От чего зависит наследственность? Первичные половые клетки
Обновлено: 04.05.2024
Если мы говорим о половом размножении, требуется как минимум два различных пола. Человек — удобный пример для обсуждения, а грибы — неудобный, потому что у грибов может быть до 36 000 полов. Воистину свобода самоопределения!
Эмбрион не имеет половых признаков до 4–5 недель эмбрионального развития. Половая железа нового существа представляет собой мешочек, в который заселяются предшественники половых клеток. Только потом запускается одна из выбранных программ развития. Опустим подробности выбора пола и патологий, связанных с этим процессом. Важно, что выбор в данном случае происходит не по воле родителя, и тем более не по «календарю» или таблице зачатия — это молекулярно-генетический процесс. Самое важное для понимания полового размножения в целом: полный набор хромосом здорового человека включает в себя 23 пары.
Хромосома — это не абстрактное понятие, а одна большая свернутая молекула ДНК, удерживаемая белками. При этом хромосомы каждой пары, несмотря на то, что в них заключена информация об одном и том же, могут нести различные варианты генов (аллели). Половые клетки человека содержат всего 23 хромосомы (а яйцеклетка — еще и митохондриальную ДНК, важную маленькую молекулу!). Это не значит, что гаметы (половые клетки) представляют собой порубленные напополам клетки тела. Их образованию предшествует изящное, похожее на танец, деление клетки, в ходе которого хромосомы каждой пары обмениваются друг с другом фрагментами и расходятся по разным клеткам. Этот танец называется мейоз. По сути, любой ДНК-тест — это анализ талантов ваших хромосом. Потом гаметы встретятся и получится совершенно новый человек, удивительно похожий отдельными чертами на родителей. Но нам интересно то, что происходит накануне.
Образование яйцеклеток у женщин происходит в период эмбрионального развития. Этот процесс называется «о(в)огенез» (дословно — образование яйца). Его можно поделить на три этапа: размножение, рост, созревание. После того как пол эмбриона определен как женский, мешочек с предшественниками половых клеток становится яичником. Клетки-предшественницы начинают активно делиться подобно большинству клеток нашего тела. Пока что они все одинаковые, и нужно просто сделать как можно больше клеток. Возможность увеличить число будущих яйцеклеток у женщины есть только в ходе эмбрионального развития. Далее клетки переходят к следующему этапу — росту. Во время роста и ядро, и сама клетка существенно увеличиваются в размерах, накапливая запасы разных молекул, которые понадобятся, когда оплодотворение все-таки произойдет. Финальный этап развития яйцеклетки — мейоз — начинается еще в эмбрионе. Потом наступает пауза, и окончательное созревание яйцеклетки происходит у женщин раз в месяц с пубертатного периода до менопаузы.
Деление при созревании яйцеклетки имеет тот же базовый принцип, что был указан выше: происходит «танец хромосом». У яйцеклеток есть две особенности. Первая заключается в том, что после деления не все клетки станут яйцеклетками и какие-то из них будут использованы в качестве вспомогательного ресурса яйцеклеток. Второе интересное свойство: окончательное созревание яйцеклетки заканчивается только после оплодотворения. По большей части, клеточная биология интересна клеточным биологам. Для простых смертных важно ответить на вопросы в духе «Как привязанность к «Ягуару» в 9-м классе/работа на химическом производстве/5-летний стаж курения (нужное подчеркнуть) смогли повлиять на мои яйцеклетки?» Курение, алкоголизм и стрессовые ситуации ведут к окислительному стрессу в организме. Иными словами, «токсичные ситуации» и вредные привычки стимулируют выработку активных форм кислорода в организме. Негативное влияние окислительного стресса на репродуктивную функцию женщины доказывают через исследование яичников, цикла, развитие фолликула и анализ случаев невыношенной беременности. Нужно беречь себя и свои яйцеклетки от активных форм кислорода. Просто потому что других внутри вас нет.
С мужчинами все несколько иначе. На протяжении всей жизни у них в семенниках есть пул стволовых клеток, которые могут дать начало клеткам семенной жидкости. С пубертатного возраста клетки готовы к делению. Нужно разделить пазл генетического материала человека на две половины (посчитать число способов, которыми это можно сделать, — отдельная математическая задача). После того как клетки поделились, каждая из них получает гаплоидный набор хромосом. Нужно собрать сперматозоид — компактную клетку со жгутиком. Помимо известной функции доставки генетического материала, сперматозоид также должен активировать яйцеклетку, которая «остановилась в развитии».
