Под продолжительностью жизни половых клеток подразумевается их способность к оплодотворению или быть оплодотворенными. Изучение этого вопроса имеет не только теоретический интерес, оно имеет и несомненное практическое значение. Знание этих вопросов в известной мере может помочь в правильном суждении о времени наступившего зачатия. Разберем эти вопросы раздельно в отношении мужской половой клетки - сперматозоида и женской - яйцеклетки.
Жизнеспособность сперматозоида. Известно, что при половом акте мужское семя депонируется во влагалище, преимущественно в заднем своде (receptaculum seminis). В каждом эйякуляте здорового мужчины содержится около нескольких миллионов сперматозоидов. Однако под влиянием кислой влагалищной среды большая часть их погибает и только меньшая проникает в цервикальный канал шейки и тело матки. Под влиянием щелочной среды матки сперматозоиды приобретают еще большую подвижность. Путь от наружного маточного зева до ампулярной части трубы - расстояние, равное в среднем 20 см, сперматозоид преодолевает примерно за 2-3 ч. Этот путь может быть проделан и за более короткий срок: по данным Шуварского - за 30 мин (цит. по К. К. Скробанскому). Сперматозоиды, не принявшие участия в оплодотворении яйцеклетки, погибают и уничтожаются лейкоцитами. По поводу жизнеспособности сперматозоидов существуют различные взгляды. Behne и Hoehne определяют ее равной 2-3 дням, Nurnberger - 15 дням.
Для определения времени, в течение которого сохраняется оплодотворяющая способность сперматозоидов, находящихся в половом тракте крольчихи, Hammond произвел следующие опыты. Известно, что овуляция у крольчихи наступает через 10 ч после покрытия ее самцом. Введя искусственно сперматозоиды во влагалище крольчихи, автор затем покрывал ее самцом, у которого хирургическим путем был перевязан семявыводящий проток. Таким образом, самец при покрытии самки не мог выделить своих сперматозоидов и, если беременность наступала, то, следовательно, от тех сперматозоидов, которые были искусственно введены во влагалище. Покрывая таким самцом самок в различное время после их искусственного обсеменения, Гаммонд установил время жизнеспособности сперматозоидов. На рис. 149 представлен опыт Гаммонда. В результате этих опытов было установлено, что наибольшая оплодотворяющая способность сперматозоидов, находящихся в половом тракте крольчих, сохраняется в течение 18 ч, так как только в пределах этого времени беременность наступала в 90,9%.
Способность к оплодотворению яйцеклетки изучена еще меньше. Hoehne полагает, что яйцеклетка может быть оплодотворенной и по прошествии 3-4 дней после овуляции. По Гаммонду, наибольшее время жизнеспособности яйцевой клетки равняется 4 ч. Несмотря на то, что данные, полученные в эксперименте на животных, не могут быть безоговорочно отнесены к человеку, тем не менее они могут в известной мере характеризовать жизнеспособность половых клеток вообще, и в частности, у человека.
Время возможного зачатия еще менее изучено, так как не существует методов, с помощью которых можно было бы установить момент овуляции, наступление которой у женщины подвержено многочисленным колебаниям. Исходя из предполагаемых данных о сроке жизнеспособности яйцеклетки, наибольшая вероятность зачатия возможна в определенные дни менструального цикла. Так, при 32-дневном цикле этот момент совпадает с 16-20 днями, при 28-дневном - 12-16 и т. д. Эти особенности показаны на рис. 150 (цит. по К. К. Скробанскому).
Слияние гамет
Процесс слияния гамет, т.е. собственно оплодотворение, разделяют на три последовательные фазы:
) дистантное взаимодействие гамет и их сближение;
) контактное взаимодействие гамет и активизация яйцеклетки;
) вхождение сперматозоида в яйцо и последующее слияние гамет - сингамия.
