§ 31. Оплодотворение

Определения и обозначения

Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет, в результате которого обычно образуется зигота. Оно запускает развитие нового организма: после объединения клеток начинается последовательное деление и формирование зародыша. Это не образование половых клеток, а следующий этап размножения.

Зигота — первая клетка нового организма, возникающая при слиянии гамет. В ней объединяется наследственный материал обоих родителей, а обычно восстанавливается диплоидный набор хромосом. Именно из зиготы путём делений развивается зародыш.

Полиспермия — проникновение в яйцеклетку нескольких сперматозоидов. В этом случае в клетку попадает избыточный наследственный материал, и нормальное распределение хромосом при последующих делениях нарушается. Поэтому яйцеклетка после проникновения одного сперматозоида обычно блокирует остальных.

Двойное оплодотворение — процесс, характерный для цветковых растений, при котором один спермий сливается с яйцеклеткой, а другой — с центральной клеткой зародышевого мешка. Так одновременно начинаются развитие зародыша и образование ткани, которая будет его питать. Это позволяет понять, как у цветковых растений формируются части семени.

Как это устроено

Гаметы формируются в результате гаметогенеза — процесса образования половых клеток. Их набор хромосом отличается от набора соматических клеток: гаметы имеют по одному набору, то есть являются гаплоидными. Поэтому при слиянии мужской и женской клеток число наборов обычно становится диплоидным, как у большинства клеток организма. Если бы гаметы не уменьшали число хромосом заранее, при каждом оплодотворении оно удваивалось бы.

При наружном оплодотворении гаметы встречаются за пределами организмов, часто в воде. Водная среда позволяет им перемещаться и снижает риск высыхания, но сама по себе не гарантирует встречи. Поэтому такие животные обычно выделяют много гамет примерно одновременно: это повышает шанс, что часть половых клеток окажется рядом. Если гаметы выделены в разное время или сильно рассредоточены, вероятность оплодотворения падает.

При внутреннем оплодотворении слияние гамет происходит внутри организма самки. Сперматозоидам не требуется преодолевать внешнюю среду, поэтому встреча с яйцеклеткой становится вероятнее, а половые клетки и ранний зародыш защищены от высыхания. Такой способ особенно важен для размножения на суше, где свободное перемещение гамет в воде невозможно. Он не отменяет потерь, но повышает вероятность успешного развития по сравнению с открытым выделением гамет.

После контакта сперматозоида с яйцеклеткой его содержимое проникает внутрь, а затем сливаются ядра половых клеток. Так наследственный материал родителей оказывается в одной клетке. Вслед за этим меняются оболочки яйцеклетки: они становятся непроницаемыми для других сперматозоидов. Такая реакция препятствует полиспермии, при которой лишние хромосомные наборы обычно мешают нормальному развитию.

У цветковых растений мужские половые клетки — спермии — доставляются к зародышевому мешку по пыльцевой трубке. Туда поступают два спермия, и каждый участвует в отдельном слиянии: один соединяется с яйцеклеткой, другой — с центральной клеткой. Первое слияние даёт зиготу, из которой развивается зародыш. Второе приводит к образованию клетки, из которой развивается эндосперм — питательная ткань семени.

Сравнение наружного и внутреннего оплодотворения у животных

Сравнивайте способы по месту слияния гамет, а затем связывайте остальные признаки с условиями встречи. Большое количество гамет при наружном оплодотворении компенсирует их потери в окружающей среде. Примеры показывают общую закономерность, но у отдельных видов могут быть исключения.

Разбор задач

Задача 1. У рыбы гаметы выделяются в воду. Определите тип оплодотворения и назовите условие, необходимое для встречи гамет. Сначала установите, где происходит слияние клеток, а затем учтите, как они оказываются рядом.

1. Гаметы выходят из организмов и оказываются вне тела рыб.
2. Значит, слияние происходит во внешней среде, то есть это наружное оплодотворение.
3. Для встречи нужна водная среда, а выделение гамет примерно одновременно повышает вероятность слияния.