Образование спермы происходит постоянно, полный цикл регенерации запаса составляет до 3 месяцев. Образование гамет (половых клеток) мужчины отличается от образования гамет женщины. Во-первых, оно более массовое, во-вторых — помимо тех клеток, что станут сперматозоидами, всегда остаются стволовые клетки-предшественницы. Несмотря на то, что будущие сперматозоды и яйцеклетки защищены от внешней среды, деление клеток — это всегда большой риск. Доказано, что в ходе образования сперматозоидов частота возникновения мутаций при делении снижается у молодых мышей и резко возрастает у старых. Помимо этого, риск возникновения мутации в гамете выше именно у мужчин, а не у женщин. Клетки с мутациями, разумеется, менее живучи. Большинство из них просто не доползает до яйцеклетки.
Удивительное заключается в том, что человек представляет собой случайный набор генов, случайно собранный от других людей, живших в разное время. При этом наше тело исправно работает. Среди генов, впрочем, можно найти довольно много мусора. Есть такие гены, которые пока не мешают никому жить. Они существуют в теле в двух вариантах: в «сломанном» и «нормальном». Благодаря работе «нормального» повреждений не заметно, а человек может и не знать, что является носителем «гена муковисцидоза» или «гена фенилкетонурии». Это ни в коем случае не специальный ген с болезнью — это вариант гена (аллель), который кодирует нефункциональный белок. Парадоксальная ирония: люди, идеально совместимые друг с другом душой, телом и бытом, могут также иметь сходные мутации в одной из копий гена! При этом они, сами не зная о своем особом статусе, являются носителями очень неприятного заболевания. Вероятность рождения больного ребенка у такой пары составляет 25%. Из-за двух поломанных копий одного и того же гена, доставшихся ему от мамы с папой, жизнь такого ребенка (и его родителей) будет во много раз сложнее.
Процессы, связанные с планированием семьи, требуют, прежде всего, осознанности. Ответственность за собственный генетический материал — крупица в море бесконечных вопросов, ответы на которые не стоит искать на форумах для беременных. Вместе с этим, создание новой человеческой жизни — это не только анализы, фолиевая кислота, большой живот и «смотри, он толкает ножкой». Этот серьезный процесс запускают два человека, и им обоим следует понимать, что они делают.
Если вы планируете детей и этот текст вызвал у вас вопросы, рекомендуем обратиться к нам напрямую.
От чего зависит наследственность? Первичные половые клетки
Гаметогенез. Наследственность и внешняя среда
Способ образования половых клеток в гонадах следует рассмотреть более детально, чем вопрос о половых органах в целом. Кроме того, имеется много основных биологических концепций, связанных с образованием гамет, которые полезно вновь изложить в их связи с эмбриологией.
Зародышевые клетки (половые клетки, репродуктивные клетки), т. е. сперматозоиды у мужских особей и яйцеклетки у женских, в совокупности называются гаметами. В процессе оплодотворения мужские и женские гаметы соединяются, образуя единую клетку — зиготу, из которой развивается новый организм. Зародышевая плазма — это термин, примененный к линии таких клеток, которые в результате последующих делений дают начало гаметам.
Клетки, которые не принимают прямого участия в образовании гамет и которые перестают существовать со смертью особи, называются соматическими клетками. Каким образом, среди мириадов клеток, составляющих особь и органы, поддерживающие ее вегетативную жизнь (мозг, печень, сердце, почки, мости и т. д.), имеется ограниченное число зародышевых клеток, чья функция заключается в продолжении рода, и непрерывная линия которых существует с начала жизни на земле.
Одни лишь соединяющиеся гаметы переносят все наследственные свойства видов, причем не только от непосредственных родителей, но и от их предков.
Поэтому легко понять, что каждая особь является мозаикой из своего прошлого.
Очень важен характер комбинации зародышевой плазмы, которая создается в каждой генерации, когда при оплодотворении сливаются две гаметы. Несомненно, что если гамета внесет в новую комбинацию дефектную зародышевую плазму, то, конечно, и организм и зародышевая плазма новой особи при этом пострадают.
Много писалось о том, оказывает ли наследственность или внешняя среда большее влияние на особь.
Признание того факта, что наследственность имеет огромное значение, не умаляет влияния среды. Наследственность представляет материал, на который действует внешняя среда, но последняя лишь определяет, насколько хорошо этот материал сохраняется и будет использован. Некоторая аналогия может быть проведена с нашим повседневным опытом обращения с инструментами или машинами. То, что включено в них при их производстве, соответствует тому, что мы получаем с наследственностью; способ их использования соответствует внешней среде.
