Признаки готовности ооцитов к мейозу. Растворение герминативного пузырька (ГП)

Обновлено: 08.05.2024

Рождение! Что это такое? Рождение! Мое рождение никак не есть мое начало. Мое начало и в той (совершенно непостижимой для меня) тьме, в которой я был зачат до рождения, и в моем отце, в матери, в дедах, прадедах, ибо ведь они тоже я, только в несколько иной форме, из которой весьма многое повторилось во мне почти тождественно..

(И. А. Бунин - Собр. соч. в 9-ти томах, М., 1966, т.5 с.300).

Разговор о ранней беременности следует начинать не с оплодотворения. Так как успех прогестации во многом определяется зрелостью ооцита, для полноты понимания процессов прогестации целесообразно проследить судьбу материнской гаметы, яйцеклетки. А начинается ее развитие еще тогда, когда сама будущая мать находится в утробе.

На третьей неделе внутриутробной жизни в экстраэмбриональной области в непосредственной близости к эндодерме желточного мешка появляются примордиальные герминальные клетки (4З). С четвертой недели жизни, благодаря активным амебоидным движениям, эти клетки продвигаются между соседними клетками. Двигаясь в вентральной стенке задней кишки, а затем в корне брыжейки, они достигают закладок яичников. С шести-восьми недель начинается выраженное митотическое деление оогоний, достигающее зенита в двадцать недель (6-7 млн. зародышевых клеток). Однако судьбой 99,9% всех зародышевых клеток является атрезия, а не овуляция (90).

Процесс атрезии, впервые заметный в сроки 15 недель беременности, к моменту рождения элиминирует 80% всех зародышевых клеток. К менархе их остается только 400 тысяч(98). В 7-12 недель беременности оогонии вступают в первое мейотическое деление и останавливаются в стадии диплотена профазы 1, становясь первичными ооцитами. Завершение первого мейотического деления с отщеплением первого полярного тельца сможет произойти только в двух случаях: 1) в доминантном фолликуле за 36 часов до овуляции, вслед за волной лютеинизирующего гормона (ЛГ) или 2) при спонтанном созревании в процессе атрезии.

Блокада мейоза, по-видимому, осуществляется фолликулярным микроокружением ооцита. Околоовоцитарные клетки всегда остаются в тесной связи с яйцеклеткой с помощью своих цитоплазматических отростков, пронизывающих блестящую оболочку и соприкасающихся с плазматической мембраной ооцита (5). Полипептидная субстанция, осуществляющая блокаду мейоза, была обнаружена в фолликулярной жидкости и экстрактах клеток гранулезы свиньи. Она была названа ингибитором созревания ооцита (oocyte maturation inhibitor, OMI) (121). Существование подобного фактора у человека могло бы объяснить тот факт, что ооциты, аспирированные из фолликулов средних размеров, спонтанно продолжают мейоз in vitro при помещении в сбалансированный солевой раствор. Кроме того, участие клеток гранулезы во внутрифолликулярной блокаде мейоза подтверждается возобновлением мейоза в присутствии дегенерирующих гранулезных клеток, например, в атретических фолликулах (55). Таким образом, созревание ооцитов блокировано во всех фолликулах, кроме преовуляторных и атретических (20).

Исследования, проведенные в последнее десятилетие, позволили уточнить многие механизмы регуляции менструального цикла женщины, и в настоящее время можно считать доказанным, что у приматов главная роль в оркестровке менструального цикла принадлежит не гипоталамо-гипофизарной оси, как считалось раньше, а доминантному фолликулу. Доминантным называется такой фолликул, развитие которого не заканчивается атрезией, а достигает стадии граафова пузырька, вслед за которой наступит овуляция и образуется желтое тело. Только в доминантном фолликуле в физиологических условиях создается микроокружение, благоприятствующее истинному созреванию яйцеклетки.

Доминантный фолликул одновременно является главной мишенью гонадотропных гормонов и основным источником сигналов обратной связи, определяющих при условии зрелости гипоталамо-гипофизарной оси цикличность репродуктивных процессов женского организма, которые каждый месяц готовят его (организм) к беременности. Наконец, именно, доминантный фолликул создает неблагоприятные условия для созревания остальных фолликулов данной когорты и обусловливает их атрезию.

Учитывая то, что "хорошая" яйцеклетка, то есть яйцеклетка, способная после оплодотворения к нормальному развитию, созревает только в доминантном фолликуле, для понимания процессов ранней беременности важно знать яичниковый цикл. Созревание гипоталамо-гипофизарной оси женщины знаменует начало циклической менструальной функции. Между первым и пятым днем менструального цикла группа фолликулов (когорта) начинает отвечать на возрастающие уровни гонадотропинов по типу, совершенно отличному от фолликулярного роста, не связанного с гормональной цикличностью.

Фолликулы когорты отвечают на повышающиеся значения фолликулостимулирующего гормона (ФСГ) ростом первичного ооцита и митотической пролиферацией клеток гранулезы. Общее количество рецепторов ФСГ в гранулезе увеличивается как за счет этой пролиферации, так и за счет прироста числа рецепторов в отдельных клетках (93). ФСГ, действуя через систему аденилатциклазы, индуцирует ароматазную ферментную систему. Превращение андрогенов в эстрогены путем ароматизации в клетках гранулезы регулирует выработку эстрогенов фолликулом, лучше всего объяснимую гипотезой внутрифолликулярного синтеза эстрогенов "две клетки/два гормона" (96).

