Тема 3. Морфология и физиология гамет

В природе существуют два основных типа размножения – половое и бесполое. Большинству многоклеточных свойственно половое размножение, при котором женская половая клетка – яйцо – соединяется с мужской половой клеткой – сперматозоидом. При этом образуется одна оплодотворенная яйцеклетка – зигота ( от греч. zygota – спаренная) в отличии от половых клеток гамет (gamos –брак). Зигота по существу уже является организмом в самом начале его развития. При бесполом размножении специализированные клетки не образуются, новому организму дают начало соматические (телесные клетки).

Каковы же основные отличия половых клеток от соматических.

1 Сперматозоиды и яйцеклетки имеют не диплоидный набор хромосом, что свойственно соматическим клеткам, а гаплоидный. Т.е. в 2 раза уменьшенный. Например, у пчел 32 – 16; у человека – 46-23.

2.У половых клеток резко уменьшенное по сравнению с соматическими ядерно-плазменное соотношение. Ниже мы остановимся на этом подробнее.

3.Известно, что нормальные проявления жизни клетки и прежде всего её метаболизм, могут осуществляться лишь при тесном контакте и взаимозависимости ядра и цитоплазмы. Учитывая, что мужские и женские половые клетки крайне измененный по сравнению с соматическими, то и обмен веществ у них необычный. Высказано предположение, что яйцевая клетка находится в состоянии депрессии, которую можно уподобить (Токин, 1955), анабиозу. Диссимиляторные и ассимиляторные процессы минимальны. У сперматозоидов столь малое количество цитоплазмы и питательных веществ, что, если бы им был свойственен нормальный метаболизм, то он не мог бы продолжаться долго. Поэтому в половых железах и в половых протоках самца мужские половые клетки находятся также в неподвижном и анабиотическом состоянии.

4.Долгое время среди биологов бытовало мнение, что половые клетки – это малодифференцированные «тотипотентные» клетки в отличии от соматических. На самом же деле яйца и спермии – высокодифференцированные клетки, обладающие многими специальными свойствами, приобретенные в процессе эволюции, для выполнения специфических функций: встречи мужских и женских половых клеток – осеменения, защиты зародыша от инфекций и вредных абиотических факторов.

5.Половые клетки не способны к митозу. Это связано с измененным по сравнению с соматическими клетками, обменом веществ, наличием специализированных структур. Делящихся сперматозоидов ни у одного вида животных ни кто не наблюдал. Яйцевые клетки также не могут делиться без влияния особых внешних факторов, а именно: если не состоится оплодотворение или если яйцо не будет активировано к развитию партеногенетическими агентами.

6.Иллюстрацией высоко специализации и дифференциации половых клеток могут служить оболочки яйцевых клеток, на которых мы остановимся ниже.

Таким образом, половые клетки – очень сложные, высокодифференцированные клетки. Особые, специальные структуры яиц способствуют реализации их возможности развиваться в целый организм. Ядра половых клеток в генетическом смысле обеспечивают развитие признаков, свойственные отцу и матери.

Но нельзя умалять достоинство соматических клеток. Так как нормальные, жизнеспособные телесные клетки в генетическом плане не беднее половых. Наоборот, они богаче, т.к. содержат диплоидный набор хромосом. А с эмбриологической точки зрения они при определенных экспериментальных или природных условиях могут быть аналогами половых клеток и развиваться в целый организм.

Яйцо, яйцеклетка, ооцит – специально дифференцированные клетки, приспособленные к оплодотворению и дальнейшему развитию. Они характеризуются однообразной формой: у большинства животных они округлые, реже овальные или вытянутые (многие насекомые), ещё реже веретеновидные (колючеголовые). Ядро обычно повторяет форм яйцеклетки и отличается ясно выраженной структурой. В яйце большое количество цитоплазмы, где помимо органоидов, общих для всех клеток, содержится особое белковое включение - желток. Последний имеет большое значение для развития зародыша.

Яйцеклетки могут содержаться большее или меньшее количество желтка, у некоторых видов его вообще нет. Соответственно этому размеры яйцеклеток очень сильно варьируют. Большое количество желтка в яйцах земноводных, пресмыкающихся, птиц, обуславливает значительные размеры их яиц. В это же время яйца подавляющего большинства млекопитающих совсем лишены желтка и микроскопически малы. Но даже при очень малых размерах они всегда крупнее сперматозоидов животных того же вида. В силу больших размеров и загруженности желтком, яйцо почти всегда представляет клетку, лишенную подвижности. Только у кишечнополостных и губок яйца могут передвигаться и не имеют постоянной формы.

