Что такое гамета и зигота: особенности строения. Половые клетки человека - гаметы Как образуются гаметы у человека

Гаметогенез у человека

Процесс образования половых клеток называется гаметогенез. Он происходит в половых органах – гонадах. Гаметогенез имеет определенные особенности, зависящие от пола организма, в котором происходит мейоз. Формирование мужских половых клеток называется сперматогенезом, женских - оогенезом.

Первичные половые клетки выделяются из желточного мешка на 27-й день развития эмбриона и мигрируют к месту, где будут образовываться половые органы. На 46-й день внутриутробного развития гонады начинают дифференцироваться и становятся либо яичниками, либо семенниками.

В этот период в мужских гонадах первичные половые клетки становятся сперматогониями, которые непрерывно делятся путем митоза вплоть до периода половой зрелости. Примерно в 15-16 лет сперматогонии начинают вступать в мейоз. Предварительно они увеличиваются в размерах, превращаясь в сперматоциты I порядка , содержащие 46 удвоенных хромосом. Сперматоциты I порядка вступают в первое деление мейоза, которое заканчивается образованием сперматоцитов II порядка. Сперматоциты II порядка содержат по 23 хромосомы, состоящие из двух хроматид. После второго деления мейоза из сперматоцитов II порядка образуются сперматиды , содержащие по 23 хромосомы. В сперматидах каждая хромосома уже имеет только одну хроматиду. Сперматиды в дальнейшем приобретают некоторые структурные особенности: изменяется состояние клеточной оболочки, появляются шейка и хвост, которые будут обеспечивать движение клетки. Полностью сформировавшаяся мужская половая клетка получила название сперматозоид.

Таким образом, в результате сперматогенеза из одной диплоидной сперматогонии формируется четыре равноценных гаплоидных сперматозоида. Деление сперматогониев и образование сперматозоидов продолжается вплоть до затухания деятельности гонад в старости. За весь период половой зрелости мужской организм продуцирует не менее 500 миллиардов гамет.

Процесс созревания женских половых клеток (оогенез) имеет свои особенности. После первичной половой дифференцировки в женском организме образуются оогонии , которые претерпевают несколько митотических делений. Начиная со второго месяца внутриутробного развития женского плода, ряд оогоний вступают в первое деление мейоза, превращаясь в ооцит I порядка. Деление ооцитов I порядка останавливается сразу после диплотены. На этой стадии мейоз в женских гонадах прекращается на 7-м месяце внутриутробного развития плода вплоть до периода полового созревания. После рождения девочки все оставшиеся оогонии дегенерируют. В период половой зрелости, обычно ежемесячно один ооцит I порядка заканчивает первое деление мейоза, после которого образуются две разные клетки: одна большая, содержащая почти всю цитоплазму от ооцита I порядка, - ооцит II порядка, и маленькая, фактически включающая только ядро с 23 хромосомами, - первое полярное тельце. Затем ооцит II порядка вступает во второе деление мейоза. Мейоз II порядка тоже приводит к возникновению двух неравных гаплоидных клеток: крупной – яйцеклетки, и маленькой – второго полярного тельца. В оогенезе мейоз II порядка заканчивается в момент оплодотворения , т. е. проникновения сперматозоида в цитоплазму яйцеклетки.

После проникновения сперматозоида в яйцеклетку в течение нескольких часов не происходит слияния женского и мужского гаплоидных наборов хромосом, хотя они сразу окружаются общей ядерной мембраной. Этот период является очень чувствительным ко всем внешним повреждающим воздействиям. После слияния женского и мужского наборов хромосом образуется клетка, называемая зиготой. Зигота начинает делиться путем обычного митоза, образуется новый организм.

Гамета - это в биологии половая клетка организма, несущая одинарный набор хромосом. Гаметы играют ключевую роль в оплодотворении и внутриутробном развитии. Рассмотрим человеческий организм, в каждой соматической (не половой) клетке которого находится 46 хромосом, то есть диплоидный набор. Только в гаметах, количество хромосом составляет 23. Когда эти клетки сливаются, образуется зигота с полным набором хромосом.

Этот процесс будет более детально рассмотрен далее. Вначале разберем подробно, что же такое гамета в биологии. Это половая клетка, необходимая для репродукции. Но какова ее структура и анатомия? Изучим этот вопрос подробнее.

Гаметогенез

Гаметогенез - процесс созревания гамет в организме. Под ним подразумевают сперматогенез (у особей мужского пола), и оогенез (у особей женского пола). Гаметогенез присутствует в жизненном цикле многоклеточных животных и растений: водорослей, грибов, членистоногих, птиц, амфибий, моллюсков, млекопитающих.

Анатомия гамет

Женская гамета в биологии - это яйцеклетка. Она образуется в результате оогенеза. Яйцеклетки содержат запас питательных веществ, необходимых для развития зиготы после оплодотворения. Они неподвижны и заметно (примерно в 100000 раз) превосходят в размерах мужские половые клетки.

Мужская гамета в биологии - это сперматозоид. Эти клетки гораздо меньше женских гамет. У них есть жгутики, которые и делают сперматозоиды подвижными и способствуют продвижению к женским половым клеткам. У членистоногих сперматозоиды не имеют жгутиков, но это, скорее, исключение из правил.

На картинке ниже представлены изображения мужской и женской половых гамет - яйцеклетки и сперматозоида.