В преантральном и антральном фолликуле рецепторы ФСГ имеются только в клетках гранулезы, а рецепторы ЛГ — только в текальных клетках. Хотя как гранулеза, так и текальные клетки способны синтезировать все три класса половых стероидов, исследования in vitro (77) показали, что текальные клетки отвечают на действие ЛГ продукцией андрогенов, а клетки гранулезы через индуцированную ФСГ ароматазную систему превращают эти андрогены в эстрогены. Такое взаимодействие между клетками гранулезы и теки наиболее выражено в больших антральных фолликулах. Эстрогены, действуя в синергизме с ФСГ, способствуют в дальнейшем увеличению содержания рецепторов ФСГ в фолликуле и, таким образом, в начале цикла фолликулы, составляющие когорту, стимулируются для развития до преантральной и антральной стадий.

Самый ранний признак выбора доминантного фолликула — асимметричная секреция эстрогенов яичниками — появляется между шестым и восьмым днями цикла (25). Способность к ответу на гонадотропные воздействия, уже начиная с седьмого дня цикла, остается исключительно у доминантного фолликула (26). Асимметрия секреции эстрогенов яичниками сигнализирует об установлении в доминантном фолликуле самоподдерживающегося эстрогенного микроокружения, подавляющего остальные фолликулы. Конверсия андрогенов в эстрогены усилена в доминантном фолликуле.

Повышение уровня циркулирующего эстрадиола, возникающее в результате усиленной выработки его доминантным фолликулом, оказывает отрицательное обратное действие на выработку ФСГ гипофизом. Это ограничивает количество ФСГ, доступного менее развитым фолликулам, и как следствие этого ароматазная система в них угасает и в этих фолликулах создается андрогенное микроокружение, ведущее к атрезии. Антральная структура доминантного фолликула закрепляет в нем сохранение эстрогенной среды. Еще большее усиление различий в доступности ФСГ для доминантного фолликула и для фолликулов, обреченных на атрезию, создает действие нестероидного ингибитора ФСГ, вырабатываемого в доминантном фолликуле.

Фолликулостатин или, как его еще называют, яичниковый ингибин, был обнаружен в фолликулярной жидкости свиньи и вызывал понижение секреции ФСГ гипофизом у здоровых животных (48). Есть косвенные свидетельства наличия фолликулостатина у женщины (98). Хотя сродство клеток гранулезы к ЛГ не меняется с созреванием фолликула, число рецепторов ЛГ в клетках гранулезы повышается при действии эстрогенов и ФСГ (94).

В условиях депривации ФСГ только доминантный фолликул продолжает вырабатывать значительное количество эстадиола и таким образом момент пика ЛГ находится целиком под контролем эстрогенной секреции доминантного фолликула. Телеологическая цель такого контроля — предотвращение случайной флуктуации уровня эстрогенов, которая могла бы раньше времени вызвать пик ЛГ. Если бы волна ЛГ наступала лишь на один — два дня раньше положенного срока, т.е. раньше адекватной подготовки фолликула ФСГ и эстрадиолом, она встретила бы гранулезные клетки лишь с небольшим количеством рецепторов для ЛГ/ХГ, что вело бы, да и ведет чаще, чем хотелось бы, к образованию неполноценного желтого тела.

Уровень эстрадиола, превышающий 200 нмоль/мл в течение, по крайней мере, 30-50 часов, вызывает волну ЛГ. Так как к этому времени в доминантном фолликуле в норме уже накоплено адекватное количество рецепторов ЛГ/ХГ, с повышением уровня ЛГ крови начинается лютеинизация гранулезных клеток.

Лютеинизация означает накопление липидов и пигмента лютеина в гранулезных клетках и сигнализирует о начале секреции прогестерона, как в фолликулярную жидкость, так и в кровоток в ответ на ЛГ. Есть мнение, что небольшой пик ФСГ обусловлен секрецией прогестерона в предовуляторный период. Преждевременная лютеинизация, по-видимому, предотвращается третьим фолликулярным нестероидным ингибитором, ингибитором лютеинизации (luteinization inhibitor, LI) (19).

Одновременно с ростом чувствительности клеток гранулезы к ЛГ продолжается стимуляция возрастающими концентрациями ЛГ текальных клеток. Андрогенная продукция теки всех растущих фолликулов постоянно увеличивается. Эти андрогены, особенно андростендион и тестостерон, в доминантном фолликуле являются субстратом для образования эстрадиола и эстрона. Концентрация эстрадиола в преовуляторном фолликуле составляет в норме 1000-1800 нг/мл.

Прогестерон вызывает повышение активности коллагеназы и активатора плазминогена, поэтому секреция растущих количеств прогестерона гранулезными клетками ведет к повышению растяжимости стенки фолликула. Одновременно ЛГ вызывает повышение концентрации простагландинов в фолликулярной жидкости. Некоторое повышение уровня ФСГ, также имеющее место в это время, еще более повышает концентрацию активатора плазминогена и вызывает накопление в яйценосном бугорке гиалуронидазы. Простагландины стимулируют освобождение лизосомальных ферментов и сокращение гладкомышечных волокон теки и, таким образом, играют ключевую роль в овуляции (98). Есть мнение, что участие простагландинов в ослаблении стенки фолликула заключается не столько в стимуляции коллагеназы, сколько в торможении синтеза коллагена (53).

