Строение половых клеток
Строение половых клеток
Половые клетки переносят генетическую информацию от родительских организмов потомкам. Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом. Для них характерен низкий уровень процессов обмена веществ по сравнению с соматическими клетками.
Яйцеклетки животных
Имеют большие размеры по сравнению с мужскими гаметами, определенный запас веществ – желток. Желток имеет в составе белки, жиры, углеводы, минеральные вещества. По количеству желтка различают: многожелтковые яйцеклетки (у членистоногих, большинства рыб, пресмыкающих, птиц), со средним количеством желтка (у амфибий, осетровых рыб), маложелтковые (у большинства червей, моллюсков, иглокожих), практически безжелтковые (у некоторых беспозвоночных, плацентарных млекопитающих). От количества запасных питательных веществ в цитоплазме зависят размеры яйцеклетки. Размеры яйцеклетки плацентарных млекопитающих от 50 до 180 мкм, человека – 90 мкм, страусов (без оболочек) – 80 мм, с оболочками – более 150 мм.
В процессе формирования желтка определяется полярность.
Полюс, где откладывается желток, называется вегетативным, а противоположный, со смещенным ядром – анимальным.
Могут быть покрыты разнообразными оболочками. Первичные оболочки имеют яйцеклетки всех животных. У млекопитающих образованы выростами фолликулярных клеток и яйцеклетки. Вторичные оболочки есть лишь у некоторых животных (у насекомых) и формируются в яичнике. Имеют микрополе (вход для сперматозоида). У некоторых животных после оплодотворения образуются железами яйцевода третичные оболочки. У птиц это скарлупная, подскарлупная оболочки и белок.
Сперматозоиды животных
Размеры – от 10 до 800 мкм длиной, иногда больше. Имеют жгутики, с помощью которых передвигаются. Строение их подобно строению жгутиков клеток эукариот.
Сперматозоиды млекопитающих состоят из короткой головки, шейки, короткого промежуточного отдела и жгутика. В головке содержится ядро. На переднем ее конце расположена акросома, которая формируется из комплекса Гольджи. Она обеспечивает проникновение сперматозоида в яйцеклетку, активацию ее (переход к состоянию развития). В промежуточном отделе находятся центриоли, окруженные митохондриями, которые поставляют энергию жгутику.
Жгутики характерны для сперматозоидов хордовых животных, зеленых и бурых водорослей, папоротников, хвощей, плаунов, мхов и т. п. Не имеют жгутиков мужские половые клетки покрытосеменных, большинство голосеменных, красных водорослей, грибов и некоторых животных.
Оплодотворение
Оплодотворение
Это процесс слияния мужской и женской гамет с образованием зиготы. Сперматозоиды атакуют яйцеклетку, при контакте с акросомой вызывают ее активацию, то есть выводят из состояния покоя. Свойства оболочки яйцеклетки изменяются. Вглубь нее проникает один сперматозоид. Он отбрасывает жгутик. Оболочки становятся непроницаемыми для других сперматозоидов. Иногда проникает несколько сперматозоидов, но с ядром яйцеклетки сливается лишь ядро одного из них. Остальные сперматозоиды гибнут. Иногда ядра обеих половых клеток продолжительное время не сливаются (у грибов, некоторых круглых чер-вей). Сливаются они перед дроблением.
У животных различают внешнее и внутреннее оплодотворение.
Внешнее оплодотворение
Внешнее оплодотворение характерно преимущественно для жителей водоемов. Это оплодотворение, которое происходит вне половой системы самки. Встречается у многощетинковых червей, иглокожих, некоторых ракообразных, двухстворчатых моллюсков, ланцетников, костных рыб, земноводных. Характерно иногда для некоторых наземных животных – дождевых червей, некоторых паукообразных и др.
Внутреннее оплодотворение
Внутреннее оплодотворение происходит в половых путях самки. Характерно преимущественно для животных, жителей суши: плоских червей, круглых червей, многоножек, насекомых, моллюсков, пресмыкающих, птиц, млекопитающих. Иногда встречается у жителей водоемов – некоторых ракообразных, хрящевых рыб и т. п.
Необходимым условием для оплодотворения водорослей и высших споровых растений является влага, вода. В ней передвигаются сперматозоиды.
Не зависит от влаги оплодотворение у семенных растений (голосеменных и покрытосеменных). Оплодотворению предшествует опыление. Для покрытосеменных растений характерно двойное оплодотворение.
