Размножение. Виды размножения. Половое размножение. Строение сперматозоидов и яйцеклетки. Оплодотворение

 

 

Содержание

 

Введение

Благодаря размножению осуществляются смена и материальная преемственность поколений. В ходе размножения создаются уникальные комбинации наследственного материала и закрепляются возникающие у отдельных особей наследственные изменения. Это обусловливает генетическое разнообразие особей в пределах вида и служит основой для изменчивости вида и дальнейшей его эволюции.

В процессе размножения особи родительского поколения передают потомкам генетическую информацию, обеспечивающую воспроизведение у них как признаков конкретных родителей, так и вида, которому они принадлежат.

Таким образом, размножение, а точнее осуществляемая в ходе размножения смена поколений, служит непременным условием поддержания во времени биологических видов и жизни как таковой. Обычно выделяют два основных типа размножения: бесполое и половое.

 

1. Размножение. Виды размножения. Половое  размножение. Строение сперматозоидов  и яйцеклетки. Оплодотворение

1.1. Понятие и виды размножения

Размножение — это способность организмов производить себе подобных представителей того же вида.

Известны две основные формы размножения: половое и бесполое.

Половым размножением называется смена поколений и развитие организмов на основе слияния специализированных — половых — клеток и образования зиготы. При бесполом размножении новая особь появляется из неспециализированных клеток тела — соматических, неполовых. В природе существуют разные варианты двух основных форм размножения.

Некоторые простейшие делятся митозом. У споровых растений (водоросли, грибы. мхи, плауны, папоротники) и грибов широко распространено размножение путем спорообразования. В благоприятных условиях каждая спора дает одну особь. Часто споры покрыты плотной оболочкой, защищающей клетки от неблагоприятных внешних воздействий. Спо-рообразование встречается и у простейших (тип споровиков).

Почкование заключается в том, что на материнской клетке первоначально образуется небольшой бугорок, содержащий ядро. Почка растет, достигает размеров материнской и затем отделяется от нее (дрожжевые грибы, некоторые инфузории). У многоклеточных животных (пресноводная гидра) почка состоит из эктодер-иы и энтодермы — обоих слоев стенки тела. Почка удлиняется и на переднем конце образуется ротовое отверстие с окружающими его щупальцами. Почкование завершается образованием маленькой гидры, которая может отделиться от материнского организма и начать самостоятельное существование.

У растений бесполое размножение может происходить частями вегетативного тела — черенками, усами, клубнями, листьями и т. д. Такое размножение называется вегетативным.

При любых формах бесполого размножения все потомки имеют генотип, идентичный материнскому. Бесполое размножение приводит к увеличению численности особей данного вида, но не сопровождается повышением генетического разнообразия внутри вида. Новые признаки, которые могут оказаться полезными при изменении условий среды, появляются только в результате мутаций.

1.2. Половое размножение

Появление полового процесса дало колоссальные генетические преимущества по сравнению с бесполым размножением. При половом процессе происходит комбинация генов, до этого принадлежавших обоим родителям. Поскольку в норме рекомбинация каждой пары генов осуществляется в каждом поколении, то приспособительные комбинации генов возникают гораздо чаще за счет рекомбинаций, чем за счет относительно редких мутаций. Разнообразие генотипов особей, составляющих вид, обеспечивает возможность более успешного и быстрого приспособления вида

к меняющимся условиям обитания, освоения новых экологических ниш и т. д.

Половое размножение в отличие от бесполого всегда происходит путем слияния двух специализированных половых клеток — яйцеклеток и сперматозоидов, образующихся в половых железах. Основное направление эволюции полового размножения — сингамия, т. е. оп-дрдотворение, при котором обязательно слияние двух половых клеток, происходящих от разных особей. Такой тип полового размножения наилучшим образом обеспечивает генетическое разнообразие потомства. Сперматозоиды обычно подвижны и имеют небольшие размеры. Их функция — доставка хромосомного набора в яйцеклетку. Яйцеклетки, как правило, неподвижны и имеют значительно большие размеры, чем сперматозоиды.

1.3. Сперматозоиды и яйцеклетки: развитие, строение

Сперматозоиды развиваются в семенниках, яйцеклетки — в яичниках. Зрелые половые клетки несут одинарный (гаплоидный) набор хромосом. Число хромосом в гаплоидном наборе всегда в два раза меньше, чем в соматических (диплоидных) клетках. Число хромосом принято обозначать буквой п, количество ДНК в хромосомном наборе — буквой с. Следовательно, в соматических клетках хромосомный набор обозначается в половых клетках.

