процесс образования половых клеток.
• Мейоз обеспечивает формирование гамет с гаплоидным набором хромосом.
• Сперматогенез приводит к образованию четырёх сперматозоидов из одной исходной клетки.
• При овогенезе формируется одна крупная яйцеклетка и полярные тельца.
• Яйцеклетка содержит запас веществ, необходимый для начальных этапов развития.
• При оплодотворении сливаются гаметы и образуется зигота.
• Зигота имеет диплоидный набор хромосом.