Размеры варьируют от нескольких микрометров до нескольких сантиметров: 7 мкм – паразитические перепончатокрылые; 22 см – сельдевая акула; у женщин –100-200 мкм в диаметре, в среднем 135 микрон; 1,5-2 мм яйца гидры и лягушки; 10-15 мм – головоногие; 1-1,2 мм – миноги; 2 мм – у травяной лягушки; 6 мм – у лосося; 3,5 см – у курицы; страуса – 10,5 см (что соответствует весу 24 куриных яиц, или 1440 г); утконос – 4 мм; мышь – 60мкм; коровы – 100мкм. У вымерших мадагаскарских птиц – эпиорнисов – размер яйцеклетки соответствует 150 куриным яйцам.

По количеству желтка яйцеклетки классифицируются: на безжелтковые – алецитальные, маложелтковые – олиголецитальные; многожелтковые – полилецитальные. Маложелтковые клетки подразделяются на первичные (у низших хордовых, например, у ланцетника) и вторичные ( у плацентарных млекопитающих и человека). У плацентарных млекопитающих в связи с внутриутробным развитием и питанием за счет материнского организма отпала необходимость создания запасов желтка в яйцеклетке. Поэтому вторично в эволюции появились маложелтковые яйца. Они небольшого диаметра, окружены прозрачной зоной (zona pellucida) и слоем фолликулярных клеток, принимающих участие в её питании. Таким образом количество желтка в цитоплазме находится в прямой зависимости от условий развития животного (во внешней или внутренней среде) и продолжительности развития во внешней среде.

По расположению желтка в яйце, яйцеклетки классифицируются следующим образом. В маложелтковых яйцеклетках желточные включения (гранулы, пластинки) распределены равномерно, поэтому они называются изолецитальными (isos – равный) или гомолецитальными (homo – равный). У большинства полилецитальных яйцеклеток желток в большей или меньшей степени сосредоточен у одного из полюсов; а органеллы у противоположного. Такие яйцеклетки называются телолецитальными (thelos – конец), а если желток находится в центре – центролецитальными. В свою очередь телолецитальные могут быть умеренно телолецитальными (мезолецитальными) и резко телолецитальными.

Строение яйцеклетки. Яйцо содержит ядро, цитоплазму (ооплазму), питательный материал желток и оболочки. Та часть яйцеклетки, где накапливается желток составляет вегетативный полюс, а противоположный, куда перемещается ядро и ооплазма – анимальный полюс. Мысленная линия, которая соединяет анимальный полюс с вегетативным, называется осью яйца.

Ядро женской клетки имеет гаплоидный набор хромосом и имеет одно или несколько ядрышек. Особенностью ооцитов является накопление огромных запасов химических компонентов аппарата трансляции: рибосом, и-РНК, т-РНК, количество которых в сотни и тысячи раз может превысить содержание их в соматических клетках. В цитоплазме яйцеклетки накапливается также запасы разнообразных белков: гистонов, структурных белков рибосом, тубулина, липофосфопротеидов желтка. Среди органелл в яйцеклетках хорошо развита эндоплазматическая сеть. Количество митохондрий умеренно. Комплекс Гольджи на ранних стадиях развития яйцеклетки располагается около ядра, а в ходе созревания перемещается на периферию. Из включений ооплазмы особого внимания заслуживает желток, питательный материал во многом определяющий характер эмбриогенеза. Желток выявляется в виде гранул или более крупных шаров и пластинок. Образуется желток при непосредственном участие эндоплазматической сети и аппарата Гольджи. Характерной особенностью яйцеклеток является также наличие особого поверхностного, или кортикального слоя (cortex – кора) цитоплазмы, который принимает участие в ранних стадиях развития организма.

Характерной особенностью яйцеклеток является наличие у них специальных оболочек. Они способствуют сохранению яйцом своей формы и строения, особенно, если яйцо больших размеров; предохраняют от высыхания, что существенно при развитии на суше; от механических и многих других воздействий от внешней среды. Оболочки яиц разных животных отличаются большим разнообразием. Несмотря на это их подразделяют на 3 группы: первичные, вторичные, третичные.