В рамках программ по оплодотворению вне организма и переносу зародышей внимание многих исследователей было направлено на определение оптимальных параметров фолликулярной жидкости в отношении созревания яйцеклетки. Интересные результаты были получены на кафедре акушерства и гинекологии №2 Венского университета. Австрийские авторы установили, что концентрация простагландина F2-альфа (40) была значительно выше в преовуляторных фолликулах, чем в остальных фолликулах, но различия в активности коллагеназы обнаружено не было. Самые высокие концентрации простагландинов были в найдены в тех фолликулах, яйцеклетки которых в последствии дали начало наиболее жизнеспособным зародышам. Главным источником простагландинов является, скорее всего, клетки гранулезы. Кстати, простагландины, очевидно, являются и главным виновником болей в середине цикла (Mittelschmertz), так как возникают эти 6оли не во время овуляции, а примерно за сутки до нее (53).

Если в отношении изучения гормонального микроокружения, существующего в доминантном фолликуле, в последние годы был достигнут значительный прогресс, этого нельзя сказать о выяснении механизмов созревания яйцеклетки. До сих пор они известны лишь в общих чертах. Созревание яйцеклетки условно разделяют на созревание ядра и созревание цитоплазмы. Под созреванием ядра понимают совокупность процессов, переводящих ядро из стадии диплотена I (или стадии герминативного пузырька) до метафазы II второго мейотического деления. Созревание ядра не включает в себя завершение мейоза, так как только проникновение сперматозоида внутрь яйцеклетки вызывает завершение второго редукционного деления. Таким образом, термин "созревание" относится к совокупности процессов между двумя периодами естественной остановки развития ооцита (32).

Созревание ядра ооцита включает в себя и морфологические изменения. Одно из первых по времени изменений касается ядрышка: оно теряет волокнистый характер, конденсируется и к моменту распада ядерной мембраны исчезает вообще. В момент овуляции временно исчезают ворсинки и сокращаются отростки фолликулярных клеток (106). Механизмы регуляции созревания ядра изучены пока недостаточно. Выше упоминалось о факторе торможения мейоза. Есть работы, показывающие роль гонадотропинов, гранулезных и текальных клеток в контроле мейоза.

Mandelbaum et al. обращают внимание на то, что созревание ядра далеко не всегда сопровождается созреванием цитоплазмы: "Несмотря на высокий процент созревания ядра, полученный в культуре, эти яйцеклетки не оплодотворяются из-за отсутствия цитоплазматического созревания."

Это созревание включает в себя индуцированные гонадотропинами биохимические изменения, зависящие, по-видимому, от действия стероидов (104, 117, 124). Только при созревании яйцеклетки in vivo может быть осуществлено пока созревание цитоплазмы, одним из важных моментов которого является появление фактора роста мужского пронуклеуса (male pronucleus growth factor, MPGF) (117). Изучение яйцеклетки внутри фолликула in vitro у человека крайне затруднено. Возможно, что многие проблемы можно будет решить, культивируя не отдельные ооциты, а фолликулы целиком. Такая методика уже разработана, хотя и требует усовершенствования (161).

Все сложные и недостаточно изученные механизмы, обеспечивающие ежемесячное созревание яйцеклетки работают вхолостую, если не происходит оплодотворения, события, знаменующего собой начало развития нового организма. Оплодотворение - это совокупность явлений, заканчивающихся слиянием мужской и женской половых клеток и восстановлением диплоидного хросомного набора (76). Современные взгляды на механизмы, обеспечивающие встречу гамет, будут изложены ниже. В первую очередь целесообразно разобрать механизм оплодотворения per se.

Введение в медицину репродукции. Зачатие у человека. Подготовка яйцеклетки к зачатию.

Рождение! Что это такое? Рождение! Мое рождение никак не есть мое начало. Мое начало и в той (совершенно непостижимой для меня) тьме, в которой я был зачат до рождения, и в моем отце, в матери, в дедах, прадедах, ибо ведь они тоже я, только в несколько иной форме, из которой весьма многое повторилось во мне почти тождественно.” (И. А. Бунин - Собр. соч. в 9-ти томах, М., 1966, т.5 с.300).

На третьей неделе внутриутробной жизни в экстраэмбриональной области в непосредственной близости к эндодерме желточного мешка появляются примордиальные герминальные клетки (4З). С четвертой недели жизни, благодаря активным амебоидным движениям, эти клетки продвигаются между соседними клетками. Двигаясь в вентральной стенке задней кишки, а затем в корне брыжейки, они достигают закладок яичников. С шести-восьми недель начинается выраженное митотическое деление оогоний, достигающее зенита в двадцать недель (6-7 млн. зародышевых клеток). Однако судьбой 99,9% всех зародышевых клеток является атрезия, а не овуляция (90).

Процесс атрезии, впервые заметный в сроки 15 недель беременности, к моменту рождения элиминирует 80% всех зародышевых клеток. К менархе их остается только 400 тысяч (98). В 7-12 недель беременности оогонии вступают в первое мейотическое деление и останавливаются в стадии диплотена профазы 1, становясь первичными ооцитами. Завершение первого мейотического деления с отщеплением первого полярного тельца сможет произойти только в двух случаях: 1) в доминантном фолликуле за 36 часов до овуляции, вслед за волной лютеинизирующего гормона (ЛГ) или 2) при спонтанном созревании в процессе атрезии.

