§ 30. Сперматогенез и овогенез

Определения и обозначения

Сперматогенез — образование и созревание мужских половых клеток. Он включает размножение исходных клеток, их рост, мейоз и формирование сперматозоидов. Этот процесс обеспечивает появление гамет с половинным набором хромосом, которые участвуют в оплодотворении.

Овогенез — образование и созревание женских половых клеток. Во время него исходная клетка проходит рост и мейоз, но деления распределяют цитоплазму неравномерно. В результате сохраняется одна крупная яйцеклетка, способная обеспечить начало развития зародыша.

Сперматогоний — исходная диплоидная клетка сперматогенеза, размножающаяся митозом. Диплоидная означает, что в клетке два набора хромосом — 2n. Митотическое размножение создаёт запас клеток для дальнейшего созревания, не меняя этот набор.

Оогоний — исходная диплоидная клетка овогенеза, которая размножается митозом. Она увеличивает число клеток-предшественников, сохраняя в каждой полный набор хромосом. Часть таких клеток затем растёт и вступает в мейоз, чтобы дать начало яйцеклетке.

Как это устроено

На этапе размножения сперматогонии и оогонии делятся митозом. При митозе наследственный материал распределяется между двумя дочерними клетками так, чтобы обе получили полный набор хромосом. Поэтому число исходных клеток возрастает, но каждая из них остаётся диплоидной и может продолжить развитие.

Затем часть клеток вступает в период роста. Им нужны вещества и органеллы, чтобы обеспечить работу клетки во время сложных делений и последующего созревания. Растущая клетка копирует ДНК перед мейозом и становится сперматоцитом первого порядка или ооцитом первого порядка; обе эти клетки диплоидны.

Мейоз состоит из двух последовательных делений. В первом гомологичные хромосомы, то есть хромосомы одной пары, расходятся в разные клетки, поэтому число наборов уменьшается с 2n до n. Во втором делении расходятся сестринские хроматиды, и в результате образуются клетки с гаплоидным набором, необходимым для восстановления диплоидности при оплодотворении.

При сперматогенезе деления мейоза обычно дают четыре клетки примерно равного размера — сперматиды. При овогенезе цитоплазма делится неравномерно: одна из клеток получает почти весь её запас и становится крупной, а остальные превращаются в полярные тельца. Так яйцеклетка сохраняет вещества, нужные для первых этапов развития, тогда как полярные тельца обычно не становятся функциональными гаметами.

После мейоза сперматиды проходят формирование: они меняют строение и приобретают характерную для сперматозоидов форму, включая жгутик для движения. Овогенез устроен иначе по времени: мейоз начинается ещё до рождения, затем останавливается на длительный срок и продолжается позднее. Второе деление обычно завершается только после оплодотворения, поэтому созревание яйцеклетки не является непрерывным процессом.

Сравнение сперматогенеза и овогенеза

Сравнивайте процессы по этапам, а не только по конечному числу клеток. Особенно полезно различать число продуктов деления и число функциональных гамет: при овогенезе не все образовавшиеся клетки становятся яйцеклетками. Набор n у обеих зрелых гамет нужен для того, чтобы после их слияния зигота получила 2n.

Разбор задач

Задача 1. В схеме сперматогенеза диплоидный сперматоцит первого порядка проходит мейоз. Укажите набор хромосом в образовавшихся клетках и их число.

1. После первого деления гомологичные хромосомы расходятся по разным клеткам. Поэтому образуются два гаплоидных сперматоцита второго порядка с набором n.
2. Каждый из этих сперматоцитов проходит второе деление мейоза. Сестринские хроматиды расходятся, и из двух клеток получается четыре.
3. В каждой из четырёх клеток остаётся по одному набору хромосом. Эти клетки называются гаплоидными сперматидaми, а позднее они формируются в сперматозоиды.

Ответ. Образуются четыре сперматиды, каждая с гаплоидным набором n. При подсчёте важно не умножать число хромосом на два после второго деления: оно разделяет хроматиды, а не возвращает диплоидность.

