3.7. Оплодотворение

Определения и обозначения

Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет с образованием первой клетки нового организма. Гаметы — половые клетки, несущие наследственную информацию родителей. Оплодотворение объединяет эту информацию и запускает развитие нового организма.

Зигота — диплоидная клетка, возникающая при слиянии гамет и дающая начало зародышу. Диплоидный набор обозначают 2n: в нём есть пары хромосом, полученные от обоих родителей. Зигота — начальная клетка нового организма, а не уже сформировавшийся зародыш.

Наружное оплодотворение — слияние гамет вне организма, обычно в водной среде. Вода помогает клеткам сохранять жизнеспособность и встречаться. Этот термин описывает место слияния гамет, а не место, где затем будет развиваться зародыш.

Внутреннее оплодотворение — слияние гамет внутри организма самки. Внутренняя среда защищает половые клетки от высыхания и других неблагоприятных воздействий. Такой способ повышает вероятность оплодотворения, хотя сам по себе не означает, что зародыш обязательно развивается внутри тела самки.

Как это устроено

Ядра яйцеклетки и сперматозоида обычно имеют гаплоидный набор хромосом, то есть по одному набору — n. Когда они сливаются, хромосомы объединяются: n + n = 2n. Так восстанавливается диплоидность, характерная для клеток большинства организмов. Это важно, потому что каждое поколение получает полный набор хромосом, а не постепенно уменьшающийся при образовании гамет.

У животных сначала гаметы должны встретиться, а затем сперматозоид проникает в яйцеклетку. После этого ядра гамет сливаются, и возникает зигота. Именно слияние ядер завершает объединение наследственного материала, поэтому одно лишь проникновение сперматозоида ещё не описывает весь процесс оплодотворения. Зигота начинает делиться и даёт начало зародышу.

После проникновения одного сперматозоида оболочки яйцеклетки меняются, и проникновение следующих становится невозможным или резко затрудняется. Такая защита нужна потому, что слияние яйцеклетки с несколькими сперматозоидами привело бы к избытку хромосом. Зигота с неправильным набором часто не может нормально развиваться. Значит, блокировка повторного проникновения помогает сохранить обычное соотношение хромосом.

При наружном оплодотворении гаметы встречаются за пределами организма, поэтому особенно важна вода: она не даёт им быстро высохнуть и позволяет им перемещаться. Однако встреча клеток не гарантирована, а часть гамет гибнет или рассеивается. Поэтому многие организмы образуют большое число гамет — это повышает вероятность, что хотя бы часть из них сольётся. При внутреннем оплодотворении гаметы встречаются в организме самки, где они лучше защищены и вероятность их встречи выше.

У покрытосеменных в зародышевом мешке цветка участвуют два спермия. Один сливается с яйцеклеткой и образует клетку, из которой развивается зародыш. Второй соединяется с центральной клеткой; результат этого слияния даёт начало питательной ткани семени, обычно эндосперму. Благодаря двум слияниям в семени возникают и будущий организм, и ткань, обеспечивающая его питательными веществами.

Сравнение способов оплодотворения

Сначала сравнивайте место, где сливаются клетки: оно помогает отличить наружное оплодотворение от внутреннего. Затем посмотрите на результат, особенно в последнем столбце: у покрытосеменных происходят два разных слияния. Таблица не означает, что зародыш всегда развивается там же, где произошло оплодотворение.

Разбор задач

Задача 1

У гамет организма наборы хромосом n = 12. Определите набор хромосом в зиготе. Нужно учесть, что зигота образуется при объединении ядер двух гамет, а не при делении одной гаметы. Поэтому складываем их гаплоидные наборы.

1. Записываем набор яйцеклетки: n = 12.
2. Записываем набор сперматозоида: n = 12.
3. Складываем наборы: 12 + 12 = 24 хромосомы, то есть 2n = 24.