Блокада мейоза, по-видимому, осуществляется фолликулярным микроокружением ооцита. Околоовоцитарные клетки всегда остаются в тесной связи с яйцеклеткой с помощью своих цитоплазматических отростков, пронизывающих блестящую оболочку и соприкасающихся с плазматической мембраной ооцита (5). Полипептидная субстанция, осуществляющая блокаду мейоза, была обнаружена в фолликулярной жидкости и экстрактах клеток гранулезы свиньи. Она была названа ингибитором созревания ооцита (oocyte maturation inhibitor, OMI) (121). Существование подобного фактора у человека могло бы объяснить тот факт, что ооциты, аспирированные из фолликулов средних размеров, спонтанно продолжают мейоз in vitro при помещении в сбалансированный солевой раствор. Кроме того, участие клеток гранулезы во внутрифолликулярной блокаде мейоза подтверждается возобновлением мейоза в присутствии дегенерирующих гранулезных клеток, например, в атретических фолликулах (55). Таким образом, созревание ооцитов блокировано во всех фолликулах, кроме преовуляторных и атретических (20).

Исследования, проведенные в последнее десятилетие, позволили уточнить многие механизмы регуляции менструального цикла женщины, и в настоящее время можно считать доказанным, что у приматов главная роль в оркестровке менструального цикла принадлежит не гипоталамо-гипофизарной оси, как считалось раньше, а доминантному фолликулу. Доминантным называется такой фолликул, развитие которого не заканчивается атрезией, а достигает стадии граафова пузырька, вслед за которой наступит овуляция и образуется желтое тело. Только в доминантном фолликуле в физиологических условиях создается микроокружение, благоприятствующее истинному созреванию яйцеклетки.

Учитывая то, что "хорошая" яйцеклетка, то есть яйцеклетка, способная после оплодотворения к нормальному развитию, созревает только в доминантном фолликуле, для понимания процессов ранней беременности важно знать яичниковый цикл. Созревание гипоталамо-гипофизарной оси женщины знаменует начало циклической менструальной функции. Между первым и пятым днем менструального цикла группа фолликулов (когорта) начинает отвечать на возрастающие уровни гонадотропинов по типу, совершенно отличному от фолликулярного роста, не связанного с гормональной цикличностью.

В преантральном и антральном фолликуле рецепторы ФСГ имеются только в клетках гранулезы, а рецепторы ЛГ — только в текальных клетках. Хотя как гранулеза, так и текальные клетки способны синтезировать все три класса половых стероидов, исследования in vitro (77) показали, что текальные клетки отвечают на действие ЛГ продукцией андрогенов, а клетки гранулезы через индуцированную ФСГ ароматазную систему превращают эти андрогены в эстрогены. Такое взаимодействие между клетками гранулезы и теки наиболее выражено в больших антральных фолликулах. Эстрогены, действуя в синергизме с ФСГ, способствуют в дальнейшем увеличению содержания рецепторов ФСГ в фолликуле и, таким образом, в начале цикла фолликулы, составляющие когорту, стимулируются для развития до преантральной и антральной стадий.

В рамках программ по оплодотворению вне организма и переносу зародышей внимание многих исследователей было направлено на определение оптимальных параметров фолликулярной жидкости в отношении созревания яйцеклетки. Интересные результаты были получены на кафедре акушерства и гинекологии №2 Венского университета. Австрийские авторы установили, что концентрация простагландина F2-альфа (40) была значительно выше в преовуляторных фолликулах, чем в остальных фолликулах, но различия в активности коллагеназы обнаружено не было. Самые высокие концентрации простагландинов были в найдены в тех фолликулах, яйцеклетки которых в последствии дали начало наиболее жизнеспособным зародышам. Главным источником простагландинов является, скорее всего, клетки гранулезы. Кстати, простагландины, очевидно, являются и главным виновником болей в середине цикла (Mittelschmertz), так как возникают эти 6оли не во время овуляции, а примерно за сутки до нее (53).

Созревание ядра ооцита включает в себя и морфологические изменения. Одно из первых по времени изменений касается ядрышка: оно теряет волокнистый характер, конденсируется и к моменту распада ядерной мембраны исчезает вообще. В момент овуляции временно исчезают ворсинки и сокращаются отростки фолликулярных клеток (106). Механизмы регуляции созревания ядра изучены пока недостаточно. Выше упоминалось о факторе торможения мейоза. Есть работы, показывающие роль гонадотропинов, гранулезных и текальных клеток в контроле мейоза.

Mandelbaum et al. обращают внимание на то, что созревание ядра далеко не всегда сопровождается созреванием цитоплазмы: "Несмотря на высокий процент созревания ядра, полученный в культуре, эти яйцеклетки не оплодотворяются из-за отсутствия цитоплазматического созревания."

Это созревание включает в себя индуцированные гонадотропинами биохимические изменения, зависящие, по-видимому, от действия стероидов (104, 117, 124). Только при созревании яйцеклетки in vivo может быть осуществлено пока созревание цитоплазмы, одним из важных моментов которого является появление фактора роста мужского пронуклеуса (male pronucleus growth factor, MPGF) (117). Изучение яйцеклетки внутри фолликула in vitro у человека крайне затруднено. Возможно, что многие проблемы можно будет решить, культивируя не отдельные ооциты, а фолликулы целиком. Такая методика уже разработана, хотя и требует усовершенствования (161).

Сперматогенез и овогенез

Гаметогенезом называют процесс образования половых клеток (гамет). Этот процесс происходит у мужских и женских особей в гонадах (половых железах), представленных семенниками (яичками) и яичниками.

