§33. Развитие половых клеток

Определения и обозначения

Гаметогенез — процесс образования и развития половых клеток, или гамет. Он необходим для полового размножения: гаметы соединяются при оплодотворении и передают потомству наследственную информацию. В ходе гаметогенеза клетки проходят размножение, рост и созревание. Благодаря этому формируются специализированные клетки с набором хромосом, подходящим для оплодотворения.

Сперматогенез — развитие мужских половых клеток в семенниках. Его итогом становятся сперматозоиды, способные передвигаться к яйцеклетке и доставлять ей наследственный материал. При созревании одной исходной клетки обычно образуются четыре клетки-предшественницы сперматозоидов. Затем они приобретают характерное строение и подвижность.

Овогенез — развитие женских половых клеток в яичниках. Его результатом становится яйцеклетка, которая, в отличие от сперматозоида, сохраняет много цитоплазмы и запасов. При делениях цитоплазма распределяется не поровну: одна клетка получает большую часть, а другие — небольшое количество. Такое распределение помогает обеспечить будущую яйцеклетку ресурсами.

Полярные тельца — небольшие клетки, которые образуются при делениях в ходе овогенеза. Они получают мало цитоплазмы, потому что основная её часть остаётся в клетке, развивающейся в яйцеклетку. Поэтому полярные тельца обычно не становятся полноценными яйцеклетками и не участвуют в оплодотворении. Их появление связано с тем, что при созревании нужно уменьшить число хромосом, сохранив запас веществ в одной крупной клетке.

Как это устроено

Гаметогенез начинается с размножения исходных клеток митозом. При митозе каждая клетка даёт начало двум дочерним клеткам с таким же числом хромосом, как у исходной. Благодаря этому в половых органах образуется запас клеток, из которого могут развиваться гаметы. Если бы исходные клетки сразу переходили к созреванию, запас для образования половых клеток не пополнялся бы таким способом.

После размножения клетки растут и готовятся к мейозу — особому типу деления, который включает два последовательных деления. Рост нужен, чтобы клетка накопила необходимые вещества и смогла пройти дальнейшие изменения. В женской линии особенно важны запасы в цитоплазме: они потребуются яйцеклетке в начале развития после оплодотворения. Поэтому овогенез создаёт крупную клетку, а не несколько одинаковых по размеру.

На стадии созревания происходит мейоз, и число хромосом в будущих гаметах становится вдвое меньше, чем в исходной клетке. Это возможно потому, что за два деления мейоза после удвоения наследственного материала не происходит двух обычных циклов удвоения хромосом. Образовавшиеся гаметы становятся гаплоидными — содержат одинарный набор хромосом. При оплодотворении гаплоидные наборы объединяются, и в клетке нового организма восстанавливается диплоидный набор.

При сперматогенезе деления клетки приводят к появлению четырёх клеток. Они получают примерно сопоставимые объёмы цитоплазмы и затем проходят преобразование: формируются структуры, необходимые для движения и участия в оплодотворении. Зрелый сперматозоид обычно мал и подвижен, поскольку его задача — достичь яйцеклетки. Таким образом, деления дают несколько специализированных мужских гамет из одной исходной клетки.

В овогенезе деления проходят иначе: цитоплазма распределяется неравномерно. Одна клетка сохраняет почти все запасы и становится крупной яйцеклеткой, а остальные получают мало цитоплазмы и превращаются в полярные тельца. Это позволяет одновременно уменьшить число хромосом и не разделить необходимые яйцеклетке вещества между несколькими крупными клетками. Полярные тельца обычно не развиваются в яйцеклетки, потому что их цитоплазмы недостаточно для такой роли.

Сравнение сперматогенеза и овогенеза

Сначала сравните место образования и общий итог делений: это помогает не путать два процесса. Затем обратите внимание на распределение цитоплазмы, поскольку оно объясняет, почему в одном случае образуются четыре сперматозоида, а в другом — одна яйцеклетка. В обоих процессах созревание связано с мейозом и образованием гаплоидных гамет.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему после мейоза в половых клетках оказывается вдвое меньше хромосом, чем в исходных клетках. Нужно связать число делений с изменением набора хромосом и учесть, что происходит при оплодотворении. Не следует путать мейоз с митозом: митоз сохраняет число хромосом. Решение:

1. До мейоза исходная клетка имеет диплоидный набор хромосом. В ходе мейоза происходят два последовательных деления, а число наборов в результате становится вдвое меньше.
2. Поэтому формирующиеся гаметы имеют гаплоидный набор. Это необходимо, чтобы при слиянии двух гамет не удвоить число хромосом по сравнению с исходным для вида.
3. При оплодотворении гаплоидные наборы объединяются, и диплоидное число восстанавливается в клетке нового организма.