В развитии половых клеток выделяют ряд стадий (рис. 1.). На первой стадии сперматогенеза—стадии размножения — первичные половые клетки делятся митозом. Затем некоторые из них после удвоения хромосом (2п4с) вступают в стадию роста. При образовании мужских половых клеток рост выражен слабо. После -завершения этого периода клетки вступают в период созревания и называются сперматоцитами I порядка. В процессе созревания (мейоза) клетки двукратно делятся.

I деление созревания (или I мейотическое  деление) протекает следующим образом. Профаза начинается стирализацией  хромосом. Они видны в виде тонких слабо окрашивающихся нитей. Затем гомологичные хромосомы сближаются, и каждая точка одной хромосомы совмещается с соответствующей точкой другой гомологичной хромосомы. Процесс тесного и точного сближения гомологичных хромосом в мейозе называется конъюгацией.

В процессе конъюгации гомологичные хромосомы сближаются и удерживаются рядом благодаря образованию каждой хроматидой нитей толщиной 1,5—2,0 нм, растущих по направлению к одной из хроматид второй (гомологичной) хромосомы. Нити на конце утолщены. Утолщения нитей двух противостоящих несестринских хроматид соединяются наподобие застежки «молния». Благодаря образованию таких мостиков гомологичные хромосомы могут долго находиться в сближенном состоянии. Во время профазы между конъюгированными хромосомами может происходить обмен гомологичными участками — кроссинговер. К концу профазы гомологичные хромосомы разъединяются в области центромер, оставаясь соединенными в области плеч.

В метафазе I деления созревания конъюгированные хромосомы располагаются по экватору клетки. В этот момент спирализация хромосом достигает максимума. Центромеры обращены к полюсам.

В анафазе гомологичные хромосомы расходятся к полюсам. Следовательно, из каждой пары гомологич-ных хромосом в дочернюю клетку попадает только одна. Число хромосом уменьшается в два раза, и образовавшиеся сперматоциты II порядка содержат одинарный, гаплоидный набор хромосом. Поэтому первое мейотиче-ское деление носит название редукционного (от лат. средукцио» — уменьшение). Следует помнить, что в период созревания вступают диплоидные клетки, удвоившие количество ДНК еще в периоде размножения. Их хромосомный набор можно обозначить как 2л4с. После расхождения в анафазе I деления хромосомы остаются удвоенными. В результате редукционного деления клетки содержат гаплоидное число хромосом и двойное количество ДНК (1п2с), которое приводится в соответствие с хромосомным набором во время следующего. II мейо-тического деления. В анафазе этого деления к полюсам расходятся хроматиды и образующиеся клетки (спер-матиды) получают хромосомный набор, равный \п\с. Последний период сперматогенеза — период формирования. Клетка приобретает вид, характерный для зрелого сперматозоида. В результате мейоза из одной первичной половой клетки образуются четыре сперматозоида с гаплоидным набором хромосом.

От митотического деления соматических клеток мей-оз отличается рядом особенностей.

1. Профаза I мейотического деления  занимает очень большой промежуток  времени. Во время профазы гомологичные хромосомы конъюгируют и могут обмениваться участками (кроссинговер).

2. В метафазе I мейотического деления  по экватору клетки располагаются  не отдельные хромосомы, а пары  конъюгированных хромосом.

3. В анафазе I мейотического деления  к полюсам расходятся хромосомы, а не хроматиды, как в митозе.

4. Между I и II мейотическими делениями  не синтезируется ДНК

5. Силы отталкивания в мейозе  проявляются в области центромер, в то время как в митозе вначале разъединяются плечи хроматид.

При овогенезе первичные половые клетки после удвоения количества ДНК вступают в продолжительный период роста. В цитоплазме овоцита первого порядка накапливаются запасные питательные вещества — желток. Размеры клетки за этот период увеличиваются в сотни и тысячи раз. Выросшие овоциты приступают к созреванию. Во время I мейотического деления, как и при сперматогенезе, образуются два гаплоидных набора хромосом (\п2с), но овоцит не делится на две равные клетки. Один хромосомный набор в составе так называемого направительного тельца отделяется от оставшейся крупной клетки — овоцита второго порядка. Затем происходит второе деление созревания, при котором образуется второе направительное тельце (In 1с). Первое направительное тельце может разделиться, и всего из овоцита образуются четыре клетки: три мелкие, вскоре погибающие, и одна крупная — яйцеклетка, в цитоплазме которой остается весь накопленный в период роста желток. Следовательно, биологический смысл формирования направительных телец заключается в необходимости сохранения в яйцеклетке максимального количества желтка, требующегося для развития будущего зародыша. Достигается это путем утраты полноценных с генетической точки зрения хромосомных наборов, входящих в состав направительных телец.