Гаметы (n) образуются в результате мейоза из клеток-предшественников (2n, как у соматических клеток). Половые клетки гаплоидны, то есть имеют в два раза меньшее число хромосом, чем клетки-предшественники. Мужская (n) и женская (n) гаметы, сливаясь друг с другом в процессе оплодотворения, образуют зиготу (2n).

Таким образом, за счет гаплоидности гамет (в результате мейоза) поддерживается постоянное количество хромосом в ряду поколений, не происходит их удвоения.

Процессы сперматогенеза и овогенеза (оогенеза) требуют нашего более детального изучения.

Сперматогенез (греч. sperma - семя + genesis - зарождение)

В ходе фазы размножения диплоидные сперматогенные клетки (2n2c) многократно делятся митозом, в результате образуются сперматогонии (2n2c) - стволовые клетки. Часть сперматогоний вступает в последующее митотическое деление, образуя такие же сперматогонии (2n2c).

Половые клетки в этой фазе называются сперматоцитами I порядка, они теряют способность к митотическому делению.

В этот период клетка растет, увеличивается количество органоидов и цитоплазмы. Происходит подготовка к мейозу, который начинается в следующей фазе - созревания.

На фазу роста приходится S-период: происходит удвоение ДНК, в результате чего набор хромосом сперматоцита I порядка становится (2n4c).

Происходит первое деление мейоза (мейоз I). В результате из сперматоцитов I порядка (2n4c) образуются сперматоциты II порядка (n2c). Между мейозом I и мейозом II практически отсутствует интерфаза, поэтому сперматоциты II порядка (n2c) сразу же вступают в мейоз II, в результате которого образуются сперматиды (nc).

Итак, в фазу созревания происходят первое и второе деления мейоза, которые приводят к тому, что образовавшаяся клетка - сперматида - имеет гаплоидный набор хромосом (nc).

В этой фазе у каждой сперматиды отрастает жгутик, после чего они получают полное право называться сперматозоидами. У основания жгутика концентрируются митохондрии - "энергетические станции клетки", которые всегда будут готовы предоставить АТФ для его активной работы.

Овогенез, или оогенез (греч. ōón — яйцо + genesis - зарождение)

Оогенезом называют процесс формирования женских гамет (половых клеток) - яйцеклеток. Он активируется в женском организме в период полового созревания (под действием женских половых гормонов) и длится до менопаузы (45-55 лет).

В результате многократных делений клеток яичника образуются стволовые клетки - овогонии (2n2c).

Половые клетки в этой фазе называются ооцитами I порядка, они теряют способность к митотическому делению.

В овогенезе эта фаза отличается более длительной продолжительностью, по сравнению с такой же фазой в сперматогенезе. Клетки накапливают большой запас питательных веществ. В этот период происходит удвоение ДНК в S-периоде - набор хромосом и ДНК ооцитов I порядка становится 2n4c.

Ооциты I порядка (2n4c) вступают в первое деление мейоза, в результате которого образуются ооциты II порядка (n2c) и первое полярное (направительное) тельце, которое не несет большой функциональной значимости и подвергается дегенерации.

Второе деление мейоза начинается только после взаимодействия овоцита II порядка (n2c) со сперматозоидом. В результате этого образуется яйцеклетка (nc) и второе полярное тельце, которое также подвергается дегенерации.

Строго говоря, при овуляции из яичников выходит не "яйцеклетка", а ооцит II порядка, который ждет встречи со сперматозоидом для продолжения деления и развития будущего зародыша. Если такого взаимодействия не происходит, то яйцеклетка подвергается дегенерации.

Оплодотворение

Оплодотворение - ключевой процесс полового размножения, обусловленный слиянием сперматозоида и яйцеклетки. После оплодотворения в результате ряда стадий образуется эмбрион.

Сперматозоид (nc) обладает положительным химическим таксисом к яйцеклетке (nc). Оплодотворение - слияние сперматозоида с яйцеклеткой и образование зиготы (2n2c).

При внутреннем оплодотворении сперматозоид сливается с яйцеклеткой в женских половых путях, куда самец вводит семенную жидкость со сперматозоидами.

При внешнем оплодотворении сперматозоид сливается с яйцеклеткой вне половых путей самки, например, у двустворчатых моллюсков оплодотворение происходит в мантийной полости самки.

Внешнее оплодотворение характерно для рыб, земноводных, моллюсков. Внутреннее - для пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Митоз и мейоз

С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.

Здесь и в дальнейшем мы будем пользоваться генетической формулой клетки, где "n" - число хромосом, а "c" - число ДНК (хроматид). Напомню, что в состав каждой хромосомы может входить как одна молекула ДНК (одна хроматида) (nc), либо две (n2c).

Клеточный цикл включает в себя несколько этапов: деление (митоз), постмитотический (пресинтетический), синтетический, постсинтетический (премитотический) период. Три последних периода составляют интерфазу - подготовку к делению клетки.

₁

Интенсивно образуются органоиды (рибосомы и другие), синтезируется белки, АТФ и все виды РНК, ферменты, клетка растет.

Длится 6-10 часов. Важнейшее событие этого периода - удвоение ДНК, вследствие которого к концу синтетического периода каждая хромосома состоит из двух хроматид. Происходит удвоение центриолей (репликация центриолей). Активно синтезируются структурные белки ДНК - гистоны.

Короткий, длится 2-6 часов. Это время клетка тратит на подготовку к последующему процессу - делению клетки, синтезируются белки (тубулин для веретена деления) и АТФ, делятся митохондрии и хлоропласты.