Оплодотворение позволяет увеличить наследственную изменчивость (комбинативная изменчивость), поскольку сливаются половинные наборы хромосом мужской и женской гамет. Образование эндосперма с тройным набором хромосом служит причиной интенсификации процессов биосинтеза, синтеза белков, что позволяет значительно улучшить запасание питательных веществ в семени.
Раздельнополые животные
Существует много раздельнополых животных. Но среди низших много таких видов, которые имеют одновременно половые железы и самца и самки. Этих животных называют гермафродитами. К ним относят многих плоских червей: печеночных сосальщиков, бычьих солитеров, свиных солитеров и других.
После оплодотворения происходит серия этапов развития, во время которых устанавливаются первичные зародышевые слои и реорганизуются с образованием эмбриона. Во время этого процесса ткани животных начинают специализироваться и организовываться в органы и системы органов, определяя их будущую морфологию и физиологию.
Развитие – это процесс формирования организма, тесно связанный с ростом. Существует два типа развития животных: прямой и непрямой или с перевоплощением.
Прямой тип развития – это развитие дочерних организмов очень похожих на взрослых. Сюда относятся паукообразные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие, черви.
Непрямой тип развития – это развитие, в котором создается личинка, отличающаяся от организма взрослой особи как внешним, так и внутренним строением, характером движения, кормлением. Сюда относятся насекомые, амфибии, кишечнополостные животные. В случае непрямого развития личинки и взрослые особи живут в разных условиях и поэтому не составляют конкуренции между собой за территорию и еду. Благодаря этому, вид может иметь большое количество особей. Например, у бабочек личинки едят листья растений, а взрослые особи питаются нектаром цветов. Личинка жабы питается водорослями, одноклеточными, а взрослые жабы – насекомыми и их личинками. Соответственно непрямой тип развития дает организму значительные преимущества.
Каждое животное имеет свой жизненный цикл со своими фазами развития. Существует простой и сложный цикл. Сложный жизненный цикл характерен чередованием поколений (одно поколение печеночного сосальщика размножается половым путем, другое – бесполым) или связан с перевоплощением организма. Например, у кузнечиков простой цикл: яйцо – личинка – взрослое насекомое. А бабочки имеют сложный жизненный цикл: яйцо – личинка – куколка – взрослая особь.
Личинка жука-короеда
Личинки часто составляют стадию жизни, которая используется для кормления или рассеивания. У многих видов личиночная стадия самая длинная, а взрослая − короткая стадия исключительно для размножения. Например, у мотыльков шелкопряда взрослые не имеют ротовых частей и не могут питаться. А личинки должны есть достаточно, чтобы выжить и в итоге спариваться. Действительно, большинство самок мотыльков, как только они выходят из своей куколки, летают только один раз, чтобы отложить яйца. Затем они умирают.
Многие животные обладают регенерацией – возобновлением потерянных частей тела. Малейшая часть гидры может дать начало новому организму. Среди хордовых животных наилучшим образом развита регенерация у земноводных, чуть слабее – у рептилий (они могут возобновлять отпавшие хвосты). У других животных эта функция остается на уровне заживления ран.
Каждому животному характерно свое индивидуальное развитие с такими стадиями:
— эмбриональная (от оплодотворения к рождению);
— неполовозрелая;
— взрослая половозрелая;
— старение и смерть.
Роль генов Homeobox (Hox) в развитии животных
С начала XIX века ученые отмечали, что многие животные, от простого до сложного, имеют сходную эмбриональную морфологию и развитие. Удивительно, что эмбрион человека и эмбрион лягушки, на определенной стадии эмбрионального развития, кажутся удивительно похожими. Долгое время ученые не понимали, почему так много видов животных выглядели одинаково во время эмбрионального развития, но становились совершенно другими, когда взрослели. В конце 20-го века был обнаружен определенный класс генов, которые диктуют направление развития. Эти гены, которые определяют структуру животных, называются «гомеотическими генами». Они содержат последовательности ДНК, называемые гомеобоксами, с определенными последовательностями, называемыми генами Hox. Это семейство генов отвечает за определение общего плана тела: количество
Внешнее оплодотворение
Одним из них является внешнее оплодотворение, при котором яйцеклетки и сперматозоиды сливаются вне организма животного. Например, такой способ оплодотворения используют рыбы и земноводные. Этот тип оплодотворения называют нерестом, он происходит в водной среде. Соответственно сперме требуется вода, чтобы подплыть к отложенным яйцам, а яйца в свою очередь нуждаются в воде для предотвращения высыхания. Большинство водных беспозвоночных, большинство рыб и некоторые амфибии используют внешнее оплодотворение. Эти животные выпускают большое количество спермы и яиц, поскольку несут значительные потери гамет в воде. Поэтому, рыбам просто необходимо выметывать большое количество икры. Так, самки окуня мечут по 200-300 тыс. икринок, а самки трески − до 10 млн. Кроме того, поведение ухаживания у некоторых видов приводит к одновременному выпуску гамет, что помогает обеспечить яйцеклетку спермой.
