§21. Гаметогенез. Стадии гаметогенеза человека
Цель изучения этой темы: изучить гаметогенез человека.
Что такое оплодотворение? Какие клетки должны в нем участвовать? Какой набор хромосом в клетках тела человека? Какой в клетках зародыша, какой в половых клетках? Как называются мужские и женские половые железы? Каковы их функции?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 47 – учебник для 9 класса; § 25 – учебник для 10 класса.
Гаметогенез – процесс развития и формирования половых клеток. Мы уже знаем, что половые клетки образуются мейозом. Впрочем, одним этим процессом формирование специализированных половых гамет не ограничивается. Поэтому изучается процесс гаметогенеза, в ходе которого на одной из стадий и будет происходить мейоз. У животных и человека гаплоидные гаметы образуются из диплоидных клеток половых желез. Половые железы подразделяются на 4 зоны, в каждой из которых происходят специфические процессы (табл. 4).
Процесс образования мужских половых клеток сперматозоидов (спермиев) носит название сперматогенез. Женские яйцеклетки образуются в процессе овогенеза (оогенеза). Между этими процессами есть некоторые отличия (рис. 18). Рассмотрим их на примере организма человека.
Гаплоидные гаметы образуются из диплоидных клеток половых желез. Мужские и женские половые железы имеют диплоидный набор хромосом (рис. 19), как и все клетки нашего тела. Гаметогенез условно можно поделить на четыре зоны:
1. Зона размножения – в ней происходит митоз, и диплоидных клеток половых желез просто становится больше.
2. Зона роста – интерфаза между митозом и мейозом, когда происходит репликация, и ДНК удваивается. К концу этой фазы каждая диплоидная клетка готова к делению, т. е. содержит хромосомы, состоящие из двух хроматид.
3. Зона созревания – происходит мейоз, по итогам которого из диплоидной материнской клетки половой железы формируются четыре гаплоидные клетки, несущие набор хромосом, пригодный для слияния, т. е. для оплодотворения.
Таблица 4. Процессы гаметогенеза
4. Зона формирования. У сперматозоидов формируется хвост, ядро перемещается к верхушке клетки, перед ядром скапливаются лизосомы, чтобы растворить оболочку яйцеклетки. В основании хвоста накапливаются митохондрии, которые будут обеспечивать его движение достаточным количеством АТФ. У яйцеклетки образуются оболочки и накапливается запас питательных веществ в цитоплазме. Причем часть питательных веществ в виде белков и частей сложных липопротеидов образуется в клетках печени и только потом доставляется к яичникам, чтобы попасть в состав яйцеклеток. Следует отметить, что три клетки, появившиеся в ходе мейоза, кроме яйцеклетки, и названные полярными, или направительными тельцами, формируются с целью отдать большую часть цитоплазмы яйцеклетке. Именно поэтому в ходе цитокинеза вещества между клетками распределяются неравномерно: большая часть достается яйцеклетке, а меньшая – полярным тельцам. Они нужны для того, чтобы три гаплоидных набора были распределены и не попали в яйцеклетку. Эти вещества должны стать основой питания будущего зародыша, если произойдет оплодотворение.
Рис. 18. Формирование и функционирование гамет
Когда половые клетки готовы, может произойти оплодотворение. Внутрь яйцеклеток попадает только ядро сперматозоида, а большая его часть (цитоплазма и хвост) остается снаружи. После оплодотворения ядерный материал сперматозоида и яйцеклетки объединяется в одно общее ядро зиготы. Иногда у животных могут сливаться сразу несколько пар гамет. Это происходит, например, у рыб и земноводных. После семяизвержения сперматозоиды достигают сразу множества икринок. При внутреннем оплодотворении такой процесс тоже возможен. Змеи и ящерицы обычно откладывают несколько яиц. У крупных плацентарных подобное происходит реже, у мелких – чаще. Слоны, как правило, не приносят двух детенышей, а мышевидные грызуны – по одному. У человека тоже иногда рождаются разнополые или непохожие близнецы.
При партеногенезе яйцеклетка начинает самостоятельно делиться и дает начало зародышу без участия сперматозоида. Так происходит у тли, дафнии, пчел, многих паразитических плоских червей. Но у высокоорганизованных животных, например позвоночных, этот процесс в нормальных условиях невозможен.
Рис. 19. Гаметогенез и оплодотворение у животных:
I – зона размножения; II – зона роста; III – зона созревания; IV – зона формирования; А – сперматогенез; Б – оогенез; n – количество хромосом; с – количество хроматид
Гаметогенез, сперматозоид, сперматогенез, яйцеклетка, овогенез (оогенез).
Знание и понимание
1. Что такое гаметогенез?
2. Перечислите зоны образования половых клеток.
Применение
1. Объясните, почему важно, чтобы в процессе образования половых клеток происходил мейоз.
2. Укажите количество хромосом в клетках и названия процессов, характерных для каждой зоны гаметогенеза.
Анализ
Заполните таблицу. Проанализируйте процессы, происходящие в различных зонах гаметогенеза, вставьте номер соответствующей зоны: 1) размножения; 2) роста; 3) созревания; 4) формирования.
Синтез
1. Порассуждайте, почему у высокоорганизованных животных, например позвоночных, партеногенез в нормальных условиях невозможен.
2. Оцените реальную ситуацию: «У скалистой южноамериканской ящерицы ученые-биологи не обнаружили самцов – особей мужского пола. Но данный вид пресмыкающихся реально существует в природных популяциях».
Предположите все возможные причины этого явления.
Оценка
1. Обсудите следующее высказывание ученых: «Искусственный гаметогенез: дифференцировка эмбриональных стволовых клеток в гаметы – это способ решить многие проблемы лечения ряда заболеваний».
2. Оцените экономические и этические последствия применения на практике обозначенной выше методики.