§ 31. Образование половых половых клеток и оплодотворение

Определения и обозначения

Гаметогенез — образование и развитие половых клеток, или гамет. Он происходит в половых железах: семенниках у мужчин и яичниках у женщин. В него входят размножение клеток-предшественников, их рост и созревание; это позволяет получить клетки, способные участвовать в оплодотворении.

Сперматогенез — образование и созревание сперматозоидов. Он протекает в семенных канальцах семенников. Результат полного созревания одной исходной клетки — четыре функциональных сперматозоида, приспособленных к передвижению и доставке наследственного материала.

Овогенез — образование и созревание яйцеклеток в яичниках. В отличие от сперматогенеза, из одной исходной клетки получается одна крупная функциональная яйцеклетка, а также полярные тельца. Такое распределение нужно, чтобы яйцеклетка сохранила основную часть цитоплазмы и запасов для начального развития.

Оплодотворение — слияние мужской и женской половых клеток с образованием зиготы, первой клетки нового организма. При этом объединяются наследственный материал и гаплоидные наборы хромосом обеих гамет. Процесс необходим для начала развития зародыша и восстановления диплоидного набора.

Как это устроено

Половые клетки развиваются из клеток-предшественников в половых железах. Сначала клетки размножаются делением, увеличивая число тех, которые могут вступить в дальнейшее развитие. Затем часть клеток растёт и специализируется: они накапливают необходимые вещества и готовятся к созреванию. Это разделение стадий позволяет сначала получить достаточное количество исходных клеток, а затем сформировать из них гаметы.

В гаметогенезе выделяют размножение, рост и созревание. При размножении клетки-предшественники делятся, обычно митозом, и образуют новые клетки с исходным набором хромосом. На этапе роста клетка увеличивается и готовится к последующим делениям. Во время созревания происходят деления мейоза, после которых возникают клетки с уменьшенным набором хромосом.

Мейоз уменьшает исходный диплоидный набор, обозначаемый 2n, вдвое: зрелая гамета получает гаплоидный набор n. Это необходимо потому, что при оплодотворении ядра двух гамет объединяются. Если бы каждая гамета сохраняла полный набор, число хромосом зиготы удваивалось бы при каждом поколении. Благодаря мейозу и последующему оплодотворению набор вида остаётся постоянным.

При сперматогенезе после мейоза из одной исходной клетки формируются четыре функциональные клетки. Они получают сравнительно мало цитоплазмы и превращаются в небольшие сперматозоиды с приспособлениями для движения. Небольшой размер облегчает перемещение, а большое количество образующихся клеток повышает вероятность встречи одной из них с яйцеклеткой.

При овогенезе деление цитоплазмы во время созревания неравномерно. Одна клетка получает почти всю цитоплазму и становится яйцеклеткой, а меньшие клетки — полярными тельцами — получают мало её содержимого. Так в яйцеклетке сохраняются вещества, нужные для первых этапов развития. Её ядро при этом содержит гаплоидный набор, а после слияния с ядром сперматозоида в зиготе восстанавливается диплоидный набор.

Сравнение сперматогенеза и овогенеза

Сначала сравните место образования и результат созревания: это помогает не путать число функциональных гамет. Затем обратите внимание на распределение цитоплазмы — оно объясняет, почему яйцеклетка крупнее сперматозоида. В таблице указаны общие особенности процессов, а детали могут зависеть от организма.

Разбор задач

Задача 1. В клетке-предшественнице гаметы диплоидный набор хромосом. Определите, какой набор будет у зрелой гаметы и почему.

1. Диплоидный набор обозначают 2n: в клетке есть пары гомологичных хромосом.

2. При созревании гаметы проходит мейоз, который уменьшает число хромосом вдвое.

3. Значит, зрелая гамета получает одинарный, гаплоидный набор n. Он нужен, чтобы при слиянии двух гамет образовался диплоидный набор зиготы.

Ответ: зрелая гамета гаплоидна, её набор — n, то есть вдвое меньше исходного диплоидного набора.