Никакое разумное использование и осторожное обращение не смогут сделать механизм, созданный из плохих материалов, долговечным и высокоэффективным. Однако плохое обращение с потенциально прекрасным механизмом может сделать его работу значительно менее удовлетворительной, чем деятельность такого же механизма, сделанного из более плохих материалов, но рационально использовавшегося и хорошо содержавшегося.
Внешняя среда ничего не создает. Ее роль заключается в том, что она определяет, как мы реализуем наши наследственные потенции (2).
Такие вещи, как родительское попечение и образование, рассматриваются биологами как факторы внешней среды. Имеются более скрытые факторы в самом организме, окружающие и воздействующие на различные основные органы. При развитии особи эти внутренние факторы среды обладают огромным значением. Так, например, хрусталик глаза образуется из головной эктодермы под влиянием стимуляции со стороны глазной чаши, вырастающей из прилегающей части мозга.
Если раннюю глазную чашу трансплантировать под эктодерму туловища, то из этой области эктодермы, которая в норме никогда не участвует в образовании глаза, формируется хрусталик. Если глазную чашу трансплантировать несколько позже, то окажется, что она потеряла свою способность индуцировать хрусталик на новом месте. Это подтверждает, таким образом, мысль о том, что в ходе развития имеет значение не только взаимодействие между двумя растущими частями, но что и фактор времени также играет свою роль. Если специфическое действие не обнаруживается в критический отрезок времени, то оно перестает быть эффективным.
Поскольку внутренняя среда различных частей развивающегося организма зависит от присутствия соответствующих материалов в определенных местах и в необходимое время, она определяется наследственностью. Но на внутреннюю среду могут вредно воздействовать и внешние факторы, как, например, недостаточное питание или болезнь. Потенциально идеальная наследственность и внутренняя среда оказываются бесполезными, если мать эмбриона заболевает тяжелой пневмонией, ведущей к аборту.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Первичные половые клетки (ППК). Миграция и экспрессия генов
Первичные половые клетки (ППК) — родоначальники половых клеток (гамет). У многих видов, например мушек Drosophila, рыбок Danio rerio и червей С. elegans, половые клетки образуются из герминативной плазмы, которая в свою очередь является производной цитоплазмы, содержащей детерминанты герминативных клеток. В отличие от них, у млекопитающих судьба ППК определяется характером межклеточного взаимодействия, для которого необходимы молекулы адгезии Е-кадгерин и сигналы от окружающих тканей.
Миграция первичных половых клеток (ППК) из основания аллантоиса к генитальной складке была прослежена с помощью окрашивания щелочной фосфатазой. Позднее она была визуализирована in vivo присоединением зеленого флюоресцирующего белка (GFB), экспрессируемого под контролем фактора Oct-4, специфичного именно для ППК (Oct-4:GFP). ППК имеют экстрагонадпое происхождение из эндодермы желточного мешка и части аллантоиса, образующейся из задних отделов первичной полоски.
Первичные половые клетки (ППК) начинают четко визуализироваться с 7,5 дня после коитуса (дпк — единица измерения возраста эмбриона, в частности, у мышей) во время гаструляции благодаря повышенной экспрессии ими щелочной фосфатазы и Oct-4:GFP. В это время ППК становятся видны в дне аллантоиса, откуда они пассивно мигрируют вдоль эндодермы, достигая эпителиального слоя задней кишки к 8 дпк. Затем с приобретением подвижности за счет образования длинных псевдоподий, на 9-й дпк они активно проходят через стенку задней кишки.
С 9,5 до 11,5 дпк первичные половые клетки (ППК) мигрируют вдоль дорсальной брыжейки по направлению к генитальным складкам, расположенным в крыше целомической полости. У ППК отсутствует половая дифференцировка вплоть до 12,5 дпк, когда они сливаются с соматическими клетками гонад, имеющими мезодермальное происхождение, чтобы начать формирование яичников или яичек. В процессе миграции ППК пролиферируют путем митоза каждые 18 ч, благодаря чему их популяция возрастает с менее чем 100 клеток-предшественников до 3000 клеток к 11,5 дпк и приблизительно 25 000 клеток к 13,5 дпк.
