Процесс у большинства эукариот, связанный с развитием новых организмов из половых клеток, называют половым размножением. Половое размножение встречается в основном у высших организмов. Это более поздний вид размножения (существует около 3 млрд лет). Оно обеспечивает значительное генетическое разнообразие и, следовательно, большую фенотипическую изменчивость потомства; организмы получают большие эволюционные возможности, возникает материал для естественного отбора.
Половое размножение имеет очень большие преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. Появление новых комбинаций генов обеспечивает более успешное и быстрое приспособление вида к меняющимся условиям обитания.
В половом размножении участвуют две особи: мужская и женская, и у каждой из них в специализированных органах – половых железах – образуются половые клетки – гаметы. Развитие половых клеток – гаметогенез. Женские гаметы (яйцеклетки) – образуются в яичниках, мужские (сперматозоиды) – в семенниках. В результате слияния гамет образуется оплодотворенная я/к – зигота, несущая наследственные задатки обоих родителей, благодаря чему у потомков возникают новые комбинации генов, не свойственные родительским особям. Половое размножение имеет огромное биологическое значение – оно создает возможность перекомбинации, поэтому потомство м.б. более жизнеспособным. Развитие мужских половых клеток называют сперматогенезом, а женских — овогенезом.
Рассмотренное различие сперматогенеза и овогенеза способствует образованию во много раз большего числа сперматозоидов по сравнению с я/к. Это необходимо для обеспечения оплодотворения наибольшего числа я/к и, следовательно, для сохранения вида.
В процессе образования половых клеток выделяют три стадии.
Первая стадия - период размножения, в котором первичные половые клетки делятся путем митоза, в результате чего увеличивается их количество. При сперматогенезе размножение первичных половых клеток начинается с наступления половой зрелости и протекает в течение всего репродуктивного периода. Размножение женских первичных клеток у низших позвоночных также продолжается в течении всей жизни и затухает лишь к старости. У млекопитающих женские половые клетки размножаются только во внутриутробном периоде развития плода и сохраняются в состоянии покоя до полового созревания.
Вторая стадия - период роста. У незрелых мужских гамет он выражен незначительно. Напротив, будущие яйцеклетки - овоциты - увеличиваются в размерах иногда в сотни, а чаще в тысячи и даже миллионы раз. У одних животных овоциты растут в течение нескольких дней или недель, у других рост продолжается месяцы и годы.
Третья стадия - период созревания или мейоз, где происходит превращение первичных половых клеток в сперматозоиды и яйцеклетки.
Схема стадий созревания половых клеток.
А — зона размножения; Б — зона роста; В — зона созревания: 1 — сперматозоиды, 2 — яйцеклетка, 3 — направительные тельца
Сперматогенез – процесс образования сперматозоидов. Он начинается с того, что незрелая половая клетка увеличивается в размерах и приступает к первому делению мейоза. Из исходной образуется 2 клетки, которые претерпевают второе деление мейоза. В результате 2-х мейотических делений из каждой незрелой мужской половой клетки образуются 4 зрелые клетки с гаплоидным набором Х. Все 4 клетки одинаковы по величине, созревают и образуют 4 сперматозоида. Процесс образования сперматозоидов у человека занимает 70 дней.
Овогенез - образование женских половых гамет. Идет по той же схеме, но с некоторыми существенными отличиями. В результате неравномерного распределения цитоплазмы как при первом, так и при втором делениях мейоза только в одной клетке оказывается большой запас питательных веществ, необходимых для развития будущего зародыша. Следовательно, образуется только одна зрелая я/к с гаплоидным набором Х и три маленькие клеточки (направительные тельца), которые в последствии погибают. При овогенезе наряду с мейозом происходит т.н. созревание я/к, во время которого значительно увеличивается ее объем.
Строение гамет.
Строение яйцеклетки млекопитающего:
I — цитоплазма; 2 — ядро; 3 — оболочка; 4 — фолликулярные клетки
Я/к разных организмов различаются по своему строению и размерам. Н-р, у мыши – 60 мкм, у чел-ка – 150-200 мкм. Форма я/к обычно округлая, в ее цитоплазме расположены митохондрии, рибосомы и большое кол-во запасных питательных веществ в виде желточных зерен и белка. Ядро я/к активно функционирует, что связано с процессами биосинтеза белка. Я/к неподвижны.
Яйцо птицы имеет сложное строение, и яйцеклетка - это та часть яйца, которую обычно называют желтком. Диаметр желтка в яйце курицы достигает 3 см и более. На одной стороне желтка расположено белое пятно, в котором находится ядро и окружающий его тонкий слой, свободный от желточных зерен цитоплазмы. Зародыш развивается именно в этой части яйцеклетки, а остальной желток - это питательный материал, обеспечивающий питание развивающегося цыпленка. Желток - совокупность питательных веществ (жиров, белков, углеводов, витаминов и др.), необходимых для питания развивающегося зародыша. Он синтезируется в печени, в особой растворимой форме переносится кровью в яичник, проникает в растущие овоциты и откладывается там в виде желточных пластинок. Кроме того, в самой будущей половой клетке синтезируются многочисленные белки и большое количество разнообразных РНК: транспортных, рибосомных и информационных. РНК обеспечивает синтез белков на ранней стадии развития, когда собственная наследственная информация еще не используется.
Строение сперматозоидов.
Сперматозоиды намного мельче я/к. У разных животных они разной формы, но большинство из них имеют головку и хвостик. При созревании сперматозоидов в отличие от я/к происходит уменьшение их размеров. Митохондрии сосредоточены у основания хвостика и поставляют энергию для его колебаний. Благодаря колебаниям хвостика зрелые сперматозоиды активно движутся и достигают я/к.