Ответ: мейоз формирует гаметы с половинным набором хромосом, а оплодотворение восстанавливает диплоидный набор.

Задача 2. Сравните результаты развития одной исходной клетки при сперматогенезе и овогенезе. Укажите число клеток и объясните, чем различается распределение цитоплазмы. Сравнение нужно строить не только по количеству, но и по тому, какие клетки способны стать зрелыми гаметами. Решение:

1. При сперматогенезе после созревания образуются четыре клетки, которые затем преобразуются в сперматозоиды.
2. При овогенезе основная часть цитоплазмы остаётся в одной клетке. Она становится яйцеклеткой, а другие клетки получают мало цитоплазмы и образуют полярные тельца.
3. Следовательно, деления при сперматогенезе дают четыре будущие гаметы, а при овогенезе — одну крупную яйцеклетку и небольшие полярные тельца.

Ответ: результат сперматогенеза — четыре сперматозоида, результат овогенеза — одна яйцеклетка и полярные тельца; цитоплазма распределяется соответственно относительно равномерно и неравномерно.

Задача 3. В результате овогенеза образовались одна крупная клетка и несколько мелких. Объясните назначение такого распределения цитоплазмы и назовите клетки. Чтобы решить задачу, сопоставьте размер клеток с их будущей ролью и запасом веществ. Решение:

1. Крупная клетка получает основную часть цитоплазмы и запасов. Это яйцеклетка, которой ресурсы нужны для начального развития после оплодотворения.
2. Мелкие клетки получают мало цитоплазмы. Это полярные тельца, которые обычно не развиваются в яйцеклетки.
3. Неравномерное распределение сохраняет необходимые вещества в одной гамете, а не делит их поровну между несколькими клетками.

Ответ: крупная клетка — яйцеклетка, мелкие — полярные тельца; основная часть цитоплазмы и запасов остаётся в яйцеклетке.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все клетки после делений при овогенезе равноценными. Такое предположение возникает, если ориентироваться только на то, что клеток несколько. Но цитоплазма распределяется неравномерно: основная её часть достаётся одной клетке. Проверьте себя: определите, какая клетка крупная и какая сохраняет запасы, — это яйцеклетка.

Ошибка: путать митоз размножения с мейозом созревания. Оба процесса связаны с делением клеток, поэтому их можно смешать. Однако митоз сохраняет число хромосом, а мейоз уменьшает его вдвое. Для проверки задайте вопрос, формируется ли запас исходных клеток или гамета с гаплоидным набором.

Ошибка: полагать, что из одной исходной клетки при сперматогенезе получается один сперматозоид. Так могут думать, если представлять каждое деление как простое превращение одной клетки в одну гамету. На деле созревание включает деления, результатом которых обычно становятся четыре клетки. Проверьте число: у сперматогенеза итог — четыре сперматозоида.

Ошибка: считать яйцеклетку и сперматозоид одинаковыми по строению и запасам. Обе клетки являются гаметами, но выполняют разные роли, поэтому их строение отличается. Сперматозоид мал и подвижен, а яйцеклетка крупная и содержит больше цитоплазмы. Сверьте их размеры, подвижность и количество запасённых веществ.

Связь с другими темами

Для понимания гаметогенеза нужно знать строение клетки и различать митоз и мейоз: первый помогает размножать исходные клетки, второй уменьшает число хромосом. Также важно понимать разницу между гаплоидным и диплоидным наборами, чтобы объяснить результат оплодотворения. Эта тема понадобится при изучении оплодотворения и раннего индивидуального развития организма. Она помогает связать передачу наследственной информации с развитием нового организма и наследованием признаков.

Что запомнить

• Гаметогенез — развитие половых клеток.
• Сперматогенез протекает в семенниках, овогенез — в яичниках.
• Мейоз уменьшает число хромосом вдвое.
• При сперматогенезе из одной исходной клетки образуются четыре сперматозоида.
• При овогенезе основная часть цитоплазмы достаётся одной крупной клетке.
• Полярные тельца обычно не превращаются в яйцеклетки.