Известно несколько генов, необходимых для образования, миграции и выживания первичных половых клеток (ППК) в эмбрионах мышей. В экстраэмбриональной эктодерме, прилегающей к проксимальному эпибласту, где к 6,5 дпк находятся предшественники первичных половых клеток (ППК), в большом количестве экспрессируются костный морфогенный протеин 4 (ВМР4 — от англ. bone morphogenetic protein) и 8b. Эти два протеина считаются важнейшими факторами дифференцировки клеток-предшественников в ППК: на гомозиготных ноль-мутированных по ВМР4 и ВМР8b моделях мышей было показано отсутствие образования первичных половых клеток (ППК).
BMP — представители надсемейства трансформирующего фактора роста b (ТФР-b), к которому также относятся семейство ТФР-b и активины. Эти сигнальные молекулы выполняют разнообразные, зачастую крайне важные функции в процессе эмбрионального развития и поддержания гомеостаза тканей во взрослом организме. Сигнальную функцию они осуществляют за счет образования гетеро- и гомодимеров высококонсервативного С-терминального домена, содержащего 6-7 цистеиновых остатков, которые имеют крайне важное значение для поддержания структуры, стабильности и функций этих протеинов.
Передача сигнала представителями надсемейства ТФР-b осуществляется с помощью связывания с серин/треонинкиназными мембранными рецепторами, приводящего к фосфорилированию белков семейства Smad [аббревиатура образована от названий генов С. elegans (sma) и Drosophila (mad)].
Комплексы Smad способны связывать ДНК и опосредовать активацию или угнетение транскрипции. Известно, что белки Smad-1 и Smad-5 находятся дальше в сигнальной цепочке BMP и могут принимать значительное участие в развитии ППК, так как утрата этих белков приводит к уменьшению популяции ППК.
Миграция первичных половых клеток (ППК) через стенку задней кишки вдоль брыжейки регулируется за счет связывания тирозинкиназного рецептора c-Kit, экспрессируемого в ППК, его лигандом, фактором стволовых клеток (ФСК; stem cell factor — Set) . Последний экспрессируется соматическими клетками, и именно его градиент по ходу миграции ППК направляет их движение. Мутации в локусах W (доминантной белой пятнистости) и Steel, кодирующих соответственно рецептор c-Kit и ФСК, приводят у мышей к дефектам гаметогенеза. При этом ППК хотя и образуются, но не пролиферируют, мигрируют в эктопические области и преждевременно группируются, вследствие чего генитальные складки заселяются герминативными клетками в недостаточной степени и животные остаются стерильными.
Интересно, что в этих моделях с мутированными мышами также обнаруживаются дефекты меланогенеза и кроветворения, так как описываемые гены необходимы также для миграции меланоцитов и тучных клеток. ППК также экспрессируют субъединицы интегрина, способного взаимодействовать с ламинином и фибронектином, синтезируемыми соматическими клетками генитальных складок в процессе формирования гонад. Например, интегрин b1 необходим для заселения гонад ППК, так как у мутированных мышей, не имеющих интегрин b1, миграция ППК останавливается на этапе эндодермы кишки.
Зародышевые клетки, расположенные в гонадах, являются непосредственными носителями наследственных черт и сырьем, над которым работает внутренняя и внешняя среда. Каждая зародышевая клетка имеет свою наследственность, которая позволяет ей развиваться почти так же, как до этого развивались ее прямые предки.
Я говорю „почти" потому, что в некоторых, еще необъясненных случаях отдельные зародышевые клетки изменяются, о чем свидетельствует тот факт, что виды время от времени обнаруживают внезапные изменения, которые генетики называют мутациями. Было сделано много попыток экспериментально изменить зародышевую плазму и получить искусственно вызванные мутации новых особей, отличающихся некоторыми особенностями от своих предков.
Испытывались алкоголь, свинец и другие яды, так как предполагали, что они могут повреждать зародышевую плазму и поэтому вызывать появление более слабого потомства. Однако в некоторых случаях при таких экспериментах получались более сильные линии крыс или морских свинок. Возможно, что этот результат объясняется гибелью наиболее слабых особей. Аналогичные результаты долгое время получались у домашних животных при селекционном разведении и массовом забое менее желательных экземпляров.
Лишь недавно настоящие мутации были искусственно получены под влиянием больших доз рентгеновых лучей. Мутанты, полученные таким образом, были «истинными мутантами», так как потомство проявляло свойства, образовавшиеся у их родителей, когда последние находились еще на стадии гамет. Такие случаи можно отнести к разряду «наследования приобретенных свойств» и только их следует принимать во внимание.
До этого никакое уродующее воздействие на взрослых особей, даже в течение многих поколений (как, например, обрезание) не оказывало ни малейшего генетического влияния на расу.