Митоз (греч. μίτος - нить)

Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде.

Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c.

Бесформенный хроматин в ядре начинает собираться в четкие оформленные структуры - хромосомы - происходит это за счет спирализации ДНК (вспомните мой пример ассоциации хромосомы с мотком ниток)
Оболочка ядра распадается, хромосомы оказываются в цитоплазме клетки
Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуются центры веретена деления

ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры).

Самая короткая фаза митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, распадаются на отдельные хроматиды. Нити веретена деления тянут хроматиды (синоним - дочерние хромосомы) к полюсам клетки.

Начинается процесс деспирализации ДНК, хромосомы исчезают и становятся хроматином (вспомните ассоциацию про раскрученный моток ниток)
Появляется ядерная оболочка, формируется ядро
Разрушаются нити веретена деления

В телофазе происходит деление цитоплазмы - цитокинез (цитотомия), в результате которого образуются две дочерние клетки с набором 2n2c. В клетках животных цитокинез осуществляется стягиванием цитоплазмы, в клетках растений - формированием плотной клеточной стенки (которая растет изнутри кнаружи).

Образовавшиеся в телофазе дочерние клетки 2n2c вступают в постмитотический период. Затем в синтетический период, где происходит удвоение ДНК, после чего каждая хромосома состоит из двух хроматид - 2n4c. Клетка с набором 2n4c и попадает в профазу митоза. Так замыкается клеточный цикл.

В результате митоза образуются дочерние клетки - генетические копии (клоны) материнской.
Митоз является универсальным способом бесполого размножения, регенерации и протекает одинаково у всех эукариот (ядерных организмов).
Универсальность митоза служит очередным доказательством единства всего органического мира.

Попробуйте самостоятельно вспомнить фазы митоза и описать события, которые в них происходят. Особенное внимание уделите состоянию хромосом, подчеркните сколько в них содержится молекул ДНК (хроматид).

Мейоз

Мейоз (от греч. μείωσις — уменьшение), или редукционное деление клетки - способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.

В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе).

Как уже было сказано, мейоз состоит из двух делений: мейоза I (редукционного) и мейоза II (эквационного). Первое деление называют редукционным (лат. reductio - уменьшение), так как к его окончанию число хромосом уменьшается вдвое. Второе деление - эквационное (лат. aequatio — уравнивание) очень похоже на митоз.

Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер.

Конъюгация (лат. conjugatio — соединение) - сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом - биваленты (лат. bi - двойной и valens - сильный).

После конъюгации становится возможен следующий процесс - кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.

Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства.

Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.

Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки - n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением.

Происходит цитокинез - деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением - мейозом II.

Мейоз II весьма напоминает митоз по всем фазам, поэтому если вы что-то подзабыли: поищите в теме про митоз. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы).

В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку - nc. В этом и состоит сущность мейоза - образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки - половые клетки (гаметы).

Сейчас мы возьмем клетку, в которой 4 хромосомы. Попытайтесь самостоятельно описать фазы и этапы, через которые она пройдет в ходе мейоза. Проговорите и осмыслите набор хромосом в каждой фазе.

Помните, что до мейоза происходит удвоение ДНК в синтетическом периоде. Из-за этого уже в начале мейоза вы видите их увеличенное число - 2n4c (4 хромосомы, 8 молекул ДНК). Я понимаю, что хочется написать 4n8c, однако это неправильная запись!) Ведь наша исходная клетка диплоидна (2n), а не тетраплоидна (4n) ;)

Поддерживает постоянное число хромосом во всех поколениях, предотвращает удвоение числа хромосом
Благодаря кроссинговеру возникают новые комбинации генов, обеспечивается генетическое разнообразие состава гамет
Потомство с новыми признаками - материал для эволюции, который проходит естественный отбор

Бинарное деление надвое

Митоз и мейоз возможен только у эукариот, а как же быть прокариотам - бактериям? Они изобрели несколько другой способ и делятся бинарным делением надвое. Оно встречается не только у бактерий, но и у ряда ядерных организмов: амебы, инфузории, эвглены зеленой.

При благоприятных условиях бактерии делятся каждые 20 минут. В случае, если условия не столь благоприятны, то больше времени уходит на рост и развитие, накопление питательных веществ. Интервалы между делениями становятся длиннее.

Амитоз (от греч. ἀ - частица отрицания и μίτος - нить)

Способ прямого деления клетки, при котором не происходит образования веретена деления и равномерного распределения хромосом. Клетки делятся напрямую путем перетяжки, наследственный материал распределяется "как кому повезет" - случайным образом.

Амитоз встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.

Голосеменные

Спешу обрадовать, мы добрались до изучения семенных растений! К ним относятся голосеменные и покрытосеменные (цветковые). До этого размножение шло только с помощью спор: у мхов, папоротников, хвощей и плаунов - высших споровых растений. Настало время открыть новую интересную главу этой книги, посвященную растениям, которые размножаются с помощью удивительного изобретения природы - семени.

Голосеменные - распространенная древняя группа растений, включающая небольшое число видов. Главной особенностью данной группы являются "голо" (то есть открыто) лежащие семяпочки и, в дальнейшем, развивающиеся из них семена. Иными словами, у голосеменных растений отсутствуют замкнутые вместилища для семян.

На примере типичного представителя - сосны обыкновенной, относящейся к классу хвойных, поговорим о характерных чертах данного класса и голосеменных растений в целом.

Общие признаки

Все голосеменные представлены древесными формами: деревьями и кустарниками. Травы отсутствуют.