Снаружи цитоплазма яйцеклеток покрыта плазмолеммой. Обычно она трехслойна; наружные слои представлены белковыми молекулами, а средний – молекулами липидов, которые располагаются двумя рядами. Плазмолемма у позвоночных животных и человека образует либо складки, либо микроворсинки, т.е. выпячивания шириной 0,05-1 мкм, длиной до 3 мкм.

Первичные оболочки яиц возникают путем секреции ооцитом веществ, формирующих оболочку. Это как правило очень тонкая пленка, непосредственно контактирующая с плазматической мембраной ооцита. Но она может быть толстой и прочной. Чаще всего первичную оболочку называют желточной или вителлиновой (vitellus –желток). Электронно-микроскопические исследования свидетельствуют о большой общности в строении и процессах формирования желточной оболочки у яиц различных позвоночных. Очень часто она обнаруживает радиальную исчерченность. Такую zona radiata имеют яйцеклетки червей, моллюсков, иглокожих, а также позвоночных; она отчетливо выражена в яйцеклетках рыб, пресмыкающихся, птиц. С момента возникновения и по мере её развития желточная оболочка перфорируется отростками фолликулярных клеток, соприкасающихся с поверхностью яйца. Таким образом, между фолликулярными клетками и ооцитом контакт сохраняется несмотря на возникновение между ними желточной оболочки. На поверхности ооцита в свою очередь образуется огромное количество микроворсинок, вдающихся во внутренние части желточной оболочки и в 10-20 раз увеличивающих поверхность ооцита. Образование желточной оболочки обычно совпадает с периодом развития яйца, когда происходит интенсивное поступление питательных веществ в клетку. Образование отростков фолликулярных клеток и микроворсинок на поверхности ооцита служит своего рода приспособлением, облегчающий транспорт питательных веществ в клетку, несмотря на образование в этот период желточной оболочки, которая представляет своеобразный барьер для поступления питательных веществ в яйцо.

Когда интенсивность питания ооцита уменьшается, отростки фолликулярных клеток и микроворсинки ооцита втягиваются, пористость желточной оболочки при этом либо исчезает, либо сохраняется в виде радиальной исчерченности оболочки, столь характерной для оболочек яиц позвоночных и называемой zona radiata. Что касается первичной оболочки яиц млекопитающих, то она похожа на блестящий ободок и называется zona pellucida. Вопрос о том образована ли zona radiata позвоночных ооцитом или фолликулярными клетками, давно уже служит предметом спора. В настоящее время общепризнано, что она возникает из ооцита и следовательно относится к первичным яйцевым оболочкам. Имеется, однако, одно исключение: zona pellucida в ооците млекопитающих, во многом сходна с zona radiata других позвоночных и образована, по-видимому, главным образом фолликулярными клетками.

Вторичные яйцевые оболочки образуются клетками, питающими яйцо, так называемыми фолликулярными клетками. Законодательством исключением zona pellucida (блестящая оболочка) млекопитающих, большинство оболочек этого типа имеет твердую консистенцию (хитиноподобную или роговую) и известны под названием хориона. Хорион встречается у различных групп животных. Лучше всего он развит у насекомых и головоногих моллюсков. Иногда на его наружной поверхности находятся шипы (у актиний). Хорион насекомых часто имеет сложное строение и образуется фолликулярными клетками как кутикулярный секрет. Его вещество неидентично хитину взрослых насекомых и больше напоминает кератин. Он принизан радиальными порами, содержащими протоплазматические выросты фолликулярных клеток. Когда хорион окончательно сформируется, фолликулярный эпителий дегенерирует.

В яйцах многих животных в первичной и вторичной оболочках имеется один или несколько микропиле (mikro – малый, pyle – проход), отверстие через которое входят сперматозоиды. У головоногих моллюсков и насекомых оно обрауется на анимальном полюсе яйца. У насекомых оно имеет сложное строение, т.е. в нем имеются много микропилярных канальцев, группирующихся вокруг полюса яйца. У иглокожих, рыб микропиле – на анимальном полюсе; как исключение – у вегетативного полюса – немертины, платинчатожаберные, брюхоногие моллюски.

Третичные оболочки очень разнообразны по строению, химическому составу и значению. Образуются они при прохождении яйца по яйцеводу за счёт секреторной деятельности желез в стенке яйцевода или желез, расположенных за пределами полового тракта. Примеры третичных оболочек – галлерта, одевающая яйцевые клетки в кладках моллюсков; студенистая оболочка яиц амфибий; белковая, подскорлуповая (2слоя) и скорлуповая оболочки яиц птиц; коконы многих червей и моллюсков. К третичным оболочкам относится и белковая жидкость внутри кокона, в котором находится не одна, а несколько яиц. Присутствие всех трех оболочек у яиц совершенно не обязательно, возможны варианты.

Строение яйцевых оболочек животных обычно соответствует тем условиям, в которых происходит развитие ооцита, а затем и зародыша, и в связи с этим разнообразно, в особенности, когда речь идет о вторичных и третичных оболочках. Очень разнообразно, например, строение оболочек яйцевых клеток рыб: оно связано с неодинаковыми экологическими условиями, в которых протекает нерест и развитие зародыша у разных видов рыб. У плацентарных млекопитающих развитие зародыша происходит в матке, где условия относительно сходны и строение оболочек яйца у представителей разных видов довольно разнообразно.

Функции, выполняемые оболочками яиц, многообразны. У ооцитов и развивающихся зародышей через оболочки идёт процесс обмена, осуществляется связь с внешней средой. Значительна роль оболочки яйца в связи с оплодотворением, они способны предотвращать полиспермию. У некоторых животных вещество оболочек может играть роль в питании зародыша в определённые периоды его развития, например, зародыш курицы во второй половине эмбрионального развития заглатывает остатки белковой оболочки яйца. Из всех многообразных функций, наиболее важная и значительная – защитная. Она особенно важна у яйцекладущих животных, у которых развитие протекает во внешней среде, вне организма матери. Яйцевые оболочки могут предохранять зародыш от разнообразных повреждений физического порядка, связанных с колебанием в окружающей среде: температура, влажность, химический состав, повреждения механического порядка, а также неблагоприятные воздействия биотических факторов среды, предотвращая возможные инфекции зародыша, что особенно важно на ранних этапах развития. Так, у ряда животных, обследованных в этом плане (амфибии, рептилии, птицы) оболочки яиц обладают антибактериологическим действием в отношении различных микроорганизмов, выполняя функцию защиты эмбрионов от инфекций.

Сперматозоид – живчик, спермий, семенная нить, представляет собой своеобразно измененную клетку, очень маленькую и подвижную. Как и все клетки, сперматозоид содержит ядро и цитоплазму с её обычными органоидами. Специальная дифференцировка цитоплазмы обуславливает его способность к движению.

Впервые сперматозоиды были открыты в 1677 году студентом Гаммом из Лейдена совместно с Антоном Левенгуком. Свое название “семенные животные” (сперма – семя; зоон – животное) они получили за свою подвижность. Антон Левенгук считал сперматозоиды организмами в зачаточном состоянии. Многие авторы считали их паразитами семени. Только последовательное изучение их развития в половых железах, изучение процессов созревания о оплодотворения привело к правильному пониманию роли этих своеобразных клеток.

Каждому виду животного свойственна определенная форма сперматозоида. Различают 2 категории сперматозоидов: типичные или бичевидные сперматозоиды и атипичные или небичевидные (не жгутикового) строения. Преобладающей является бичевидная (жгутиковая) форма. Например, у костистых рыб акросома выраженная отсутствует, головка утолщена, хвостовая нить невелика. У тритона головка имеет вид гарпуна или вязальной спицы. У воробьиных птиц – штопоровидная закрученная головка. У большинства млекопитающих головка сперматозоида обычно имеет с широкой стороны – овальную форму; с боку – почти плоскую. Атипичные сперматозоиды встречаются у ветвистоусых раков. У них спермии имеют вид округлых, лишенных отростков клеток; у других раков они имеют выросты, иногда в виде лучей. Многие круглые черви и ещё некоторые животные имеют сперматозоиды пузыревидные или иной, иногда очень причудливой формы.

Несмотря на большое разнообразие форм, в сперматозоиде различают головку, шейку, промежуточную часть и хвост.

Головка сперматозоида включает небольшое плотное ядро, окруженное тонким слоем цитоплазмы. Ядро сперматозоида характеризуется высоким содержанием нуклеопротаминов и нуклеогистонов. Передняя половина ядра покрыта плоским мешочком, составляющим “чехлик” сперматозоида. В нём у переднего полюса располагается акросома (от греч.acron – верхушка, soma – тело). Чехлик и акросома являются производными аппарата Гольджи. Акросома содержит набор ферментов, среди которых важное место занимает гиалуронидаза и протеазы, способные растворять оболочки, покрывающие яйцеклетку. Важно отметить, что у высших позвоночных способность к оплодотворению (явление капацитации сперматозоидов) приобретается постепенно, по мере их продвижения по репродуктивному женскому тракту .Следует отметить, что у животных с внешним оплодотворением, половые продукты которых выделяются в воду, головка симметрична; с внутренним оплодотворением – ассиметрична. Ассиметрия способствует прямолинейности его движения.

За головкой следует кольцевидное сужение – шейка. Здесь располагаются центриоли – проксимальная и дистальная, от которой начинается осевая нить – axonema. Шейка отделена от головки базальной мембраной. В цитоплазме шейки располагаются опорные фибрилли и 2 центриоли. Дистальная играет роль базального тельца, от которого отходят, начинаются микротрубочки жгутика. Проксимальная центриоль участвует в процессах деления клетки после оплодотворения.

Промежуточная часть содержит 2 центральных и 9 пар периферических микротрубочек (у многих животных между центральными и периферическими микротрубочками имеется ещё 9 одиночных фибрилл), окруженных расположенными по спирали митохондриями (митохондриальное влагалище). Именно митохондрии обеспечивают энергией двигательную активность сперматозоидов, нарушение которой нередко связано с поражением процесса энергообразования в митохондриях. Движения хвостового жгутика бичеобразны. Они обусловлены последовательным изменением белков микротрубочек (динеин и др.). Эти белки обладают АТФазной активностью и расщепляют АТФ, вырабатываемую митохондриями. Освобождаемая при этом энергия используется для сокращения белков и обеспечения подвижности спермиев в жидкой среде. Среди факторов, влияющих на скорость движения, большое значение имеют степень зрелости спермиев, температура и рН среды.

Хвостовая часть состоит, в свою очередь, из главной части, по строению напоминает ресничку, окруженную тонко фибриллярным влагалищем, и терминальной или конечной части, содержащей единичные сократительные филаменты.

Длина сперматозоидов разных животных неодинакова, но в основном это мелкие клетки. Никакой зависимости между размерами сперматозоида и величиной животного не обнаружено. Так, сперматозоид морской свинки имеет длину 100 мкм, быка – 65 мкм, воробья – 200мкм, крокодила – 20мкм. Длина сперматозоида человека 53 мкм (52-70). У тритона – 50мкм, собаки – 66мкм, кота – 60мкм,козла – 55мкм,барана – 70-75мкм, лошади – 55-60мкм.

Проходя половыми протоками, сперматозоиды попадают в жидкость, которая выделяется добавочными железами (семенными пузырьками, предстательной железой. луковичными купферовыми железами). Вместе со сперматозоидами она называется спермой. Из клеточных элементов, помимо сперматозоидов, в ней содержатся лейкоциты и в небольших количествах эпителиальные клетки, слущивающихся со стенок половых путей.

Количество сперматозоидов у животного измеряется миллионами. У человека в 1 куб.см. спермы – 60 миллионов этих клеток. Во время полового акта выделяется 3-5 куб.см.спермы, где содержится до 300 млн. сперматозоидов.

Одно из основных свойств сперматозоидов состоит в способности к движению, важную роль в котором играет главная часть хвоста. У животных с внешним осеменением поступательное движение сперматозоида осуществляется по спирали. Сперматозоиды животных с внутренним осеменением двигаются в половых путях самки прямолинейно. Особенно чувствительны сперматозоиды к реакциям среды и температуре: наиболее благоприятна нейтральная среда и температура 30-35 градусов (для теплокровных). Ну и наконец, сперматозоиды млекопитающих обладают таким качеством как реотаксис (это форма реакции на механические воздействия, в данном случае – ток жидкости). Таксисы могут быть положительными и отрицательными в зависимости от того, происходит ли перемещение в сторону раздражителя или нет. Спермии млекопитающих обладают положительным реотаксисом, который выражается в перемещении сперматозоидов по яйцеводу против тока жидкости навстречу яйцеклетки, которая двигается в сторону матки.