Любопытно, что врачи до сих пор еще встречают среди малообразованных пациентов веру в то, что предыдущее совокупление может определенным образом повлиять на потомство от последующего совокупления. Воображаемое сходство с предыдущим мужем, приписываемое потомству от второго мужа, «объясняется» на этой основе. Телегония, как называют это фантастическое поверье, потеряла всякую поддержку со стороны науки.
Спермин и яйцеклетки у взрослых людей легко обнаружить в семенниках и яичниках. Само по себе, однако, изучение этих дефинитивных гамет не дает возможности установить их происхождение при развитии особи. Ранние этапы развития гамет в настоящее время изучены весьма слабо.
У очень ранних эмбрионов всех позвоночных, включая человека, вписаны специальные большие клетки в желточном мешке, которые значительно отличаются от своих соседей. Они появляются задолго до того, как становится возможным установить пол эмбриона, т. е. до закладки гонад. Эти большие клетки отождествляются некоторыми исследователями с первичными половыми клетками. Они полагают, что эти клетки мигрируют из энтодермы желточного мешка к своему окончательному местоположению в гонадах.
У эмбрионов различных млекопитающих, включая эмбрионы человека, первичные половые клетки описаны в первичной кишке, в окружающей ее мезодерме и, наконец, в эпителии развивающихся гонад. Дефинитивные половые клетки, мужские или женские, по мнению некоторых исследователей, возникают из этих первичных половых клеток путем последовательных митотических делений. Имеются, однако, другие исследователи, которые отрицают, что большие клетки, видимые в энтодерме, являются в действительности половыми клетками.
Наконец, третьи соглашаются с тем, что эти клетки могут быть первичными половыми клетками, но утверждают, кто эти специальные клетки погибают и резорбируются и что дефинитивные половые клетки возникают из новых генераций клеток, образующихся позже из зачаткового эпителия гонад. Так или иначе первичные половые клетки очень рано становятся отчетливо видимыми в зачатковом эпителии эмбриональных гонад, и группы их прорастают из зачаткового эпителия в глубжележащие ткани гонад.
Половые клетки человека, хромосомы, оплодотворение
Половые клетки — гаметы (от греч. gametes — «супруг») можно обнаружить уже у двухнедельного эмбриона человека. Их называют первичными половыми клетками. В это время они совсем не похожи на сперматозоиды или яйцеклетки и выглядят абсолютно одинаковыми. Никаких различий, присущих зрелым гаметам, на этой стадии развития зародыша обнаружить у первичных половых клеток не удается. Это не единственная их особенность. Во-первых, первичные половые клетки появляются у зародыша гораздо раньше собственно половой железы (гонады), а во-вторых, они возникают на значительном удалении от того места, где эти железы сформируются позднее. В определенный момент происходит совершенно удивительный процесс — первичные половые клетки дружно устремляются к половой железе и заселяют, «колонизируют» ее.
После того, как будущие гаметы попали в половые железы, они начинают интенсивно делиться, и количество их увеличивается. На этом этапе половые клетки содержат пока то же количество хромосом, что и «телесные» (соматические) клетки — 46. Однако для успешного осуществления своей миссии половые клетки должны иметь в 2 раза меньше хромосом. В противном случае после оплодотворения, то есть слияния гамет, клетки зародыша будут содержать не 46, как установлено природой, а 92 хромосомы. Нетрудно догадаться, что в следующих поколениях их число прогрессивно бы увеличивалось. Чтобы избежать такой ситуации формирующиеся половые клетки проходят специальное деление, которое в эмбриологии называется мейоз (греч. meiosis — «уменьшение»). В результате этого удивительного процесса диплоидный (от греч. diploos — «двойной»), набор хромосом как бы «растаскивается» на составляющие его одинарные, гаплоидные наборы (от греч. haploos — одиночный). В результате из диплодной клетки с 46 хромосомами получаются 2 гаплоидные клетки с 23 хромосомами. Вслед за этим наступает завершающий этап формирования зрелых половых клеток. Теперь в гаплоидной клетке копируются имеющиеся 23 хромосомы и эти копии используются для образования новой клетки. Таким образом, в результате описанных двух делений из одной первичной половой клетки образуется 4 новых.