Обращая внимание на размножение серебряного карася необходимо отметить, что тут встречаются однополые популяции (обычно отсутствуют самцы). Развитие яиц этого вида происходит после того, когда в них проникает сперматозоид совершенно другого вида рыбы (карпа, золотого карася, линя)
Но при этом стандартного оплодотворения не происходит. В данном случае сперматозоид является лишь раздражителем, который пробуждает яйцо к развитию.
К такому виду внешнего оплодотворения, а точнее нересту также относят морских коньков. Они как никто завораживающе романтично спариваются и танцуют до тех пор, пока самка не вложит свои икринки в специальный мешочек самца. Получается морской конек – это сознательный самец, который беременеет и вынашивает свое потомство. После того как самец родит, он оставляет своих детенышей, чтобы они развивались и заботились о себе самостоятельно.
Самец или самка
Важно отметить, что не все животные строго делятся на самцов и самок. Животные, такие как морские анемоны, могут иметь как мужские, так и женские репродуктивные структуры; Они известны как гермафродиты
Некоторые гермафродиты способны к самооплодотворению, но большинство нуждается в партере для размножения. Поскольку обе вовлеченные стороны становятся оплодотворенными, этот процесс удваивает количество потомства, которое появится на свет. Гермафродитизм — хорошее решение проблемы нехватки потенциальных половых партнеров. Другим решением является способность менять пол от самца к самке (протэндри) или от самки к самцу (протогиния). Определенные виды рыб, например, губановые могут изменяться от самки к самцу в процессе перехода во взрослую жизнь.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
.
Существует два типа оплодотворения
: наружное и внутреннее. При наружном типе оплодотворение происходит в воде, и развитие зародыша также происходит в водной среде ( , ). При внутреннем типе оплодотворение происходит в половых путях самки, а развитие может происходить или во внешней среде ( , птицы), или внутри организма матери в особом органе – матке ( , человек). При оплодотворении в яйцеклетку может проникать один или несколько . Если в яйцеклетку проникает один сперматозоид, то такое явление называют моноспермией. Если проникает несколько сперматозоидов, то это полиспермия. Как правило, моноспермия характерна для яйцеклеток, не имеющих плотных оболочек, полиспермия – для яйцеклеток с плотными оболочками. В случае полиспермии также происходит только одним сперматозоидом, остальные растворяются и принимают участие в разжижении желтка.
Для морского ежа характерна моноспермия. Сперматозоид проникает через студенистую оболочку, после чего начинается изменение поверхностных слоев яйца, называемое кортикальной реакцией. Она заключается в том, что происходит распад кортикальных гранул и их содержимое сливается с желточной оболочкой. В результате образуется оболочка оплодотворения. Вначале оболочка оплодотворения плотно прижата к поверхности яйца, затем отделяется от нее, и между ними образуется перивитиллиновое пространство, заполненное жидкостью. Оболочка оплодотворения защищает яйцо от проникновения других сперматозоидов. Соприкосновение яйца и сперматозоида составляет I-ую фазу оплодотворения и называется активацией яйца. В яйцеклетку проникает головка и шейка сперматозоида, хвостик остается снаружи. У некоторых животных, например, моллюсков, в яйцеклетку проникает весь сперматозоид, в этом случае хвостик растворяется в цитоплазме.
Внутри головка сперматозоида начинает продвижение к ядру, это движение осуществляется центриолью вперед. Ядра сперматозоида и яйцеклетки набухают. Ядро сперматозоида называют мужским пронуклеусом, а ядро яйцеклетки – женским пронуклеусом. В дальнейшем происходит их слияние, в результате которого образуется диплоидное ядро зиготы, начинающее митотически делиться. Слиянием ядер сперматозоида и яйцеклетки и образованием ядра зиготы заканчивается процесс оплодотворения.