Задача 2. Сравните результаты созревания одной исходной клетки при сперматогенезе и овогенезе: укажите число образующихся функциональных гамет и объясните различие.

1. В сперматогенезе после делений одна исходная клетка даёт четыре клетки, которые становятся функциональными сперматозоидами.

2. В овогенезе тоже происходят деления созревания, но цитоплазма распределяется между продуктами неравномерно.

3. Большая часть цитоплазмы и запасов достаётся одной клетке — яйцеклетке; полярные тельца получают мало содержимого и обычно не функционируют как гаметы.

Ответ: сперматогенез даёт четыре функциональные гаметы, а овогенез — одну яйцеклетку. Различие связано с тем, что яйцеклетке нужен запас веществ для начального развития, тогда как сперматозоиды специализируются на передвижении и доставке наследственного материала.

Задача 3. У гамет одного вида диплоидное число хромосом равно 24. Определите число хромосом в зиготе после слияния гамет и объясните, почему оно не удваивается в каждом поколении.

1. Сначала уточним обозначение: диплоидное число вида — 2n = 24. В каждой гамете находится половина этого числа, то есть n = 12.

2. При оплодотворении объединяются наборы двух гамет: 12 хромосом от одной и 12 от другой.

3. Получаем 12 + 12 = 24 хромосомы в зиготе. В каждом поколении мейоз снова уменьшает набор в гаметах вдвое.

Ответ: в зиготе 24 хромосомы. Их число не удваивается, потому что мейоз создаёт гаметы с половинным набором, а оплодотворение восстанавливает диплоидный.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что мейоз происходит после оплодотворения. Такое представление возникает, если смешать образование гамет и начало развития зиготы. На самом деле мейоз формирует гаплоидные гаметы до их слияния, а после оплодотворения начинается развитие зиготы. Проверьте себя: расположите события по порядку — мейоз, образование гамет, оплодотворение.

Ошибка: путать число клеток, образующихся при сперматогенезе и овогенезе. Часто считают, что одинаковые деления обязательно дают одинаковый результат. При овогенезе цитоплазма распределяется неравномерно, поэтому функциональной яйцеклеткой становится одна клетка. Проверка: отдельно посчитайте все продукты деления и функциональные гаметы.

Ошибка: считать полярные тельца равноценными яйцеклетке. Они возникают при делениях овогенеза, поэтому их иногда принимают за несколько дополнительных яйцеклеток. Однако полярные тельца получают мало цитоплазмы и обычно не участвуют в развитии зародыша. Проверьте, какая клетка сохранила основную часть цитоплазмы и запасов.

Ошибка: называть оплодотворением простое сближение гамет. Сближение может предшествовать процессу, но само по себе не означает объединения клеток. Оплодотворение включает слияние гамет и образование зиготы. Для проверки назовите результат процесса: если зигота не образовалась, оплодотворение не завершилось.

Связь с другими темами

Для понимания гаметогенеза нужны знания о строении клетки, хромосомах и различиях между диплоидным и гаплоидным наборами. Также важно представлять основные этапы мейоза: именно он объясняет уменьшение числа хромосом в гаметах. Эти знания помогают проследить, как наследственный материал передаётся потомству.

Тема пригодится при изучении наследственности и изменчивости, индивидуального развития организмов и размножения. Объединение наследственного материала двух гамет связано с передачей признаков, а зигота начинает развитие нового организма. Сравнение сперматогенеза и овогенеза показывает, как строение половых клеток связано с их функциями.

Что запомнить

• Гаметогенез — образование и созревание половых клеток.
• Мейоз уменьшает число хромосом в гамете вдвое.
• Сперматогенез приводит к образованию четырёх функциональных сперматозоидов из одной исходной клетки.
• При овогенезе формируется одна крупная яйцеклетка и полярные тельца.
• Яйцеклетка содержит запас цитоплазмы и веществ для начального развития.
• При оплодотворении гаметы сливаются, образуя зиготу с диплоидным набором хромосом.