Задача 2. Сравните результат мейоза при овогенезе и сперматогенезе: сколько функциональных гамет образуется из одной исходной клетки и чем объясняется различие?

1. При сперматогенезе после двух делений мейоза возникают четыре клетки. Обычно все четыре становятся сперматозоидами, так как цитоплазма распределяется достаточно равномерно.
2. При овогенезе число продуктов деления тоже может быть больше одного, но цитоплазма распределяется неравно. Одна клетка получает почти весь её объём и становится яйцеклеткой.
3. Остальные продукты мейоза — полярные тельца — получают хромосомный набор, но мало цитоплазмы. Поэтому они обычно не способны выполнять роль яйцеклетки и разрушаются.

Ответ. Из одной исходной клетки сперматогенеза обычно формируются четыре функциональные гаметы, а при овогенезе — одна. Различие объясняется не числом делений, а распределением цитоплазмы и разными задачами половых клеток.

Задача 3. Развитие женской половой клетки началось до рождения, затем наступила длительная остановка, а второе деление завершилось после оплодотворения. Определите процесс и объясните последовательность событий.

1. Начало до рождения и длительная остановка характерны для овогенеза. В яичниках формируются ооциты первого порядка, которые вступают в мейоз и надолго задерживаются в его ходе.
2. Позднее, в ходе созревания, мейоз возобновляется. После первого деления образуются вторичный ооцит и полярное тельце, а вторичное деление начинается, но снова останавливается.
3. Проникновение сперматозоида служит условием для возобновления второго деления. После его завершения формируется зрелая яйцеклетка, а также полярное тельце.

Ответ. Описан овогенез: он начинается до рождения, проходит с остановками и обычно завершается только после оплодотворения. Порядок событий помогает отличить его от сперматогенеза, который не имеет таких длительных остановок.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что число хромосом уменьшается вдвое после каждого деления мейоза. Так рассуждают, потому что мейоз включает два деления подряд, но первое разделяет гомологичные хромосомы, а второе — сестринские хроматиды. Проверьте себя: гаплоидный набор появляется после первого деления, а второе его не меняет.

Ошибка: считать все клетки, образовавшиеся при овогенезе, функциональными гаметами. Путаница возникает из-за того, что считают только клетки, не учитывая их размер и судьбу. Сверьте результат: яйцеклеткой становится одна крупная клетка, а полярные тельца обычно разрушаются.

Ошибка: полагать, что яйцеклетка и сперматозоид одинаковы по размеру и запасу цитоплазмы. При этом упускают, что гаметы выполняют разные задачи: яйцеклетка снабжает первые этапы развития веществами, а сперматозоид доставляет наследственный материал и активно движется. Проверка проста: сопоставьте размер клеток и их функции, а не только общий гаплоидный набор.

Ошибка: думать, что овогенез непрерывен и полностью заканчивается до оплодотворения. Такое предположение появляется, если запомнить только последовательность делений, не учитывая остановки. Чтобы проверить себя, вспомните: мейоз начинается до рождения, второе деление приостанавливается и обычно завершается после оплодотворения.

Связь с другими темами

Для понимания гаметогенеза нужно различать митоз и мейоз, а также диплоидный набор 2n и гаплоидный набор n. При оплодотворении гаплоидные наборы яйцеклетки и сперматозоида объединяются, и у зиготы восстанавливается диплоидность. Эти знания помогают разбирать закономерности наследственности, начальные этапы индивидуального развития и вопросы репродуктивного здоровья.

Что запомнить

• Исходные клетки гаметогенеза диплоидны и размножаются митозом.
• Мейоз приводит к образованию гаплоидных клеток.
• При сперматогенезе из одной клетки после мейоза обычно образуются четыре сперматиды.
• При овогенезе формируется одна крупная яйцеклетка и полярные тельца.
• Сперматозоиды приобретают характерную форму в период формирования.
• Мейоз при овогенезе протекает с остановками и завершается после оплодотворения.