20. ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ

• Какова сущность полового размножения?
• Каков биологический смысл мейотического деления клеток?

При половом способе размножения каждое следующее поколение возникает в результате слияния двух специализированных клеток — гамет. Гаметы образуются в специальных органах родительских особей, мужской и женской. Сущность полового размножения заключается в слиянии генетической информации родителей, благодаря чему увеличивается генетическое разнообразие потомства, а следовательно, возрастает его жизнеспособность по сравнению с родительской.

Половые клетки — гаметы — формируются у животных в половых железах: у самцов в семенниках образуются сперматозоиды, а у самок в яичниках — яйцеклетки.

Яйцеклетки неподвижны, обычно достигают крупных размеров и содержат запасы питательных веществ. Диаметр яйцеклетки млекопитающих — около 0,1 мм, а яйцеклетки рыб (икринки) — значительно крупнее, и запас питательных веществ у них больше. Ещё крупнее яйцеклетки птиц, например, яйцеклетка курицы с питательными веществами (желтком) имеет диаметр около 3 см.

Сперматозоиды очень малы и подвижны (рис. 77). У млекопитающих сперматозоид состоит из головки (её длина около 5-10 мкм), шейки и хвостика, основой которого является жгутик (их общая длина примерно 60 мкм). В головке расположено ядро, содержащее гаплоидный набор хромосом. Цитоплазмы в головке очень мало. В шейке находится небольшое число митохондрий, вырабатывающих энергию для движения сперматозоидов, и центриоль, обеспечивающая колебания жгутика, лежащего вдоль оси хвостика.

При половом размножении необходимо, чтобы число хромосом в гаметах было уменьшено в два раза по сравнению с клетками тела, т. е. с 2га до га. Иначе при слиянии ядер половых клеток число хромосом в зиготе увеличивалось бы в каждом поколении в два раза: 4га, 8га, 16га, 32га и т. д. Чтобы сохранить постоянство числа хромосом, будущие половые клетки, которые изначально содержат также 2га хромосом, во время созревания делятся особым способом — мейозом.

Мейоз. Это такой способ деления, при котором из одной диплоидной клетки получается четыре гаплоидные (га). Мейоз представляет собой два следующих друг за другом деления: мейоз I и мейоз II. Каждое из этих делений включает в себя те же фазы, что и митоз (рис. 78). В профазу первого деления (профаза I) гомологичные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, тесно переплетаются друг с другом, т. е. конъюгируют, и в этот момент могут обменяться одинаковыми участками. Этот процесс называют перекрестом или кроссинговером. После конъюгации гомологичные хромосомы разъединяются, и происходит метафаза I, когда гомологичные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, располагаются напротив друг друга в экваториальной плоскости. Затем во время анафазы I к полюсам клетки расходятся гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, а не половинки хромосом — хроматиды, как во время митоза. После этого следует короткая телофаза I, и сразу вслед за ней начинается второе деление мейоза, при котором делятся те две клетки, которые образовались при мейозе I. В процессе метафазы II по экваторам этих двух клеток располагается вдвое меньше хромосом, чем в процессе метафазы I. В процессе анафазы II происходит расхождение к полюсам клеток дочерних хроматид, составляющих ранее единую хромосому. В результате мейоза из одной диплоидной клетки (2п) образуется четыре гаплоидные клетки (In).

Таким образом, при мейозе после изначального удвоения хромосом происходит два следующих друг за другом без перерыва деления клетки. Во время первого деления расходятся гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, а во время второго деления мейоза расходятся хроматиды и каждая из четырёх клеток получает только п хромосом. Кроме того, в результате перекрёста в профазу I возникают новые случайные комбинации генов.

У мужских особей все четыре гаплоидные клетки, образующиеся в результате мейоза, превращаются в сперматозоиды. Ведь их требуется очень много. При этом ядро будущего сперматозоида уменьшается, появляется жгутик, а митохондрии располагаются вокруг основания жгутика в шейке. Созревание же яйцеклетки идёт иначе: цитоплазма распределяется между клетками, образующимися при мейозе, неравномерно. При этом только одна клетка из четырёх образовавшихся получается полноценной и жизнеспособной, а три остальные дочерние клетки превращаются в так называемые направительные или полярные тельца, играющие определённую роль в момент оплодотворения.

Процессы формирования сперматозоидов и яйцеклеток. Процесс формирования сперматозоидов называют сперматогенезом, протекает он в семенниках. Женские гаметы — яйцеклетки — образуются в результате оогенеза в яичниках. Оба этих процесса проходят в три стадии, или фазы (рис. 79). Первая стадия — стадия размножения, во время которой первичные половые клетки делятся митозом и число будущих гамет увеличивается. У самцов млекопитающих эта стадия длится от полового созревания и до старости, а у самок только в эмбриональном периоде. Вторая стадия — стадия роста: будущие гаметы увеличиваются в размерах, особенно это относится к яйцеклеткам. Третья стадия формирования гамет — стадия созревания. Именно на этой стадии происходит мейоз. В процессе созревания яйцеклетки покрываются оболочками, а у сперматозоидов формируется хвостик, и они становятся подвижными.

В эмбриональном периоде у будущей женщины закладываются миллионы яйцеклеток, однако полной зрелости достигают лишь 300-400.

Оплодотворение. Так называют процесс слияния ядер мужской и женской гамет (рис. 80). В этот момент в ядре образующейся зиготы восстанавливается диплоидный (2п) набор хромосом, и делящаяся митозом зигота даёт начало новому организму.

У водных животных происходит выброс гамет в воду, где и осуществляется оплодотворение, которое называют наружным. Такое оплодотворение наблюдается, например, у моллюсков, рыб, амфибий. У обитателей суши наружного оплодотворения быть не может и сперматозоиды встречаются с яйцеклеткой в организме самки, у млекопитающих — в её яйцеводах, т.е. у них оплодотворение внутреннее.

Для покрытосеменных растений характерен процесс двойного оплодотворения с образованием триплоидной ткани — эндосперма, необходимой для нормального развития семени.

Запомнить: гаметы; мейоз; кроссинговер; семенники, сперматогенез, яичники, яйцеклетки; оплодотворение наружное и внутреннее.

Выводы

Половое размножение обеспечивает генетическое многообразие, что важно для эволюции. Сперматозоиды формируются в семенниках, яйцеклетки — в яичниках. При созревании гамет число хромосом в них в результате мейоза уменьшается в два раза по сравнению с соматическими клетками.

Думай, делай выводы, действуй

Проверь свои знания

1. Чем половое размножение отличается от бесполого?
2. В чём суть кроссинговера?
3. Как осуществляется сперматогенез?
4. Каким организмам свойственно наружное оплодотворение?

Выполните задание

Составьте перечень фаз мейоза, проведите сравнительный анализ процессов, проходящих в митозе и мейозе.

Обсуди с товарищами

1. Чем мейоз отличается от митоза?
2. В чём биологический смысл полового размножения? Какие преимущества получают особи, размножающиеся таким способом?
3. Какие преимущества обеспечивает способность организмов к сочетанию нескольких способов размножения?

Выскажи мнение

Какая существует взаимосвязь между типом оплодотворения и числом яйцеклеток, в нём участвующих?