Хвоинки (хвоя) - игольчатые видоизменения листьев. Сохраняются долгие годы, у некоторых сосен до 45 лет. Хвоя лиственниц опадает ежегодно.

Древесина голосеменных обладает большим запасом механической прочности. Это связано с ее особенностями: она состоит из трахеид с окаймленными порами, паренхима развита слабо. Либриформ (древесные волокна) и настоящие сосуды отсутствуют (исключение - гнетовые, имеют сосуды). Клетки-спутницы во флоэме также отсутствуют.

В древесине и коре имеются каналы, заполненные смолой. Однако, есть исключения - у гинкго смола не образуется вовсе.

Несколько веков назад в России целенаправленно создавались и охранялись, так называемые, корабельные рощи. Это, прежде всего, требовалось для флота, так как мачты кораблей изготавливали из сосен, отвечающих всем требованиям - корабельных (гладкий, твердый и прочный прямой ствол с минимальным количеством сучков и смолы).

Семяпочки и развивающиеся из них семена лежат "голо", открыто, для них нет закрытых вместилищ, отсутствует завязь. В сравнении с высшими споровыми растениями, размножение семенами ставит голосеменных на более высокий уровень организации.

Голосеменным растениям для размножения не требуется вода, опыление у них происходит с помощью ветра. Этот процесс перестал быть зависимым от капельно-жидкой среды, как было у мхов и у папоротников. Благодаря этому голосеменные получили большое преимущество и смогли расселиться по всей Земле, в том числе в засушливых районах. Они господствовали в юрском периоде, когда климат стал более сухим и жарким.

Обитают голосеменные в местах с холодным климатом и достаточным количеством влаги. Имеются виды, обитающие в жарких странах: растение вельвичия удивительная обитает в пустынях южной Африки.

Строение и жизненный цикл

Жизненный цикл голосеменных состоит из чередования бесполого поколения - спорофита (диплоиден, 2n), и полового поколения - гаметофита (гаплоиден, n). Господствует (доминирует) в цикле спорофит (2n) - это взрослое растение сосны.

Голосеменные относятся к разноспоровым, как и все семенные растения. Они образуют разные споры: крупные женские (мегаспоры) и мелкие мужские (микроспоры). Образуются они в спорангиях, расположенных на спорофиллах, которые собраны в стробилы (шишки) - от лат. strobilus - сосновая шишка.

Мужские шишки (стробилы)

К концу весны у основания молодых побегов образуются мужские шишки (стробилы) - мелкие, собранные в тесные группы, желтого цвета. Чешуи мужских шишек представляют собой микроспорофиллы. Микроспорофиллы - гомологи тычинок, которые крепятся к оси каждой шишки спирально, с нижней стороны, и имеют два пыльцевых мешка - микроспорангия.

Образование мужского гаметофита

Из материнских клеток (2n) в микроспорангии путем мейоза образуются 4 микроспоры (n). Строение микроспоры следующее: она покрыта экзиной (от гр.exo снаружи, вне) - наружная оболочка, изнутри интиной (от лат. intus внутри) - внутренней оболочкой. В составе микроспоры имеются также два воздухоносных мешка, образованных в результате отслоения экзины от интины и возникновения полости между ними.

Микроспора делится, не покидая спорангия, преобразуется в заросток. При делении из ядра микроспоры образуются две клетки. Одна из них превращается в две заростковые клетки (протоллиальные - от греч. проталлиум - заросток) - быстро отмирают и исчезают. Их функция до конца не изучена.

Из другой клетки в ходе митоза также образуются две: антеридиальная, из которой развиваются мужские половые клетки - спермии (неподвижные, без жгутиков в отличие от сперматозоидов), и более крупная вегетативная клетка, из которой в дальнейшем формируется пыльцевая трубка.

Мужской гаметофит сильно упрощен, антеридии отсутствуют. Формируется он прямо внутри микроспоры, которая в итоге превращается в пыльцевое зерно. Совокупность пыльцевых зерен называется пыльца.

При вскрытии (нарушении целостности) микроспорангия, или пыльцевого мешка, пыльца высыпается во внешнюю среду и достигает женской шишки, где, в результате опыления, внутри семязачатка происходит дальнейшее развитие мужского гаметофита.

Образование женского гаметофита

На тех же самых соснах, где расположены мужские шишки, лежат и женские. Весной на верхушке молодого побега появляются мелкие (около 5 мм) красноватые шишки - это женские шишки (стробилы). Состоят они из оси (стержня) , на котором располагаются две чешуи: кроющая и семенная. На верхней стороне у основания семенной чешуи лежат два семязачатка.

Кроющая чешуя представляет собой видоизмененный лист, в его пазухе находится семенная чешуя. Семенная чешуя - видоизмененный боковой побег.

Женские шишки (стробилы)

Именно открыто расположенные семязачатки (семяпочки) служат причиной, по которой этот отдел растений называется - голосеменные.

В женских шишках, в отличие от мужских, каждая чешуя гомологична целой мужской шишке (стробилу). То есть одна чешуя - целой мужской шишке, а не отдельным ее микроспорофиллам (чешуям)!

Молодой семязачаток состоит из нуцеллуса, интегумента и фуникулуса. Нуцеллус (от лат. nucella - орешек) - центральная часть семяпочки, соответствующая мегаспорангию. Интегумент (от лат. integumentum покрывало) - покров семяпочки, вырастающий из ее центральной части - нуцеллуса. В зрелом семени интегумент преобразуется в семенную кожуру. Фуникулус (от лат. funiculus канатик, верёвка) или семяножка - часть семязачатка, соединяющая его с мегаспорофиллом (семенным чешуями).