Биологическая роль мейоза заключается в поддержа-нии постоянства хромосомного набора, свойственного данному виду организмов. При оплодотворении — слиянии половых клеток—в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом.

В результате спермато- и овогенеза образуются половые клетки генетически равноценные и содержащие гаплоидный набор хромосом. Но они неравноценны с точки зрения вклада в обеспечение развития будущего организма. Функция сперматозоида — внесение генетической информации в яйцеклетку и активация ее развития. По своему строению сперматозоид специализирован для выполнения этой функции. В яйцеклетке же заложены все основные факторы, позволяющие организму развиваться, т, е. она специализирована для выполнения функции развития. Размеры яйца увеличиваются в основном за счет накопления желтка (желток — вся совокупность питательных веществ клетки — белков, жиров, углеводов), количество которого зависит от длительности эмбрионального периода развития. Если вскоре после начала развития образуется личинка, способная питаться самостоятельно, желтка в яйце мало. Так, у ланцетника через 4—5 дней после образования зиготы из яйцевых оболочек выходит маленькая личинка. Напротив, у птиц с крупным яйцом и большим количеством желтка развитие продолжается три недели и из яйцевых оболочек выходит в основном сформированный организм. Еще более продолжительный эмбриональный период у млекопитающих, но в этом случае зародыш питается за счет материнского организма и поэтому желтка в яйцеклетке мало.

Но увеличение-размеров яйцеклетки обусловлено не только желтком. Объем цитоплазмы также увеличивается по сравнению с цитоплазмой соматических клеток. В ней накапливается большое количество нуклеотидов, рибонукленновых кислот, белков. Резко возрастает объем ядра. В период роста в овоците образуется более тысячи ядрышек, содержащих в себе рРНК.

У некоторых животных (черви, пчелы, осы, муравьи, тли, низшие ракообразные, индейка) яйцеклетка может развиваться без оплодотворения. Такое развитие называется партеногенезом или девственным развитием. При партеногенезе образуются особи только одного пола — мужского или женского. У пчел, у индеек из неоплодотворенных яиц развиваются самцы.

В результате партеногенетического развития соматические клетки потомства могут иметь либо гаплоидный набор хромосом, (пчелы, осы), либо диплоидный (тли, ракообразные). В последнем случае в процессе мейоза первое направительное тельце втягивается обратно и соединяется с ядром яйца или не выделяется второе направительное тельце.

1.4. Оплодотворение

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ, слияние мужской половой клетки (сперматозоида) с женской (яйцом, яйцеклеткой), приводящее к образованию зиготы - нового одноклеточного организма. Биологический смысл оплодотворения состоит в объединении ядерного материала мужской и женской гамет, что приводит к объединению отцовских и материнских генов, восстановлению диплоидного набора хромосом, а также активации яйцеклетки, то есть стимуляции её к зародышевому развитию. Соединение яйцеклетки со сперматозоидом обычно происходит в воронкообразно расширенной части маточной трубы в течение первых 12 часов после овуляции.

Семенная жидкость, попадая во влагалище женщины при половом сношении, обычно содержит от 60 до 150 млн. сперматозоидов, которые, благодаря движениям со скоростью 2-3 мм в минуту, постоянным волнообразным сокращениям матки и труб и щелочной среде, уже спустя 1-2 минуты после полового акта достигают матки, а через 2-3 часа - концевых отделов маточных труб, где обычно и происходит слияние с яйцеклеткой. Различают моноспермное (в яйцеклетку проникает один сперматозоид) и полиспермное оплодотворение. Сохранению активности спермиев во время прохождения их в половых путях женщины способствует слабощелочная среда шеечного канала матки, заполненного слизистой пробкой. Во время оргазма при половом акте слизистая пробка из шеечного канала частично выталкивается, а затем вновь втягивается в него и тем самым способствует более быстрому попаданию сперматозоидов из влагалища в более благоприятную среду шейки и полости матки.

Многие сперматозоиды, находящиеся в половых путях женщины, могут сохранять способность к оплодотворению 48-72 часа (иногда даже до 4-5 суток). Овулировавшая яйцеклетка сохраняет жизнеспособность примерно 24 часа. Учитывая это, наиболее благоприятным временем для оплодотворения считается период разрыва созревшего фолликула с последующим рождением яйцеклетки, а также 2-3-й день после овуляции. Женщинам, применяющим физиологический метод контрацепции, следует помнить о том, что сроки овуляции могут колебаться, а жизнеспособность яйцеклетки и сперматозоидов может быть значительно больше. Вскоре после оплодотворения начинается дробление зиготы и образование зародыша.