11. Половое размножение. Развитие половых клеток

Определения и обозначения

Половое размножение — появление потомства после слияния половых клеток. В отличие от бесполого размножения, здесь образование нового организма связано с объединением наследственного материала гамет. Это позволяет начать развитие потомка с клетки, получившей материал от обеих гамет.

Гамета — половая клетка с одинарным, или гаплоидным, набором хромосом (n). Такой набор нужен, чтобы при слиянии двух гамет не удваивалось число хромосом в каждом поколении. Гаметы участвуют в оплодотворении и дают начало зиготе.

Гаметогенез — процесс образования и развития половых клеток в половых железах. Он нужен организму, чтобы подготовить гаметы к оплодотворению: клетки проходят последовательные этапы развития. Мужской вариант этого процесса называют сперматогенезом, женский — овогенезом.

Мейоз — деление, при котором число хромосом в клетках уменьшается вдвое. Так из клетки с диплоидным набором (2n) возникают клетки с гаплоидным набором (n). Уменьшение необходимо, чтобы при слиянии гамет восстановился набор 2n.

Как это устроено

Половое размножение начинается с образования гамет, потому что для оплодотворения нужны специализированные половые клетки. При их слиянии возникает одна клетка — зигота, из которой развивается новый организм. Наследственный материал обеих гамет оказывается в одной клетке, и она становится началом развития потомка.

Развитие половых клеток включает размножение исходных клеток, их рост и созревание. На этапе размножения увеличивается число клеток-предшественниц, а во время роста клетка набирает вещества и увеличивается. При созревании происходят деления, связанные с мейозом; такая последовательность подготавливает клетки к участию в оплодотворении.

Мейоз уменьшает число хромосом вдвое, потому что при оплодотворении объединяются ядра двух гамет. Если бы гаметы сохраняли полный набор, число хромосом после каждого оплодотворения возрастало бы. Благодаря уменьшению набора в каждой гамете их слияние восстанавливает характерное для вида число хромосом.

При сперматогенезе деления одной исходной клетки приводят к появлению четырёх небольших клеток. Они проходят дальнейшее развитие и становятся функциональными гаметами. Их небольшой размер и подвижность помогают им перемещаться к яйцеклетке.

При овогенезе цитоплазма во время делений распределяется неравномерно. Большая её часть остаётся в одной клетке, поэтому та становится крупной яйцеклеткой с запасом веществ для начала развития зародыша. Мелкие направительные тельца получают мало цитоплазмы и обычно не становятся функциональными гаметами.

Сравнение развития мужских и женских половых клеток

Сравнивай процессы по каждой строке: так проще увидеть, что у них общего, а что различается. Особенно внимательно сопоставь число функциональных гамет и распределение цитоплазмы. Эти признаки объясняют, почему итог сперматогенеза и овогенеза неодинаков.

Разбор задач

Задача 1. У организма в клетках тела 2n хромосом. Определите набор хромосом в его гаметах и объясните, почему он такой.

1. Клетки тела имеют диплоидный набор, обозначенный 2n.
2. При образовании гамет происходит мейоз, который уменьшает число хромосом вдвое.
3. Следовательно, в каждой гамете будет набор n, то есть вдвое меньше, чем в клетке тела.

Ответ: в гаметах набор n. Он образуется при мейозе и позволяет восстановить набор 2n после слияния гамет.

Задача 2. Из одной клетки-предшественницы при сперматогенезе образовались четыре клетки. Укажите, какие из них могут стать зрелыми гаметами, и объясните результат процесса.

1. Учитываем, что при сперматогенезе деления одной исходной клетки приводят к четырём клеткам.
2. В ходе созревания все четыре клетки могут стать функциональными мужскими гаметами.
3. Мейоз обеспечивает каждой из них гаплоидный набор, а дальнейшее развитие формирует зрелые сперматозоиды.

Ответ: зрелыми гаметами могут стать все четыре клетки. Такой результат отличается от овогенеза, где функциональной яйцеклеткой становится одна клетка.

Задача 3. При овогенезе из одной исходной клетки формируются одна крупная клетка и несколько мелких. Объясните, чем они различаются по судьбе и почему цитоплазма распределяется неравномерно.

1. Большая часть цитоплазмы и запас веществ остаётся в крупной клетке.
2. Эта клетка может стать яйцеклеткой и обеспечить начало развития зародыша необходимыми веществами.
3. Мелкие направительные тельца получают мало цитоплазмы и не становятся функциональными яйцеклетками.

Ответ: функциональная гамета при овогенезе одна — крупная яйцеклетка. Неравномерное распределение позволяет сосредоточить запас веществ в клетке, от которой начинается развитие.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что гаметы имеют такой же набор хромосом, как клетки тела. Так думают, если не учитывают мейоз или смешивают понятия «клетка тела» и «половая клетка». Проверь себя: у гаметы набор n, а у клетки тела обычно 2n; это различие необходимо для восстановления набора при оплодотворении.

Ошибка — путать гамету и зиготу. Гамета — клетка, участвующая в оплодотворении, а зигота появляется после слияния гамет. Чтобы проверить себя, проследи последовательность: сначала гаметы, затем их слияние и образование зиготы.

Ошибка — утверждать, что при сперматогенезе и овогенезе из одной исходной клетки получается одинаковое число функциональных гамет. Путаница возникает из-за того, что в обоих процессах есть деления клеток. Сверь результат: при сперматогенезе функциональны четыре гаметы, а при овогенезе — одна крупная яйцеклетка.

Ошибка — считать, что мейоз нужен только для увеличения числа клеток. Деления действительно образуют новые клетки, но главный результат мейоза — уменьшение числа хромосом вдвое и получение клеток для полового размножения. Проверь ответ по набору: после мейоза он должен быть гаплоидным, n.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что хромосомы несут наследственную информацию, а набор хромосом клетки можно обозначить как n или 2n. В клетках тела обычно диплоидный набор 2n, а гаметы имеют гаплоидный набор n. Это различие помогает понять, почему при мейозе число хромосом уменьшается.

Знание о гаметах и мейозе пригодится при изучении оплодотворения: слияние гамет приводит к образованию зиготы и восстановлению диплоидного набора. Тема также связана с наследственностью, поскольку гаметы передают наследственный материал потомству. Понимание их образования помогает разбирать закономерности передачи признаков.

Что запомнить

• Половое размножение связано с образованием и слиянием гамет.
• Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом.
• Мейоз уменьшает число хромосом вдвое.
• При оплодотворении сливаются ядра гамет и восстанавливается диплоидный набор.
• Сперматогенез приводит к образованию четырёх функциональных гамет из одной исходной клетки.
• При овогенезе образуется одна крупная яйцеклетка и небольшие направительные тельца.