Ответ: оплодотворение наружное. Гаметы должны оказаться в воде и быть выделены так, чтобы встретиться; одно лишь наличие воды успеха не гарантирует. Это объясняет, почему важны условия размножения и синхронность.

Задача 2. В яйцеклетку проникли два сперматозоида. Определите название явления и объясните его последствия. Чтобы ответить, нужно проверить число сперматозоидов, попавших в яйцеклетку, и связать его с набором хромосом.

1. Проникновение в яйцеклетку более одного сперматозоида называется полиспермией.
2. Каждый сперматозоид приносит наследственный материал, поэтому в клетке оказывается лишний набор хромосом.
3. При делении хромосомы распределяются неправильно, что обычно нарушает развитие зародыша.

Ответ: это полиспермия, и она обычно препятствует нормальному развитию. После проникновения одного сперматозоида яйцеклетка должна изменить оболочки и заблокировать остальных. Так поддерживается правильное соотношение наследственного материала.

Задача 3. В зародышевом мешке цветкового растения один спермий слился с яйцеклеткой, а второй — с центральной клеткой. Назовите процесс и два его результата. Рассмотрите оба слияния отдельно, поскольку у них разные клеточные последствия.

1. Два спермия участвуют в двух слияниях, поэтому процесс называется двойным оплодотворением.
2. Слияние первого спермия с яйцеклеткой образует зиготу, из которой развивается зародыш.
3. Слияние второго спермия с центральной клеткой приводит к образованию клетки, из которой развивается эндосперм.

Ответ: это двойное оплодотворение. Его результаты — зигота и клетка, дающая начало эндосперму. Нельзя приписывать обоим спермиям слияние с яйцеклеткой: они участвуют в разных актах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать оплодотворением образование гамет. Эти процессы путают, потому что оба связаны с половыми клетками, но гаметы появляются при гаметогенезе, а оплодотворение — их последующее слияние. Проверьте себя вопросом: клетки уже образовались и соединились или речь только об их формировании?

Ошибка: путать опыление с оплодотворением. Пыльца переносится на рыльце пестика при опылении, поэтому оно служит условием дальнейших событий, но не означает слияния гамет. Чтобы проверить ответ, выясните, произошло ли соединение спермия с яйцеклеткой или центральной клеткой.

Ошибка: думать, что при двойном оплодотворении оба спермия сливаются с яйцеклеткой. Так можно решить, что два акта одинаковы, если не проследить судьбу каждого спермия. Проверьте себя: один участвует в образовании зиготы, а второй сливается с центральной клеткой и участвует в образовании эндосперма.

Ошибка: полагать, что для наружного оплодотворения достаточно присутствия воды. Вода облегчает встречу гамет, но они могут не встретиться, если выделены в разное время или далеко друг от друга. Проверяя ответ, учитывайте не только среду, но и одновременность выделения и вероятность встречи клеток.

Связь с другими темами

Для понимания оплодотворения нужно знать строение половых клеток, различия гаплоидного и диплоидного наборов и этапы гаметогенеза. Эти знания объясняют, почему слияние гамет обычно восстанавливает диплоидный набор. Оплодотворение связано с размножением и индивидуальным развитием: образование зиготы запускает развитие зародыша.

У цветковых растений двойное оплодотворение связывает образование половых клеток с формированием семени. Зигота даёт начало зародышу, а из клетки после второго слияния развивается эндосперм, обеспечивающий его питательными веществами. Поэтому понимание этого процесса помогает разобраться в строении семени и роли его частей.

Что запомнить

• Оплодотворение — слияние мужской и женской гамет.
• При слиянии гамет обычно восстанавливается диплоидный набор хромосом.
• Зигота — первая клетка нового организма.
• Наружное оплодотворение происходит вне организма, обычно в воде.
• Внутреннее оплодотворение происходит в организме самки.
• У цветковых растений двойное оплодотворение приводит к образованию зиготы и эндосперма.