§41. Гаметогенез у животных

Определения и обозначения

Гаметогенез — образование и развитие половых клеток, или гамет, из исходных клеток зародышевой линии. Он нужен для полового размножения: гаметы несут наследственную информацию родителей, а их слияние при оплодотворении образует начало нового организма. Благодаря мейозу гаметы имеют вдвое меньше хромосом, чем обычные клетки тела.

Сперматогенез — образование мужских половых клеток, сперматозоидов. Он происходит в семенниках; исходными служат клетки-предшественницы мужской зародышевой линии. Из одной клетки, вступившей в мейоз, обычно возникают четыре сперматиды, которые затем превращаются в сперматозоиды.

Овогенез — образование женских половых клеток, яйцеклеток. Он протекает в яичниках, где исходные клетки проходят рост и созревание. Результат отличается от сперматогенеза: из одной исходной клетки формируется одна крупная яйцеклетка, а не четыре равноценные гаметы.

Спермиогенез — превращение сперматид в зрелые сперматозоиды без деления клетки. Во время него клетка вытягивается, формирует жгутик и акросому, а лишняя цитоплазма уменьшается. Эти изменения нужны, чтобы сперматозоид мог двигаться и участвовать в оплодотворении.

Как это устроено

Гаметогенез начинается в половых железах с клеток-предшественниц зародышевой линии. Они делятся митозом, при котором дочерние клетки сохраняют исходный набор хромосом. Часть клеток продолжает размножаться и поддерживает их запас, а часть вступает в дальнейшее развитие. Такое разделение позволяет образовывать гаметы, не исчерпывая сразу все исходные клетки.

Затем будущие гаметы растут и готовятся к мейозу: клетка увеличивается и копирует ДНК перед делением. Это важно, потому что при мейозе одна клетка разделится дважды, а каждой будущей клетке нужно получить хромосомы. При овогенезе рост особенно заметен: яйцеклетка накапливает цитоплазму и питательные вещества. Этот запас поддерживает первые этапы развития, пока зародыш не начнёт получать вещества из внешних источников.

Во время созревания происходит мейоз — два последовательных деления, в результате которых число хромосом уменьшается вдвое. Если исходная клетка диплоидная, с набором 2n, то клетки после мейоза получают гаплоидный набор n. Это необходимо, чтобы при оплодотворении наборы двух гамет сложились и восстановили 2n, а число хромосом вида не удваивалось в каждом поколении. Количество хромосом и количество ДНК связаны, но это не одно и то же: ДНК копируется до мейоза, а распределяется по клеткам во время делений.

При сперматогенезе после двух делений мейоза образуются четыре гаплоидные сперматиды. Они ещё не являются зрелыми сперматозоидами: каждая проходит спермиогенез, при котором меняются форма и строение клетки. Компактная головка содержит ядро, акросома помогает проникнуть через оболочки яйцеклетки, а жгутик обеспечивает движение. Небольшое количество цитоплазмы делает сперматозоид более обтекаемым и подходящим для перемещения.

При овогенезе цитоплазма после делений распределяется неравномерно. Одна клетка получает почти весь её объём и становится крупной яйцеклеткой, а небольшие полярные тельца получают мало цитоплазмы. Так сохраняются вещества, нужные будущему зародышу, вместо того чтобы разделить их между несколькими мелкими клетками. Полярные тельца получают набор хромосом, но обычно не становятся функциональными яйцеклетками.

Сравнение сперматогенеза и овогенеза

Сравнивайте процессы по месту, результату мейоза и распределению цитоплазмы: именно эти признаки особенно ясно показывают их различия. В обоих случаях мейоз приводит к гаплоидному набору, но дальнейшее развитие клеток идёт по-разному.

Разбор задач

Задача 1. В клетке-предшественнице гаметы 2n = 12 хромосом. Определите число хромосом в гамете после мейоза. Нужно найти гаплоидный набор: мейоз уменьшает число хромосом вдвое.

1. У исходной клетки диплоидный набор, значит, 2n = 12.
2. Для гаметы берём половину набора: n = 12 ÷ 2 = 6.
3. Проверяем смысл результата: две гаметы при оплодотворении дадут клетку с 12 хромосомами.