На интегументе около вершины располагается микропиле (пыльцевход) - через него после опыления пыльцевая трубка проникает в нуцеллус. Между интегументом и нуцеллусом имеется густая жидкость, выступающая из микропиле. Подсыхая, она втягивается внутрь семязачатка и затягивает вместе с собой пыльцу, осевшую на ней.

В средней части обособляется спорогенная клетка (2n) (археспориальная - от греч. arche начало и sporá семя). В результате ее митотического деления образуются материнские клетки спор - спороциты (2n), однако и сама археспориальная клетка может выступать в роле спороцита, минуя стадию митоза. Спороциты (2n) делятся мейозом на четыре гаплоидные (n) мегаспоры.

Три мегаспоры отмирают, остается одна, которая многократно делится митозом и формирует эндосперм - запасное питательное вещество. Обратите на этот факт особое внимание: у голосеменных эндосперм гаплоидный (n) и образуется до оплодотворения. Такой эндосперм называется - первичный, он соответствует женскому гаметофиту.

Как и мужской, женский гаметофит весьма упрощен и заключен внутри мегаспоры. На верхушке женского гаметофита (мегагаметофита) образуется архегоний с яйцеклеткой (n). У гнетовых архегонии отсутствуют.

Жизненный цикл

На спорофите (2n) в микроспорангиях из материнских клеток (2n) путем мейоза образуются микроспоры (n). Из микроспоры формируется пыльцевое зерно. Пыльца (пыльцевые зерна (n)) с помощью ветра попадает в женские шишки, где улавливается густой жидкостью между интегументом и нуцеллусом, выступающей из микропиле. Жидкость засасывает пыльцу внутрь семязачатка на нуцеллус (в пыльцевую камеру). После того, как опыление произошло, микропиле зарастает. Чешуи шишки смыкаются и склеиваются смолой.

Семязачатки в этот момент еще не готовы к оплодотворению, так что от момента опыления до оплодотворения проходит около 13 месяцев. За это время в семязачатке формируется эндосперм, женская шишка увеличивается до 3-4 см и приобретает зеленую окраску.

Оказавшись на мегаспорангии, наружная оболочка пыльцевого зерна (экзина) разрывается, из вегетативной клетки в направлении архегония начинает расти пыльцевая трубка. Антеридиальная клетка делится на генеративную (спермагенную) и клетку-ножку антеридия (функция последней до сих пор не изучена). Спермагенная клетка попадает в пыльцевую трубку, а из нее - в архегоний.

Непосредственно перед оплодотворением спермагенная клетка делится на два спермия (n), один из которых отмирает, а другой сливается с яйцеклеткой (n). Образуется зигота (2n), из которой формируется и растет зародыш благодаря эндосперму - запасу питательных веществ.

Окончательно созревают семена к осени на второй год после опыления, к этому моменту женские шишки увеличиваются в размерах до 6 см. Зеленая окраска меняется на серую, чешуйки расходятся, и семена, образовавшиеся из семязачатков, высыпаются. Из семени прорастает взрослое растение - спорофит (2n). Цикл замыкается.

Строение семени

Семенная кожура, защищающая семя от пересыхания и неблагоприятных факторов внешней среды, образована разросшимся интегументом.

Зародыш (2n) формируется в результате митотического деления образовавшейся зиготы. Состоит из зародышевого корешка, стебелька и почечки.

Число семядолей у голосеменных различается - от 2 до 15. Семядоли имеют доступ к запасным питательным вещества (эндосперму).

Запасные питательные вещества накапливаются в эндосперме (n). Особенностью в строении семени голосеменных, по сравнению с семенем покрытосеменных (цветковых) является наличие гаплоидного эндосперма (n). Не забывайте, что эндосперм у голосеменных это производное мегагаметофита (n), исходя из этого становится понятно, почему ткань гаплоидна. У цветковых, в отличие от голосеменных, эндосперм триплоиден (3n).

Фитонциды

Фитонциды (от греч. phyton - растение и лат. caedo - убиваю) - образуемые растениями, биологически активные вещества, убивающие или приостанавливающие размножение других организмов, главным образом - микробов. Обычно выделяются растениями в газообразном виде, к примеру, аллицин у лука и чеснока. Наличие фитонцидов играет крайне важную роль в формировании устойчивости растения к грибным заболеваниям.

Фитонциды имеют медицинское значение, из них изготавливаются некоторые препараты. За лето гектар лиственного леса выделят 2 кг фитонцидов, хвойного - 5 кг, можжевельника - 30 кг! Санатории часто располагаются в сосновых борах, где наблюдается повышенная концентрация фитонцидов. Вдыхание такого воздуха очень полезно при заболеваниях дыхательной системы инфекционной природы (когда возбудителями являются бактерии, грибы).

Значение голосеменных

Трудно переоценить значение голосеменных для человека, они очень важны. Голосеменные - источники высококачественной древесины, продуктов ее переработки. Являются звеном в цепи питания (продуцентами), основой многих биоценозов. Хвойные растения в больших количествах выделяют фитонциды, имеющие медицинское значение. Из смолы хвойных получают канифоль, скипидар, лаки. Кедровых орехи - это семена нескольких видов растений из рода сосна, которые употребляют в пищу.

Читайте также: