14. Образование половых клеток. Оплодотворение

Определения и обозначения

Гаметогенез — процесс образования и созревания половых клеток, или гамет. В ходе него число хромосом в будущих гаметах уменьшается вдвое по сравнению с клетками тела. Это необходимо, чтобы при слиянии гамет не происходило постоянного удвоения числа хромосом в поколениях.

Сперматогенез — образование и созревание мужских половых клеток, сперматозоидов. У человека он происходит в семенных канальцах семенников. В процессе последовательно идут размножение исходных клеток, их рост, созревание и формирование зрелых сперматозоидов.

Овогенез — образование и созревание женских половых клеток, яйцеклеток. При делениях цитоплазма распределяется неравномерно: одна клетка получает почти всё её содержимое, а остальные становятся небольшими полярными тельцами. Такое распределение позволяет яйцеклетке сохранить запас веществ, нужный в начале развития.

Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет с образованием зиготы. Наследственный материал двух половых клеток объединяется в одной клетке. Зигота становится первой клеткой нового организма и начинает его развитие.

Как это устроено

В клетках тела содержатся парные наборы хромосом: такой набор называют диплоидным и обозначают 2n. Если бы гаметы сохраняли его, при каждом оплодотворении число хромосом удваивалось бы. Мейоз решает эту проблему: при нём число хромосом уменьшается вдвое, и образуются клетки с гаплоидным набором n. Когда гаметы сливаются, два набора объединяются и дают исходное для вида число хромосом.

Сперматогенез начинается с размножения исходных клеток делением, после чего некоторые из них растут и вступают в мейоз. В результате последовательных делений образуются клетки с гаплоидными наборами хромосом. Затем они проходят формирование: приобретают характерное строение сперматозоидов, включая головку с ядром и жгутик для движения. Так одна исходная клетка в итоге даёт четыре зрелые функциональные мужские гаметы.

Овогенез также включает размножение исходных клеток, рост и созревание, но деления здесь неравные. При мейозе одна из дочерних клеток получает почти всю цитоплазму, а другая — лишь небольшую её часть; образующиеся малые клетки называются полярными тельцами. Это происходит потому, что будущему зародышу важен запас веществ в одной крупной клетке, а не несколько одинаковых по размеру клеток. Поэтому из одной исходной клетки формируется одна функциональная яйцеклетка, а не четыре.

Различия гамет соответствуют их задачам при размножении. Сперматозоид мал и подвижен: жгутик помогает ему перемещаться, а его ядро несёт наследственный материал. Яйцеклетка крупнее, неподвижна и содержит больше цитоплазмы с запасом веществ, который поддерживает первые этапы развития. При оплодотворении сперматозоид доставляет свой наследственный материал к яйцеклетке, а яйцеклетка предоставляет клеточную основу для начала развития.

После встречи гамет их наследственный материал объединяется, и возникает зигота с диплоидным набором хромосом. Половина этого набора получена от одной гаметы, половина — от другой. Так восстанавливается число хромосом, характерное для клеток тела данного вида, а наследственные признаки потомка сочетают материал обоих родителей. Затем зигота начинает делиться, и из неё развивается многоклеточный организм.

Сравнение образования мужских и женских гамет

Сопоставляй процессы по двум вопросам: сколько функциональных гамет образуется и как распределяется цитоплазма. Различия в результате связаны с задачами клеток: сперматозоид должен добраться до яйцеклетки, а яйцеклетка — сохранить ресурсы для начала развития.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, какой набор хромосом имеют гаметы и почему он отличается от набора клеток тела.

Решение. Сначала определим, какие наборы сравниваются: клетки тела обычно имеют диплоидный набор 2n, а половые клетки образуются при гаметогенезе. Ключ к ответу — мейоз, который уменьшает число хромосом вдвое. Значит, гамета получает одинарный, гаплоидный набор n.

1. Клетки тела имеют диплоидный набор 2n.
2. При мейозе число хромосом в исходной клетке уменьшается вдвое.
3. Следовательно, в гамете остаётся набор n, необходимый для последующего слияния с другой гаметой.

Ответ: гаметы гаплоидны (n), а клетки тела диплоидны (2n); различие возникает благодаря мейозу.

Задача 2. Сравните результаты созревания одной исходной клетки при сперматогенезе и овогенезе.

Решение. Сравнивать нужно не только число клеток после делений, но и то, какие из них функциональны. При сперматогенезе деления дают четыре клетки, которые проходят формирование и становятся сперматозоидами. При овогенезе деления неравные: почти вся цитоплазма остаётся в одной будущей яйцеклетке, а остальные клетки превращаются в полярные тельца.

1. Для сперматогенеза указываем число функциональных гамет: четыре.
2. Для овогенеза учитываем неравное распределение цитоплазмы: одна крупная клетка и малые полярные тельца.
3. Сопоставляем итог: сперматозоидов несколько, функциональная яйцеклетка одна.

Ответ: из одной исходной клетки при сперматогенезе образуются четыре функциональных сперматозоида, а при овогенезе — одна крупная яйцеклетка и полярные тельца.

Задача 3. Объясните, какой набор хромосом будет у зиготы после слияния гамет и почему.

Решение. Каждая гамета перед оплодотворением имеет гаплоидный набор n. При слиянии наследственный материал обеих клеток объединяется, поэтому нельзя считать, что зигота получает только один набор. Складываются два одинарных набора: n от одной гаметы и n от другой.

1. Записываем наборы гамет: n и n.
2. При оплодотворении они объединяются: n + n = 2n.
3. Определяем результат: зигота диплоидна, как обычная клетка тела.

Ответ: у зиготы диплоидный набор 2n, потому что при слиянии двух гаплоидных гамет их наборы объединяются.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что гаметы образуются митозом. Так можно подумать, если помнить лишь о делении клеток, но митоз сам по себе не объясняет уменьшение числа хромосом. Проверь себя вопросом: каким образом после слияния гамет сохраняется число хромосом вида? Ответ должен включать мейоз и гаплоидный набор.

Ошибка: путать сперматогенез и овогенез. Оба процесса образуют гаметы и включают деления, поэтому их легко объединить в один общий результат. Но распределение цитоплазмы и число функциональных клеток различаются. Проверь себя: при сперматогенезе получаются четыре функциональные гаметы, при овогенезе — одна яйцеклетка.

Ошибка: называть полярные тельца полноценными яйцеклетками. Они возникают при неравном распределении содержимого, но получают мало цитоплазмы и обычно не участвуют в оплодотворении. Путаница возникает из-за того, что полярные тельца тоже появляются при делениях. Чтобы проверить ответ, спроси себя, какая клетка сохраняет основной запас веществ и выполняет роль женской гаметы.

Ошибка: считать, что при оплодотворении набор хромосом становится вдвое больше, чем в клетке тела. Такое впечатление создаёт слияние двух клеток, но каждая гамета содержит не диплоидный, а гаплоидный набор. Проверь рассуждение: n + n = 2n, а не 4n. Поэтому зигота имеет обычный диплоидный набор, а не набор, удвоенный относительно клеток тела.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, чем гаплоидный набор отличается от диплоидного, и представлять, как протекает мейоз. Эти знания помогают объяснить, откуда берутся гаметы с уменьшенным числом хромосом и почему после оплодотворения набор восстанавливается. Позже гаметогенез и оплодотворение пригодятся при изучении наследственности, индивидуального развития организмов и разных способов размножения. Связь этих тем показывает, как передаётся наследственный материал и начинается развитие нового организма.

Что запомнить

• Гаметы образуются в ходе гаметогенеза.
• В гаметах содержится гаплоидный набор хромосом.
• Сперматогенез приводит к образованию мужских гамет.
• При овогенезе формируется одна крупная яйцеклетка.
• При оплодотворении сливаются мужская и женская гаметы.
• Зигота получает диплоидный набор хромосом.