Первая фаза (дистантное взаимодействие гамет) обеспечивается хемотаксисом - действием совокупности специфических факторов увеличивающих вероятность контакта половых клеток. Осуществляются на некотором расстоянии, до соприкосновения гамет друг с другом. Они направлены на повышение вероятности встречи сперматозоидов и яйцеклетки. Дистантные взаимодействия характерны для водных организмов, с наружным типом оплодотворения. При этом животные сталкиваются со следующими проблемами:
• осуществление встречи спермиев и яиц при их низкой концентрации в среде;
• предотвращение оплодотворения яиц спермиями другого вида. [8]
В ходе эволюции выработалось, соответственно и два механизма и для решения поставленных задач: видоспецифичное привлечение спермиев и видоспецифичная их активация.
Видоспецифичное привлечение спермиев доказано для многих животных: кишечнополостных, моллюсков, иглокожих и первично-хордовых. Оно представляет собой род хемотаксиса - и движения по градиенту концентрации вещества. В 80-х гг. XX удалось идентифицировать два видоспецифичных аттрактантасперматозоидов морских ежей - сперакт и резакт. Об вещества относятся к пептидам и содержат 10 и 14 аминокислотных остатков соответственно. Важную роль в этом хемотаксисе принадлежит гамонам - химическим веществам, вырабатываемым половыми клетками. Яйцеклетка способна продуцировать т.н. гиногамоны или фертилизины, а сперматозоид - андрогомогы. Гиногамон I - низкомолекулярное вещество небелковой природы, котороеактивирует движение сперматозоидов, повышая вероятность их встречи с яйцом. Гиногамон II - вещество белковой природы (гликопротеин), которое вызывает связывание сперматозоидов при взаимодействии с комплементарным ему андрогомоном II, встроенным в поверхностную оболочку спермия. Андрогомон I подавляет подвижность спермия. Андрогомон II разжижает студенистое вещество и растворяет оболочку яйца, поэтому его зачастую отождествляют с гиалуронидазой. Установлено, что яйцеклетки выделяют пептиды, способствующие привлечению сперматозоидов. Сразу после эякуляции сперматозоиды не способны к проникновению в яйцеклетку до тех пор, пока не произойдет капацитация - приобретение спермиями оплодотворяющей способности. Капацитация происходит в течение приблизительно семи часов под действием секрета женских половых путей. В процессе капацитации с плазмалеммы спермия в области акросомы удаляются гликопротеины и протеины семенной плазмы, что способствует акросомальной реакции. В механизме капацитации большое значение принадлежит действию гормонов, прежде всего прогестерона (гормон желтого тела), активизирующего секрецию железистых клеток яйцеводов. Во время капацитации происходят связывание холестерола цитолеммы спермия альбуминами женских половых путей и обнажение биохимических рецепторов половых клеток.
Оплодотворение происходит в ампулярной части яйцевода. Оплодотворению предшествует осеменение - дистантное взаимодействие и сближение гамет, обусловленное хемотаксисом.
Вторая фаза оплодотворения - контактное взаимодействие, во время которого сперматозоиды вращают яйцеклетку. Многочисленные спермии приближаются к яйцеклетке и вступают в контакт с её оболочкой. Яйцеклетка начинает совершать вращательные движения вокруг своей оси со скоростью ~4 оборота в минуту. Эти движения обусловлены биением жгутиков сперматозоидов, которые продолжаются около ~12 ч.
В процессе контактного взаимодействия мужской и женской половых клеток в спермиях происходит акросомальная реакция. Она заключается в слиянии наружной мембраны акросомы с передними двумя третями поверхности плазмалеммы спермия. Затем мембраны разрываются в области слияния и в среду высвобождаются ферменты акросомы. Запуск второй фазы оплодотворения происходит под влиянием сульфатированных полисахаридов блестящей (прозрачной) зоны. Они вызывают поступление ионов кальция и натрия в головку спермия, замещение ими ионов калия и водорода и разрыв мембраны акросомы. Прикрепление спермия к яйцеклетке происходит под влиянием углеводной группы фракции гликопротеинов прозрачной зоны яйцеклетки. Рецепторы спермия для прозрачной зоны представляют собой фермент гликозилтрансферазу. Этот фермент, находящийся на поверхности акросомы головки сперматозоида, «узнаёт» сахар N-ацетилглюкозамин - рецептор женской половой клетки. Плазматические мембраны в месте контакта половых клеток сливаются и происходит плазмогамия - объединение цитоплазм обеих гамет.
Сперматозоиды при контакте с яйцеклеткой могут связывать десятки тысяч молекул гликопротеида Zp3. При этом отмечается запуск акросомальной реакции. Акросомальная реакция характеризуется повышением проницаемости плазмалеммы спермия к ионам Са2+ и её деполяризацией. Это способствует слиянию плазмалеммы с передней мембраной акросомы.
Ферменты разрушают блестящую зону, спермий проходит через разрыв и входит в перивителлиновое пространство, расположенное между блестящей зоной и плазмалеммой яйцеклетки. Через несколько секунд изменяются свойства плазмалеммы яйцеклетки, и начинается кортикальная реакция, а ещё через несколько минут наступает зонная реакция, в процессе которой изменяются свойства блестящей зоны.
Оплодотворению способствуют сотни других, принимающих участие в осеменении, сперматозоидов. Ферменты, выделяемые из акросом, - спермолизины (трипсин, гиалуронидаза) разрушают лучистый венец, расщепляют гликозаминогликаны прозрачной зоны яйцеклетки. Отделяющиеся фолликулярные клетки склеиваются в конгломерат, который вслед за яйцеклеткой перемещается по маточной трубе благодаря мерцанию ресничек эпителиальных клеток слизистой оболочки маточной трубы.
Третья фаза оплодотворения - сингамия. В овоплазму проникают головка и промежуточная часть хвостового отдела. После вхождения сперматозоида в овоцит на периферии овоплазмы происходит её уплотнение (зонная реакция) и образуется оболочка оплодотворения.[1]. Кортикальная реакция - это слияние плазмалеммы яйцеклетки с мембранами кортикальных гранул. В результате этого содержимое из гранул выходит в перивителлиновое пространство и воздействует на молекулы гликопротеидов блестящей зоны. Вследствие этой зонной реакции молекулы Zp3 модифицируются и утрачивают способность быть рецепторами спермиев. Образуется оболочка оплодотворения толщиной ~50 нм, препятствующая полиспермии, то есть проникновению других спермиев. Механизм кортикальной реакции включает приток ионов натрия через участок мембраны сперматозоида, встроенный в поверхность яйцеклетки после завершения акросомальной реакции. В результате отрицательный мембранный потенциал клетки становится слабоположительным. Приток ионов натрия обусловливает высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо и увеличение его содержания в гиалоплазме яйцеклетки. Вслед за этим начинается экзоцитоз кортикальных гранул. Высвобождающиеся из них протеолитические ферменты разрывают связи между блестящей зоной и плазмалеммой яйцеклетки, а также между спермиями и прозрачной зоной. Кроме того, выделяется гликопротеид, связывающий воду и привлекающий её в пространство между плазмалеммой и блестящей зоной. Вследствие этого формируется перивителлиновое пространство. Наконец, выделяется фактор, способствующий отвердению прозрачной зоны и образованию из нее оболочки оплодотворения.
Благодаря механизмам предотвращения полиспермии только одно гаплоидное ядро сперматозоида получает возможность слиться с одним гаплоидным ядром яйцеклетки, что приводит к восстановлению характерного для всех клеток диплоидного набора хромосом. Проникновение сперматозоида в яйцеклетку через несколько минут значительно усиливает процессы внутриклеточного метаболизма, что связано с активизацией её ферментативных систем. Это служит стимулом для завершения второго деления мейоза, и овоцит второго порядка становится зрелым яйцом. При этом образуется также второе полярное тельце, которое тотчас же дегенерирует, а хвост сперматозоида рассасывается в цитоплазме ядра. Ядра обеих гамет превращаются в пронуклеусы и сближаются. Мембраны пронуклеусов разрушаются, а отцовские и материнские хромосомы прикрепляются к образовавшимся нитям веретена. К этому времени оба гаплоидных набора, содержащих у человека по 23 хромосомы, уже реплицировались, и возникшие в результате 46 пар хроматид выстраиваются по экватору веретена, как в метафазе митоза. Слияние пронуклеусов называется кариогамией и продолжается около ~12 ч. На этой стадии восстанавливается диплоидное число хромосом.[9] После слияния женского и мужского пронуклеусов оплодотворенное яйцо получает название зиготы (одноклеточный зародыш). Зигота проходит стадии анафазы и телофазы и завершает свое первое митотическое деление. Следующий за этим цитокинез приводит к образованию из одноклеточного зародыша двух диплоидных дочерних клеток. Уже на стадии зиготы выявляются презумптивные зоны (лат.: presumptio - вероятность, предположение) как источники развития соответствующих участков бластулы, из которых в дальнейшем формируются зародышевые листки. Процесс оплодотворения заканчивается и начинаются процессы дробления
Выводы
оплодотворение гамета сперматозоид сингамия
Оплодотворение - слияние сперматозоида с яйцеклеткой, завершающееся объединением их ядер в единое ядро оплодотворенного яйца (зиготу). У подавляющего большинства животных при нормальном развитии именно оплодотворение служит толчком к выходу яйцеклетки из анабиотического состояния, в котором она находится на последнем этапе стадии созревания.
Оплодотворение осуществляет две разные функции:
• половую - включает передачу генов от родителей потомкам;
• репродуктивную - включает инициацию в цитоплазме яйца тех реакций, которые позволяют продолжать развитие и создание нового организма.
Важная роль в процессе оплодотворения принадлежит сперматозоиду, он необходим для:
• активации яйца, побуждения его к началу развития (данная функция не специфична: в качестве активирующего фактора сперматозоид может быть заменен рядом физических или механических агентов, например при партеногенезе);
• внесения в яйцеклетку генетического материала отца.
Существует несколько принципов классификации процесса оплодотворения:
по месту проникновения сперматозоида в яйцеклетку:
• наружное (оплодотворение происходит во внешней среде);
• внутреннее (оплодотворение происходит в половых путях самки).
по количеству сперматозоидов участвующих в оплодотворении:
• моноспермное (один сперматозоид);
• полиспермное (два и более сперматозоидов)
У ряда беспозвоночных, рыб, хвостатых амфибий и птиц возможна полиспермия, когда в яйцо проникает несколько сперматозоидов, однако с ядром яйцеклетки сливается ядро только одного спермия.
Конкретные особенности оплодотворения очень сильно варьируют у различных видов. Взаимодействие гамет подразделяют на четыре стадии:
• дистантные взаимодействия;
• контактные взаимодействия;
• проникновение сперматозоида в яйцеклетку;
• слияние генетического материала.
После этих процессов начинаются процессы дробления.
Использованная литература
1. Алланазарова Н.А. “Биология индивидуального развития” (учебное пособие) Самарканд, 2002.
. Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А. “Гистология, цитология, эмбриология” М.: Медицина, 2001.
. Белоусов Л.В. “Основы общей эмбриологии” М.: Изд-во МГУ, 1993. С. 53-68.
. Гилберт С. “Биология развития” Т. 1. М.: Мир, 1993.
. Джелдубаева Э.Р. “Биология индивидуального развития. Курс лекций” - Симферополь, 2008г.
. Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология" - М.: Просвещение, 2000.
. Карлсон Б.М. “Основы эмбриологии по Пэттену.” Т. 1. М.: Мир, 1983.
. Кноррэ А. Г. “Краткий очерк эмбриологии человека” М.: Медицина, 1967.
. Токин Б.П. “Общая эмбриология” М.: Высш. школа, 1987.
. Юрина Н.А., Торбек В.Э., Румянцева Л.С. “Основные этапы эмбриогенеза позвоночных животных и человека” М., 1984.