§ 17. Оплодотворение

Определения и обозначения

Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет с образованием первой клетки нового организма. Сначала гаметы встречаются и распознают друг друга, затем сперматозоид проникает в яйцеклетку и сливаются их ядра. Поэтому оплодотворение не сводится только к проникновению клетки: его итогом становится образование зиготы и начало развития.

Гамета — половая клетка с гаплоидным набором хромосом, то есть с одним набором наследственного материала. Яйцеклетка обычно крупная и неподвижная, а сперматозоид — маленький и подвижный. Такое различие помогает яйцеклетке обеспечить будущую клетку веществами, а сперматозоиду — доставить мужской генетический материал.

Зигота — клетка, возникающая после слияния гамет и содержащая диплоидный набор хромосом. В ней объединяются наследственные сведения матери и отца. Последующие деления зиготы дают начало зародышу, поэтому её называют началом развития нового организма.

Акросома — участок сперматозоида, содержащий ферменты для разрушения или размягчения оболочек яйцеклетки. Благодаря этим веществам сперматозоид может приблизиться к её поверхности и пройти внутрь. Акросома действует только на определённом этапе и помогает начать оплодотворение.

Как это устроено

Гаметы образуются с гаплоидным набором хромосом, потому что при их слиянии наборы должны соединиться, а не удвоиться сверх нормы. Если бы каждая половая клетка имела диплоидный набор, число хромосом увеличивалось бы в каждом поколении. Мейоз уменьшает число хромосом вдвое, а оплодотворение возвращает обычный для вида диплоидный набор.

Сперматозоид распознаёт яйцеклетку по особенностям молекул на их поверхностях, поэтому случайное слияние клеток обычно не происходит. После распознавания он прикрепляется к оболочке яйцеклетки. Ферменты акросомы помогают пройти через оболочки, поскольку без такого действия сперматозоид не смог бы достичь её плазматической мембраны.

Проникновение нескольких сперматозоидов нарушило бы соотношение наследственного материала и работу будущей зиготы. Поэтому после слияния первого сперматозоида с яйцеклеткой её оболочка быстро изменяется. Она становится непроницаемой для других сперматозоидов, и этот защитный механизм называют блоком полиспермии.

После проникновения сперматозоида ядро яйцеклетки и ядро сперматозоида сближаются. Их оболочки исчезают, а хромосомы объединяются в общем ядре или в единой системе наследственного материала зиготы. Так два гаплоидных набора образуют один диплоидный, который будет передаваться дочерним клеткам при дальнейших делениях.

При наружном оплодотворении гаметы встречаются вне тела самки, поэтому им нужна водная среда или другая влажная среда, где клетки не высохнут и смогут перемещаться. При внутреннем оплодотворении встреча происходит в организме самки, что лучше защищает гаметы и ранний зародыш. В обоих случаях оплодотворение объединяет наследственные признаки родителей, поэтому потомок получает сочетание генов обоих.

Основные этапы оплодотворения и их результат

Таблицу удобно читать сверху вниз: каждый этап создаёт условие для следующего. В графе «Результат» указано, какое изменение произошло после действия участников процесса. Если нарушается блокировка других сперматозоидов, нормальное образование зиготы оказывается под угрозой.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите, какие клетки участвуют в оплодотворении человека и какой набор хромосом имеет каждая из них до слияния. Нужно не перепутать гаметы с клетками тела и определить их набор до завершения процесса. Для человека диплоидное число хромосом равно 46.

1. Оплодотворение обеспечивают две гаметы: яйцеклетка и сперматозоид.
2. Гаметы образуются мейозом, поэтому каждая содержит половину видового набора: 23 хромосомы.
3. Следовательно, до слияния яйцеклетка и сперматозоид имеют гаплоидный набор, а не диплоидный.

Ответ: участвуют яйцеклетка и сперматозоид; у каждой клетки гаплоидный набор — 23 хромосомы.

Задача 2

Условие: расположите события: образование зиготы, проникновение сперматозоида, изменение оболочки яйцеклетки, слияние ядер. Нужно установить не только порядок, но и причинную связь между событиями. Одно событие становится возможным лишь после предыдущего.

1. Сначала сперматозоид проникает в яйцеклетку с помощью ферментов акросомы.
2. Сразу после этого оболочка яйцеклетки изменяется и блокирует другие сперматозоиды.
3. Затем сливаются ядра мужской и женской гамет, а результатом этого слияния становится образование зиготы.

Ответ: проникновение сперматозоида → изменение оболочки яйцеклетки → слияние ядер → образование зиготы.

Задача 3

Условие: объясните, почему попадание нескольких сперматозоидов обычно нарушает развитие зародыша и какое значение имеет блок полиспермии. Важно связать защитное изменение оболочки с числом хромосом в зиготе. Нормальное развитие требует точного набора наследственного материала.

1. Каждый сперматозоид несёт свой гаплоидный набор хромосом.
2. При проникновении нескольких сперматозоидов в яйцеклетку к женскому набору добавляется лишний наследственный материал.
3. Из-за этого нарушаются число хромосом и последующее деление клеток, поэтому зародыш обычно не развивается нормально.

Ответ: блок полиспермии не допускает лишние сперматозоиды и сохраняет возможность образования зиготы с нормальным диплоидным набором.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Оплодотворение считают только проникновением сперматозоида. Так происходит из-за смешения промежуточного этапа и полного результата процесса. Проверьте себя: в определении должны быть слияние гамет, образование зиготы и начало развития.

Ошибка 2. Яйцеклетку и сперматозоид называют диплоидными клетками. Ошибка возникает, когда гамету путают с зиготой или обычной клеткой тела. Проверка проста: до слияния гаметы гаплоидны, а диплоидный набор появляется у зиготы.

Ошибка 3. Утверждают, что в зиготе сохраняется гаплоидный набор. На самом деле два гаплоидных набора объединяются при слиянии ядер. Чтобы проверить ответ, сложите наборы обеих гамет и определите результат.

Ошибка 4. Оплодотворение путают с размножением или делением клетки. Оплодотворение образует зиготу, а её последующие деления обеспечивают рост и развитие зародыша. Если в ответе говорится только о делении, значит, описан уже следующий этап.

Связь с другими темами

До изучения оплодотворения нужны знания о строении клетки, митозе и мейозе, половых клетках, а также о гаплоидном и диплоидном наборах. Они помогают понять, откуда берутся гаметы и почему их слияние не вызывает постоянного удвоения числа хромосом.

С генетикой оплодотворение связано объединением наследственного материала двух родителей. В результате формируется генотип потомка, поэтому он сочетает признаки матери и отца, но не является точной копией одного из них.

Дальше эти знания пригодятся при изучении эмбрионального развития, наследования признаков, размножения организмов и репродуктивного здоровья человека. Последовательность событий помогает объяснить, как одна клетка превращается в сложный организм.

Что запомнить

• Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет.
• Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом.
• В результате оплодотворения образуется диплоидная зигота.
• Акросома помогает сперматозоиду проникнуть через оболочки яйцеклетки.
• Изменение оболочки яйцеклетки препятствует проникновению других сперматозоидов.
• Оплодотворение объединяет наследственный материал двух родителей.
• Зигота становится началом развития нового организма.