Причем, в сперматогенезе (греч. genesis — зарождение, развитие) в результате мейоза появляется 4 зрелых сперматозоида с гаплоидным набором хромосом, а в процессе формирования яйцеклетки — в оогенезе (от греч. oon — «яйцо») только одна. Это происходит потому, что образовавшийся в результате мейоза второй гаплоидный набор хромосом яйцеклетка не использует для формирования новой зрелой половой клетки — ооцита, а «выбрасывает» их, как «лишние», наружу в своеобразном «мусорном контейнере», который называется полярным тельцем. Первое деление хромосомного набора завершается в оогенезе выделением первого полярного тельца непосредственно перед овуляцией. Второе репликационное деление происходит только после проникновения сперматозоида внутрь яйцеклетки и сопровождается выделением второго полярного тельца. Для эмбриологов полярные тельца — очень важные диагностические показатели. Есть первое полярное тельце, значит яйцеклетка зрелая, появилось второе полярное тельце — оплодотворение произошло.
Первичные половые клетки, оказавшиеся в мужской половой железе, до поры до времени не делятся. Их деление начинается только в период полового созревания и приводит к образованию когорты так называемых стволовых диплоидных клеток, из которых и формируются сперматозоиды. Запас стволовых клеток в яичках постоянно пополняется. Здесь уместно напомнить описанную выше особенность сперматогенеза — из одной клетки образуется 4 зрелых сперматозоида. Таким образом, после полового созревания у мужчины в течение всей жизни формируются сотни миллиардов новых сперматозоидов.
Формирование яйцеклеток протекает иначе. Едва заселив половую железу, первичные половые клетки начинают интенсивно делиться. К 5 месяцу внутриутробного развития их количество достигает 6-7 миллионов, но затем происходит массовая гибель этих клеток. В яичниках новорожденной девочки их остается не более 1-2 миллионов, к 7-летнему возрасту — всего лишь около 300 тысяч, а в период полового созревания 30 —50 тысяч. Общее же число яйцеклеток, которые достигнут зрелого состояния за период половой зрелости, будет еще меньше. Хорошо известно, что в течение одного менструального цикла в яичнике обычно созревает лишь один фолликул. Нетрудно подсчитать, что в течение репродуктивного периода, продолжающегося у женщин 30 — 35 лет, образуется около 400 зрелых яйцеклеток.
Если мейоз в сперматогенезе начинается в период полового созревания и повторяется миллиарды раз в течение жизни мужчины, в оогенезе формирующиеся женские гаметы вступают в мейоз еще в периоде внутриутробного развития. Причем начинается этот процесс почти одновременно у всех будущих яйцеклеток. Начинается, но не заканчивается! Будущие яйцеклетки доходят только до середины первой фазы мейоза, а дальше процесс деления блокируется на 12 — 50 лет! Лишь с приходом половой зрелости мейоз в оогенезе продолжится, причем не всех клеток сразу, а лишь для 1- 2 яйцеклеток ежемесячно. Полностью же процесс мейотического деления яйцеклетки завершится, как уже было сказано выше, только после ее оплодотворения! Таким образом, сперматозоид проникает в яйцеклетку, еще не завершившую деление, имеющую диплоидный набор хромосом!
Сперматогенез и оогенез — очень сложные и во многом загадочные процессы. Вместе с тем очевидна подчиненность их законам взаимосвязи и обусловленности природных явлений. Для оплодотворения одной яйцеклетки in vivo (лат. в живом организме) необходимы десятки миллионов сперматозоидов. Мужской организм вырабатывает их в гигантских количествах практически всю жизнь.
Вынашивание и рождение ребенка является чрезвычайно тяжелой нагрузкой на организм. Врачи говорят, что беременность — это проба на здоровье. Каким родится ребенок — напрямую зависит от состояния здоровья матери. Здоровье, как известно, не вечно. Старость и болезни, к сожалению, неотвратимы. Природа дает женщине строго ограниченное невосполнимое число половых клеток. Снижение способности к деторождению развивается медленно, но постепенно по наклонной. Наглядное доказательство того, что это действительно так, мы получаем, ежедневно оценивая результаты стимуляции яичников в программах ВРТ. Большая часть яйцеклеток обычно израсходована к 40 годам, а к 50 годам весь их запас полностью исчерпывается. Нередко так называемое истощение яичников наступает значительно раньше. Следует также сказать, что яйцеклетка подвержена «старению», с годами ее способность к оплодотворению снижается, процесс деления хромосом все чаще нарушается. Заниматься деторождением в позднем репродуктивном возрасте рискованно из-за возрастающей опасности рождения ребенка с хромосомной патологией. Типичным примером является синдром Дауна, который возникает из-за оставшейся при делении третьей лишней 21 хромосомы. Таким образом, ограничив репродуктивный период, природа охраняет женщину и заботится о здоровом потомстве.