Ответ: в зиготе 24 хромосомы. Проверка: число в зиготе вдвое больше числа в одной гамете, поскольку гаметы дают по одному набору.

Задача 2

Установите, какой способ оплодотворения характерен для рыб и для млекопитающих, и объясните различие в числе образуемых гамет. Вопрос требует связать место встречи клеток с условиями среды. У многих рыб оплодотворение наружное и происходит в воде, а у млекопитающих — внутреннее, в организме самки.

1. Определяем место слияния гамет у рыб: обычно они сливаются вне тела, в воде.
2. Определяем способ у млекопитающих: сперматозоид встречается с яйцеклеткой внутри организма самки.
3. Сравниваем вероятность встречи: при наружном способе гаметы рассеиваются и могут погибнуть, поэтому их образуется много; при внутреннем условия защищённее и встреча вероятнее.

Ответ: для рыб характерно наружное, а для млекопитающих — внутреннее оплодотворение. Большое число гамет при наружном способе компенсирует меньшую вероятность их встречи; это общее объяснение, а не одинаковое правило для каждого вида.

Задача 3

У покрытосеменного растения один спермий слился с яйцеклеткой, а второй — с центральной клеткой. Укажите результаты обоих слияний и их значение для семени. Здесь нельзя считать оба спермия участниками одного и того же события. Нужно отдельно проследить, какая структура образуется после каждого слияния.

1. Слияние первого спермия с яйцеклеткой приводит к образованию зиготы.
2. Зигота развивается в зародыш — будущий организм растения.
3. Слияние второго спермия с центральной клеткой даёт начало питательной ткани семени, обычно эндосперму.

Ответ: первое слияние обеспечивает образование зародыша, второе — питательной ткани. Она снабжает развивающийся зародыш запасом питательных веществ; вместе эти результаты составляют двойное оплодотворение.

Типичные ошибки

Считать оплодотворением только проникновение сперматозоида. Само проникновение — лишь один этап, после которого нужно объединение ядер и образование зиготы. Ошибку допускают, потому что именно проникновение заметно выделяется в описании процесса. Проверяй себя вопросом: завершилось ли слияние ядер и возникла ли зигота?

Называть зиготу гаплоидной. Гаметы имеют набор n, но при их слиянии наборы складываются и зигота обычно получает 2n. Путаница возникает, если переносить характеристику гамет на клетку, образованную из них. Проверка проста: запиши n + n = 2n.

Смешивать способ оплодотворения с местом развития зародыша. Наружное и внутреннее оплодотворение описывают, где сливаются гаметы, а не где затем развивается зародыш. Эти признаки путают, потому что оба связаны с местом. Чтобы проверить себя, уточни, о каком событии идёт речь: о слиянии клеток или о дальнейшем развитии зародыша.

Считать, что оба спермия у покрытосеменных сливаются с яйцеклеткой. Один спермий соединяется с яйцеклеткой, а другой — с центральной клеткой. Ошибка появляется, если забыть, что двойное оплодотворение включает два разных слияния. Проверь, названы ли в объяснении обе клетки-партнёра и два результата: зародыш и питательная ткань.

Связь с другими темами

Чтобы понять оплодотворение, нужно знать, что такое гаметы, мейоз и гаплоидный и диплоидный наборы хромосом: эти понятия объясняют, почему при слиянии клеток набор становится 2n. Образовавшаяся зигота начинает индивидуальное развитие и даёт начало зародышу. Двойное оплодотворение связано со строением цветка и размножением покрытосеменных; оно помогает понять образование семени и его питательной ткани.

Что запомнить

• Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет.
• В результате оплодотворения образуется зигота.
• Зигота обычно имеет диплоидный набор хромосом.
• Наружное оплодотворение обычно связано с водной средой.
• При внутреннем оплодотворении слияние гамет происходит в организме самки.
• У покрытосеменных происходит двойное оплодотворение.
• Два слияния у покрытосеменных дают начало зародышу и питательной ткани семени.