Оплодотворение внутреннее
Любое дополнительное приспособление, которое может повысить вероятность встречи половых клеток особей разного пола, обеспечивает виду большую плодовитость, а следовательно, и выживаемость всего вида. Кроме того затраты, которые производит организм на выработку и созревание половых клеток в значительной мере снижаются.
Оплодотворение внешнее уступает внутреннему типу оплодотворения. Свое название внутреннее оплодотворение получило в связи с тем, что половые клетки мужского пола вводятся непосредственно в организм особи женского пола. Такой тип оплодотворения присущ видам, которые стоят на более высокой ступени эволюционного развития. Внутреннее оплодотворение предусматривает наличие у особей разных полов специальных приспособительных (половых) органов.
Чем выше ступень развития и эволюции, на котором стоит вид животных, тем больше дополнительных половых органов у них имеется. Это и дополнительные половые железы, органы (яйцеводы и пр.).
Примечателен тот факт, что количество образуемых половых клеток у самки напрямую зависит от степени её привязанности к потомству. Чем она выше, тем меньше яйцеклеток и, следовательно, потомков. На примере трески и африканской рыбы теляпии можно отследить эту закономерность наглядно. Первая мечет около 10 миллионов икринок за один раз и никогда больше не возвращается к месту кладки. Теляпия же во рту вынашивает икру в количестве не больше, чем 100 штук. Большинство млекопитающих вообще имеют всего несколько потомков, а их родительское поведение обеспечивает длительную заботу.
Оплодотворение внешнее
Оплодотворение внешнее предусматривает слияние половых клеток за пределами организма женской особи (самки). Ярким примером может служить оплодотворение у рыб, при котором самка мечет яйцеклетки (икру), а самец сперму (молоку) непосредственно в водоем и там же происходит их слияние.
Оплодотворение внешнее присуще большинству беспозвоночных водных животных и некоторым позвоночным (земноводные, моллюски, черви и пр). Оно требует для эффективности стечения многих внешних факторов, ведь сперматозоиды и яйцеклетки должны выбрасываться во внешнюю среду в одно время и в одном месте. Именно поэтому природа предусмотрела половые поведенческие реакции особей одного вида (например, сбор в определенных местах и время на нерест).
Кроме всего выше перечисленного, оплодотворение внешнее требует образования в организме самки и самца большого количества половых клеток для обеспечения успешного их слияния. Это обусловлено тем, что во внешней среде происходят большие их потери и расточительство, ведь большинство из них никогда не встретятся и просто погибнут. К примеру, лягушка озерная постоянно откладывает порядка 11 000 яйцеклеток (яиц), а рыба-луна около 30 миллионов.
Строение гамет
Процесс слияния гамет — это оплодотворение. Внутреннее или внешнее оплодотворение осуществляется только половыми клетками. Различают мужские и женские гаметы — сперматозоиды и яйцеклетки. Они имеют существенные отличия в строении. Так, женские половые клетки не способны к движению и содержат достаточный запас питательных веществ. Это связано с тем, что именно на основе женских гамет происходит развитие будущего организма. Мужские половые клетки растений также не способны к движению, поэтому процессу оплодотворения у этих организмов предшествует опыление.
Гаметы — это структуры, которые имеют одинарный, или гаплоидный, набор хромосом. И такое строение совсем не случайно. Дело в том, что взрослый организм должен обладать двойным (диплоидным) хромосомным набором. Это возможно только при слиянии гаплоидных гамет.
В чем преимущество внутреннего оплодотворения
Внутреннее происходит в половых протоках самки. Там и располагается неподвижная яйцеклетка. Сперматозоид приближается к ней в результате полового акта. Уже установлено, что в большинстве случаев в яйцеклетку проникает только ядерное вещество мужской гаметы. Ее цитоплазма практически не участвует в процессе формирования нового организма.
Главным преимуществом внутреннего оплодотворения является то, что зародыш относительно не зависит от неблагоприятных условий окружающей среды. Его развитие определенное время происходит внутри материнского организма. Он и обеспечивает зародыш всем необходимым: теплом, влагой, кислородом, питательными веществами. Кроме того, при оплодотворении внутри организма вероятность слияния гамет значительно повышается, что обусловливает стабильность процесса размножения у таких особей. По этим причинам количество женских гамет, способных к оплодотворению, гораздо меньше по сравнению с животными, которые выделяют их в окружающую среду.