По каким законам происходит деление хромосом? Как передается наследственная информация? Для того чтобы разобраться с этим вопросом, можно привести простую аналогию с картами. Представим себе молодую супружескую пару. Назовем их условно — Он и Она. В каждой его соматической клетке находятся хромосомы черной масти — трефы и пики. Набор треф от шестерки до туза он получил от своей мамы. Набор пик — от своего папы. В каждой ее соматической клетке хромосомы красной масти — бубны и червы. Набор бубен от шестерки до туза она получила от своей мамы. Набор червей — от своего папы.
Для того чтобы получить из диплоидной соматической клетки половую клетку, число хромосом должно быть уменьшено вдвое. При этом половая клетка обязательно должна содержать полный одинарный (гаплоидный) набор хромосом. Ни одна не должна потеряться! В случае карт такой набор можно получить следующим образом. Взять наугад из каждой пары карт черной масти по одной и таким образом сформировать два одиночных набора. Каждый набор будет включать все карты черной масти от шестерки до туза, однако, какие именно это будут карты (трефы или пики) определил случай. Например, в одном таком наборе шестерка может быть пиковой, а в другом — трефовой. Нетрудно прикинуть, что в примере с картами при таком выборе одиночного набора из двойного мы можем получить 2 в девятой степени комбинаций — более 500 вариантов!
Точно также будем составлять одиночный набор из ее карт красной масти. Получим еще более 500 разных вариантов. Из его одиночного и ее одиночного набора карт составим двойной набор. Он получится мягко сказать «пестреньким»: в каждой паре карт одна будет красной масти, а другая — черной. Общее число таких возможных наборов 500×500, то есть 250 тысяч вариантов.
Примерно также, по закону случайной выборки, поступает и природа с хромосомами в процессе мейоза. В результате из клеток с двойным, диплоидным набором хромосом получаются клетки, каждая из которых содержит одиночный, гаплоидный полный набор хромосом. Предположим, в результате мейоза в вашем теле образовалась половая клетка. Сперматозоид или яйцеклетка — в данном случае не важно. Она обязательно будет содержать гаплоидный набор хромосом — ровно 23 штуки. Что именно это за хромосомы? Рассмотрим для примера хромосому № 7. Это может быть хромосома, которую вы получили от отца. С равной вероятностью она может быть хромосомой, которую вы получили от матери. То же самое справедливо для хромосомы № 8, и для любой другой.
Поскольку у человека число хромосом гаплоидного набора равно 23, то число возможных вариантов половых гаплоидных клеток, образующихся из диплоидных соматических, равно 2 в степени 23. Получается более 8 миллионов вариантов! В процессе оплодотворения две половые клетки соединяются между собой. Следовательно, общее число таких комбинаций будет равно 8 млн. х 8 млн. = 64000 млрд. вариантов! На уровне пары гомологичных хромосом основа этого разнообразия выглядит так. Возьмем любую пару гомологичных хромосом вашего диплоидного набора. Одну из таких хромосом вы получили от матери, но это может быть хромосома либо вашей бабушки, либо вашего дедушки по материнской линии. Вторую гомологичную хромосому вы получили от отца. Однако она опять-таки может быть независимо от первой либо хромосомой вашей бабушки, либо вашего дедушки уже по отцовской линии. А таких гомологических хромосом у вас 23 пары! Получается невероятное число возможных комбинаций. Неудивительно, что при этом у одной пары родителей, рождаются дети, которые отличаются друг от друга и внешностью, и характером.
Кстати, из приведенных выше расчетов следует простой, но важный вывод. Каждый человек, ныне здравствующий, или когда-либо живший в прошлом на Земле, абсолютно уникален. Шансы появления второго такого же практически равны нулю. Поэтому не надо себя ни с кем сравнивать. Каждый из вас неповторим, и тем уже интересен!
Однако вернемся к нашим половым клеткам. Каждая диплоидная клетка человека содержит 23 пары хромосом. Хромосомы с 1 по 22 пару называются соматическим и по форме они одинаковы. Хромосомы же 23-й пары (половые хромосомы) одинаковы только у женщин. Они и обозначаются латинскими буквами ХХ. У мужчин хромосомы этой пары различны и обозначаются ХY. В гаплоидном наборе яйцеклетки половая хромосома всегда только Х, сперматозоид же может нести или Х или Y хромосому. Если яйцеклетку оплодотворит Х сперматозоид, родится девочка, если Y сперматозоид — мальчик. Все просто!