Ответ: в гамете 6 хромосом. Если указано только число хромосом исходной диплоидной клетки, делите его пополам, чтобы получить набор гаметы.

Задача 2. Из одной клетки, вступившей в мейоз при сперматогенезе, образовались четыре клетки. Укажите их набор хромосом и дальнейшую судьбу. Важно отличить клетки, появившиеся после мейоза, от зрелых гамет: на этом этапе формирование ещё не окончено.

1. Мейоз включает два деления и приводит к уменьшению числа хромосом вдвое.
2. Все четыре образовавшиеся клетки имеют гаплоидный набор n.
3. Это сперматиды, а не зрелые сперматозоиды; каждая проходит спермиогенез и приобретает характерное строение.

Ответ: образуются четыре гаплоидные сперматиды, которые затем превращаются в сперматозоиды без нового деления. Если в условии спрашивают о результате именно мейоза, называйте сперматиды.

Задача 3. При овогенезе из одной исходной клетки после делений возникли одна крупная клетка и несколько мелких. Объясните, почему образуется такой результат и каков набор хромосом у этих клеток. Здесь нужно учесть и ход мейоза, и то, как распределяется цитоплазма.

1. При мейозе набор хромосом уменьшается вдвое, поэтому возникшие клетки получают гаплоидный набор n.
2. Цитоплазма делится неравномерно: основная её часть остаётся в одной крупной клетке.
3. Крупная клетка становится яйцеклеткой, а мелкие — полярными тельцами; запас веществ сохраняется для будущего зародыша.

Ответ: яйцеклетка и полярные тельца имеют гаплоидный набор n, но отличаются размером и количеством цитоплазмы. Полярные тельца обычно не участвуют в развитии зародыша.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что мейоз сразу создаёт зрелые гаметы. Такое представление возникает, если смешивать результат деления и последующее созревание клеток. При сперматогенезе после мейоза остаются сперматиды, которым нужен спермиогенез; при овогенезе яйцеклетка проходит дальнейшее созревание. Проверяйте себя вопросом: какая именно стадия названа в условии?

Неверно утверждать, что из одной исходной клетки при овогенезе получаются четыре равноценные яйцеклетки. Два деления мейоза действительно дают клетки с гаплоидным набором, но цитоплазма распределяется неравномерно. Поэтому одна клетка становится крупной яйцеклеткой, а остальные — полярными тельцами. Проверка проста: спросите, в какой клетке остаётся запас цитоплазмы.

Уменьшение числа хромосом нельзя называть уменьшением количества ДНК, не уточняя, о каком процессе идёт речь. Путаница возникает потому, что хромосомы состоят из ДНК, а перед мейозом ДНК удваивается. Число хромосом уменьшается в результате делений, а количество ДНК меняется по своим этапам. Чтобы проверить ответ, отдельно укажите число хромосом и количество ДНК, если спрашивают оба показателя.

Нельзя считать сперматозоиды и яйцеклетки одинаковыми по размеру и запасу цитоплазмы. Это ошибка, если воспринимать гаметы только как клетки с одинаковым набором хромосом. Сперматозоид приспособлен к движению, а яйцеклетка содержит запас веществ для начала развития. Проверяйте объяснение по функциям: строение каждой гаметы помогает ей выполнять свою роль.

Связь с другими темами

Для понимания гаметогенеза нужны знания о митозе и мейозе, а также о диплоидном наборе 2n и гаплоидном n. Эти процессы связаны с оплодотворением: слияние гамет восстанавливает диплоидный набор и обеспечивает половое размножение. Понимание того, как образуются гаметы, помогает изучать наследственность, развитие зародыша и размножение животных. Особенно полезно прослеживать, как передаются хромосомы от родителей потомству.

Что запомнить

• Гаметогенез — образование и развитие половых клеток.
• Сперматогенез происходит в семенниках, овогенез — в яичниках.
• Мейоз обеспечивает образование клеток с гаплоидным набором хромосом.
• Из одной клетки при сперматогенезе обычно формируются четыре сперматиды.
• При овогенезе формируется одна крупная яйцеклетка и полярные тельца.
• Спермиогенез превращает сперматиды в зрелые сперматозоиды.