Конкретную яйцеклетку оплодотворяет один сперматозоид. Но почему же у многих организмов на свет появляется сразу несколько особей, а то и десятков? Это возможно двумя путями. В первом случае к оплодотворению выходят сразу несколько яйцеклеток, каждая из которых соединяется с отдельной мужской гаметой. У человека в этом случае рождаются Они могут быть как одного, так и разного пола, а похожи друг на друга не больше, чем родные братья и сестры. Однояйцевые близнецы появляются в результате деления зиготы на несколько частей. В этом случае у человека рождаются дети одного пола, похожие друг на друга как две капли воды.
У одних животных слияние сперматозоида с яйцеклеткой происходит во внешней среде, у других — внутри организма самки. В связи с этим различают наружное и внутреннее оплодотворение
Кроме того, в яйцеклетке происходят быстрые перестройки структур цитоплазмы, ответственных за синтез белка: процессы синтеза сразу же и во много раз ускоряются. Материнские и отцовские хромосомы (носители наследственного материала) распределяются поровну по всем клеткам зародыша, образующегося из зиготы — оплодотворенной яйцеклетки.
Процессы, обусловливающие встречу и контакт мужских и женских половых клеток животных, называются осеменением. Осеменение предшествует слиянию гамет — оплодотворению. При наружном оплодотворении сперматозоиды и яйцеклетки выводятся в воду (т. е. во внешнюю среду), где и происходит их слияние. Внутреннее оплодотворение характерно прежде всего для обитателей суши — многих беспозвоночных (.круглых червей, пауков и насекомых) и всех наземных позвоночных (рептилий, птиц, млекопитающих).
Проникновение сперматозоида вызывает у яйцеклетки отслоение оболочки оплодотворения, препятствующей проникновению других сперматозоидов. В цитоплазме яйцеклетки ядро сперматозоида увеличивается и достигает размеров ядра яйцеклетки. Затем ядра сближаются и сливаются, в результате образуется зигота. Следовательно, диплоидный набор хромосом, характерный для соматических клеток большинства живых организмов, восстанавливается именно при оплодотворении.
Это обеспечивает слияние одного сперматозоида с ядром яйцеклетки. Оплодотворение у многоклеточных животных заключается в слиянии двух гамет разного пола — сперматозоида и яйцеклетки. У растений мужская гамета находится в ПЫЛЬЦЕ, и для большинства высших растений ОПЫЛЕНИЕ предшествует оплодотворению.
Внутреннее оплодотворение
Другим примером полового размножения является внутреннее оплодотворение, при котором самец вводит сперму внутрь репродуктивного тракта самки, где оплодотворяются яйцеклетки. Данное оплодотворение − это адаптация к жизни на суше, поскольку она уменьшает потерю гамет, которая возникает во время внешнего оплодотворения. Сперматозоиды снабжены жидкостью (спермой), которая обеспечивает водную среду внутри тела самца. Спаривание и репродуктивная готовность координируются и контролируются гормонами, поэтому сперматозоиды и яйцеклетки объединяются в соответствующее время.
После внутреннего оплодотворения большинство рептилий и всех птиц откладывают яйца, которые окружены жесткой мембраной или оболочкой. Их яйца имеют четыре мембраны: амнион, аллантоис, желточный мешок и хорион. Амнион содержит жидкость, окружающую эмбрион; аллантоис хранит мочевые отходы эмбриона и содержит кровеносные сосуды, которые приносят кислород эмбрионам и отбирают углекислый газ. Желчный мешок держит заложенную пищу, а хорион окружает эмбрион и другие мембраны. У птиц и рептилий эмбрион созревает вне тела и защищен оболочкой.
В основном все млекопитающие (коровы, яки, бегемоты, кролики, собаки и много других) используют внутреннее оплодотворение, но есть и исключение – австралийские животные, такие как утконосы и ехидны, которые откладывают яйца.
Половое размножение имеет свои «плюсы»: образовавшиеся особи несут в себе признаки обоих родителей и этот вид животных не исчезнет; они лучше приспосабливаются к среде обитания.
Среди животных также встречается партеногенез – это единая форма полового размножения, во время которой зародыш развивается из одной половой клетки без какого-либо оплодотворения. Такое размножение присуще обычно для насекомых, некоторых ракообразных и червей.
Бесполое размножение – это процесс, при котором следующее поколение развивается из соматических клеток без участия репродуктивных клеток − гамет. Такое размножение обычно используется у менее сложных организмов.
Например, амеба делится на две части. Этот тип бесполого размножения называется бинарным делением. Это очень быстрый и эффективный способ для бактерий и подобных типов клеток для создания потомства.