Образование и созревание сперматозоидов, как уже было сказано, происходит в семенных канальцах мужской половой железы — яичках. Сформированный сперматозоид имеет длину около 50-60 микрон. Ядро сперматозоида находится в его головке. Оно содержит отцовский наследственный материал. За головкой располагается шейка, в которой имеется крупная извитая митохондрия — органоид, обеспечивающий движения хвоста. Иначе говоря, это своеобразная «энергетическая станция». На головке сперматозоида есть «шапочка». Благодаря ей форма головки — овальная. Но, дело не в форме, а в том, что содержится под «шапочкой». «Шапочка» эта на самом деле является контейнером и называется акросомой, а содержатся в ней ферменты, которые способны растворять оболочку яйцеклетки, что необходимо для проникновения сперматозоида внутрь — в цитоплазму яйцеклетки. Если у сперматозоида нет акросомы, головка у него не овальная, а круглая. Эта патология сперматозоидов называется глобулоспермия (круглоголовые сперматозоиды). Но, беда опять не в форме, а в том, что такой сперматозоид не может оплодотворить яйцеклетку, и мужчина с таким нарушением сперматогенеза до начала 90-х прошлого столетия был обречен на бездетность. Сегодня благодаря ВРТбесплодие у этих мужчин может быть преодолено, но об этом мы расскажем позднее в главе, посвященной микроманипуляциям, в частности, ИКСИ.
Перемещение сперматозоида осуществляется за счет движения его хвостика. Скорость движения сперматозоида не превышает 2-3 мм в минуту. Казалось бы, немного, однако, за 2-3 часа в женском половом тракте сперматозоиды проходят путь, в 80000 раз превышающий их собственные размеры! Будь на месте сперматозоида в этой ситуации человек, ему пришлось бы двигаться вперед со скоростью 60-70 км/час — то есть со скоростью автомобиля!
Сперматозоиды, находящиеся в яичке, неподвижны. Способность к движению они приобретают лишь, проходя по семявыводящим путям под воздействием жидкостей семявыводящих протоков и семенных пузырьков, секрета предстательной железы. В половых путях женщины сперматозоиды сохраняют подвижность в течение 3 — 4 суток, но оплодотворить яйцеклетку они должны в течение 24 часов. Весь процесс развития от стволовой клетки до зрелого сперматозоида длится примерно 72 дня. Однако, поскольку сперматогенез происходит непрерывно и в него одномоментно вступает громадное число клеток, то в яичках всегда есть большое количество спермиев, находящихся на разных этапах сперматогенеза, а запас зрелых сперматозоидов постоянно пополняется. Активность сперматогенеза индивидуальна, но с возрастом снижается.
Как мы уже говорили, яйцеклетки находятся в фолликулах яичника. В результате овуляции яйцеклетка попадает в брюшную полость, откуда она «вылавливается» фимбриями маточной трубы и переносится в просвет ее ампулярного отдела. Именно здесь происходит встреча яйцеклетки со сперматозоидами.
Какое же строение имеет зрелая яйцеклетка? Она довольно крупная и достигает 0,11-0,14 мм в диаметре. Сразу после овуляции яйцеклетка окружена скоплением мелких клеток и желатинообразной массой (так называемым лучистым венцом). Видимо, в таком виде фимбриям маточной трубы удобнее захватывать яйцеклетку. В просвете маточной трубы с помощью ферментов и механического воздействия (биения ресничек эпителия), происходит «очистка» яйцеклетки от лучистого венца. Окончательно освобождение яйцеклетки от лучистого венца происходит после встречи ее со сперматозоидами, которые буквально облепляют яйцеклетку. Каждый сперматозоид выделяет из акросомы фермент, растворяющий не только лучистый венец, но и действующий на оболочку самой яйцеклетки. Эта оболочка называется блестящей, так она выглядит под микроскопом. Выделяя фермент, все сперматозоиды стремятся оплодотворить яйцеклетку, но блестящая оболочка пропустит лишь один из них. Получается, что устремляясь к яйцеклетки, воздействуя на нее коллективно, сперматозоиды «расчищают дорогу» только для одного счастливчика. Отбором сперматозоида роль блестящей оболочки не ограничивается, на ранних стадиях развития эмбриона она поддерживает упорядоченное расположение его клеток (бластомеров). В какой-то момент блестящая оболочка становится тесной, она разрывается и происходит хетчинг (от анг. hatching — «вылупление») — вылупление эмбриона. Эмбрион готов к имплантации в эндометрий.
Читайте также: