Рассмотрите рисунки 84, 85, 86. Чем мужские половые клетки отличаются от женских? Вспомните, как происходит деление клеток. Что такое митоз? Какие процессы происходят в каждую из стадий митоза?
В основе полового размножения лежит процесс слияния половых клеток — гамет. В отличие от неполовых клеток, половые всегда имеют одинарный набор хромосом, что предотвращает увеличение числа хромосом у нового организма. Образование клеток с одинарным набором хромосом происходит в процессе особого типа деления — мейоза.
Мейоз. Мейоз (от греч. мейозис — уменьшение, убывание) — такое деление клетки, при котором хромосомный набор во вновь образующихся дочерних клетках уменьшается вдвое.
Как митозу, так и мейозу предшествует интерфаза, в которую происходит редупликация ДНК. Перед началом деления каждая хромосома состоит из двух молекул ДНК, которые образуют две сестринские хроматиды, сцепленные центромерами. Таким образом, перед началом деления хромосомный набор клетки составляет 2п, а количество ДНК — увеличено вдвое.
Процесс мейоза состоит из двух последовательных делений — мейоз I и мейоз II, которые подразделяются на те же стадии, что и митоз. В результате образуются не две, а четыре клетки (рис. 82).
Рис. 82. Стадии мейоза: 1 — профаза I; 2 — метафаза I; 3 — анафаза I; 4 — телофаза I; 5 — метафаза II; 6 — анафаза II; 7 — телофаза II
Профаза I. Эта стадия значительно длиннее, чем в митозе. Хромосомы спирализуются и утолщаются. Гомологичные хромосомы попарно соединяются друг с другом, т. е. происходит их конъюгация (от лат. конъюгацио — соединение). В результате этого в клетке образуется комплекс из двойных хромосом (рис. 83). Затем между участками гомологичных хромосом осуществляется обмен генами — кроссинговер (от англ, кроссинговер — пересечение, скрещивание). Это приводит к новым сочетаниям генов в хромосомах (рис. 83). После этого ядерная оболочка в клетке исчезает, центриоли расходятся к полюсам, и образуется веретено деления.
Рис. 83. Конъюгация и кроссинговер между гомологичными хромосомами (буквами обозначены находящиеся в хромосомах гены)
Метафаза I. Гомологичные хромосомы попарно располагаются в экваториальной зоне клетки над и под плоскостью экватора. Центромеры хромосом соединяются с нитями веретена деления.
Анафаза I. К полюсам клетки расходятся гомологичные хромосомы. Это основное отличие мейоза от митоза, где идет расхождение сестринских хроматид. Таким образом, у каждого из полюсов оказывается только одна хромосома из гомологичной пары. Число хромосом у полюсов уменьшается вдвое — происходит его редукция.
Телофаза I. Делится все остальное содержимое клетки, образуется перетяжка и возникают две клетки с одинарным набором хромосом (n). Каждая хромосома при этом состоит из двух сестринских хроматид — двух молекул ДНК. Образование двух клеток наступает не всегда. Иногда телофаза сопровождается только образованием двух ядер.
Перед вторым делением мейоза интерфаза отсутствует. Обе образовавшиеся клетки после периода покоя или сразу приступают ко второму делению мейоза. Мейоз II полностью идентичен митозу и происходит в двух клетках (ядрах) синхронно.
Профаза II значительно короче профазы І. Ядерная оболочка вновь исчезает, образуется веретено деления.
В метафазе II хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. Нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом. В анафазе II, как и в митозе, к полюсам клетки расходятся сестринские хроматиды — хромосомы. У каждого полюса образуется одинарный набор хромосом (n), при этом каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК. Телофаза II заканчивается образованием четырех клеток (ядер) с одинарным набором хромосом и одной молекулой ДНК в каждой.
Биологическое значение мейоза заключается в образовании клеток с одинарным набором хромосом. Развивающиеся затем из них гаметы при половом размножении сливаются и двойной набор хромосом в результате этого восстанавливается. Кроме того, кроссинговер приводит к новым сочетаниям генов в хромосомах клеток, что служит основой для комбинативной изменчивости организмов.
Образование половых клеток у животных. Процесс образования половых клеток называют гаметогенезом (от гамета и греч. генезис — рождение). У животных гаметы образуются в половых органах: в семенниках у самцов и яичниках у самок.
Гаметогенез протекает последовательно, в три стадии в соответствующих зонах и заканчивается формированием сперматозоидов и яйцеклеток (рис. 84). На стадии размножения первичные половые клетки интенсивно делятся митозом, что значительно увеличивает их число. На следующей стадии роста клетки растут, запасают питательные вещества. Этот период соответствует интерфазе перед мейозом. Далее клетка переходит в стадию созревания, где происходит мейоз, образуются клетки с одинарным набором хромосом, окончательно формируются и созревают гаметы.
Сперматогенез характеризуется образованием мужских половых клеток — сперматозоидов (рис. 84, А). Из одной первичной половой клетки образуются четыре одинаковые по величине гаметы — сперматозоиды.
Оогенез (от греч. оон — яйцо и генезис) характеризуется образованием женских половых клеток — яйцеклеток (рис. 84, Б). Процесс образования яйцеклетки значительно продолжительнее, чем сперматозоида. В ней идет интенсивный синтез и накопление питательных веществ в виде зерен желтка, необходимых для развития будущего зародыша. Особенность оогенеза — неравномерность деления клеток в мейозе и формирование только одной полноценной яйцеклетки, в которой находятся все питательные вещества. Три остальные клетки мелкие и погибают.
Рис. 84. Гаметогенез у животных: А — сперматогенез; Б — оогенез
Строение половых клеток. У большинства видов организмов мужские и женские гаметы отличаются друг от друга.
Сперматозоиды (от греч. сперма — семя) — это небольшие подвижные клетки, состоящие из головки, шейки и хвостика (рис. 85). В каждом сперматозоиде находится минимальное число органоидов: ядро, митохондрии и пузырек с ферментами. Когда сперматозоид соприкасается с яйцеклеткой, содержимое пузырька освобождается, растворяет ее оболочку и способствует проникновению сперматозоида внутрь яйцеклетки. Хвостик служит для движения сперматозоида и по строению сходен со жгутиком одноклеточных живот-
Рис. 85. Сперматозоиды млекопитающего: А — схема строения: 1 — головка; 2 — пузырек с ферментами; 3 — ядро; 4 — шейка; 5 — митохондрии; 6 — центриоли; 7 — хвостик. Б — фото в световой микроскопных. Митохондрии, сосредоточенные в шейке, обеспечивают движущийся сперматозоид энергией.
Яйцеклетка — округлая, крупная неподвижная клетка, содержащая ядро, все органоиды и много питательного вещества в виде желтка (рис.86). Яйцеклетка у любого вида животных всегда значительно крупнее его сперматозоидов. Благодаря ее питательным веществам обеспечивается развитие зародыша на начальной стадии (у рыб, земноводных и млекопитающих) или на всем протяжении зародышевого развития (у пресмыкающихся и птиц).
Размеры яйцеклеток у разных видов животных существенно варьируют (см. табл.). У млекопитающих они в среднем составляют 0,2 мм. У амфибий и рыб 2—10 мм, а у рептилий и птиц достигают нескольких сантиметров.
Рис. 86. Строение яйцеклетки млекопитающего: 1 — ядро; 2 — желточные зерна
Таблица
РАЗМЕРЫ ЯЙЦЕКЛЕТОК У РАЗНЫХ ВИДОВ ЖИВОТНЫХ
|
Организмы |
Размер яйцеклетки (в мм) |
|
Аскарида |
0,04 |
|
Лососевые рыбы |
6—9 |
|
Лягушка |
1,5 |
|
Крокодил |
50 |
|
Страус |
80 |
|
Кошка |
0,13 |
|
Человек |
0,10 |
В отличие от яйцеклеток, сперматозоиды значительно меньше и их размеры приблизительно одинаковы у разных организмов. Например, у млекопитающих они составляют 0,001—0,008 мм (длина головки).
Мейоз, конъюгация, кроссинговер, гаметогенез, стадии размножения, роста, созревания, сперматогенез, оогенез, сперматозоид, яйцеклетка.
1. Какой тип деления клетки лежит в основе полового размножения животных? Какие клетки образуются в результате такого деления?
2. В чем основное отличие мейоза от митоза? 3. Объясните, почему деление мейоза всегда предшествует половому размножению животных. 4. В чем заключается биологическое значение мейоза? 5. Каковы различия в процессах сперматогенеза и оогенеза?
1. Рассмотрите с помощью микроскопа готовые микропрепараты сперматозоидов и яйцеклеток млекопитающих. Сравните между собой строение сперматозоида и яйцеклетки. В чем причина различий?
2. Перечертите в тетрадь и заполните таблицу.
ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ
|
Половые |
Место |
Особенности |
Особенности |
|
клетки |
образования |
деления |
строения |
|
Яйцеклетка |
|||
|
Сперматозоид |