Биологическая роль

Что такое гамета в биологии? Определение и функции уже описаны, разберемся с их биологической ролью. Гаметы играют ключевую роль в размножении. Сливаясь, мужская и женская гамета образуют зиготу - клетку с полным диплоидным набором хромосом. В человеческой яйцеклетке есть только одна разновидность хромосом - Х. Поскольку у мужчин есть и Х- и У-хромосомы, то часть сперматозоидов несут Х, а часть - У-хромосомы. В зависимости от того, какая разновидность сперматозоида оплодотворит яйцеклетку, зависит пол будущего ребенка. Хромосомы ХХ кодируют женский пол, ХУ - мужской.

Сразу после оплодотворения зигота начинает развиваться и делиться. яйцеклетки находится запас питательных веществ в виде желтка. Зигота может какое-то время пребывать в неактивном состоянии, не делиться и не развиваться до наступления благоприятных условий. Этот тип развития характерен для некоторых растений.

По количеству питательных веществ яйцеклетки делятся на алецитальные (без желтка), олиголецитальные (с небольшим количеством питательных веществ), мезолецитальные (со средним количеством питательных веществ), полилецитальные (с большим количеством желтка). Можно сделать вывод, что гамета в биологии - это половая клетка, без которой невозможно размножение среди особей данного вида.

Половые клетки, слияние которых дает новый организм, объединяют термином гаметы . Женская гамета называется яйцеклеткой , мужская - сперматозоидом . Все остальные клетки, не принимающие непосредственного участия в образовании гамет, получили название соматических клеток . Гаметогенез - широкий термин, который обозначает поэтапное "сотворение" высокоспециализированных клеток, способных дать начало новому организму.

У эмбрионов всех позвоночных на ранней стадии развития определенные клетки обособляются как предшественники будущих гамет . Такие первичные половые клетки мигрируют в развивающиеся гонады (яичники у самок, семенники у самцов), где после периода митотического размножения претерпевают мейоз и дифференцируются в зрелые гаметы. Затем слияние яйцеклетки и спермия после спаривания инициирует процесс развития эмбриона, у которого, в свою очередь, формируются первичные половые клетки, т.е. открывается новый цикл.

Пока не ясно, по какой именно причине определенные клетки у зародыша млекопитающего превращаются в половые клетки, но известно, что по крайней мере у одного организма определяющим фактором служит какой-то компонент (или компоненты) цитоплазмы яйца: у дрозофилы специфическая область цитоплазмы - полярная плазма , расположенная на заднем полюсе яйца - содержит мелкие гранулы, богатые РНК ( полярные гранулы), клетки, образующиеся в этой части яйца и содержащие полярные гранулы, становятся первичными половыми клетками и в конечном счете мигрируют в гонады, где из них развиваются гаметы. Если полярную плазму ввести в передний полюс яйца, то клетки, которые должны были стать соматическими, превратятся в половые. ( Austin C.R., Short R.V., 1982). Обычно гаметогенез делят на четыре стадии (Карлсон, 1983):

3) уменьшение числа хромосом в каждой клетке в два раза в результате мейоза ;

4) окончательное созревание и дифференцировка гамет, превращение их в сперматозоиды и яйцеклетки , которые способны оплодотворять или быть оплодотворенными.

Гонады зародыша вначале содержат относительно небольшое число заселивших их первичных половых клеток. Но попав в гонады, половые клетки начинают энергично делиться, и их численность резко увеличивается. Клетки делятся митотически. Митоз обеспечивает передачу двум дочерним клеткам совершенно одинаковых наборов хромосом, содержащих наследственную информацию. Митотически делящиеся женские половые клетки называют оогониями , а соответствующие мужские - сперматогониями . Характер митотической активности половых клеток в мужских и женских гонадах сильно различается.

В природе встречаются два типа размножения живых организмов - бесполое и половое.

Бесполое размножение характеризуется тем, что дочерние клетки по содержанию наследственной информации, морфологическим, анатомическим и физиологическим особенностям полностью идентичны родительским (см. разделы «Ботаника» и «Зоология»).

Половое размножение характеризуется обменом генетической информации между женскими и мужскими особями. Такой обмен осуществляется несколькими способами:

1. образованием цитоплазматических мостиков, по которым мужская хромосома передвигается в женскую клетку (характерно для прокариотов);
2. конъюгацией - временным соединением и обменом участками хромосом (встречается у вирусов, бактерий, инфузорий и др.);
3. образованием особых гаплоидных половых клеток - гамет (характерно для большинства эукариотов). У разных видов животных и растений половые клетки имеют различные размеры, форму, строение и развитие.

Развитие половых клеток и оплодотворение у животных. Яйцеклетки (женские половые клетки) у животных неподвижны, имеют округлую форму, покрыты двумя оболочками - желточной и белковой и содержат запасные питательные вещества, необходимые для развития зародыша. Сперматозоиды (мужские половые клетки) значительно меньше яйцеклеток, они подвижны, имеют форму длинной нити, состоящей из головки, шейки и хвостика. Головка несколько расширена, в ней расположено ядро, передний конец ее заострен.

В шейке находится центриоль, а хвостик по строению напоминает жгутик и является органоидом движения. Развиваются половые клетки в половых железах - яичниках и семенниках. В них различают 3 зоны:

1. в зоне размножения первичные клетки многократно делятся путем митоза;
2. в зоне роста исходные клетки усиленно растут, особенно при образовании яйцеклеток;
3. в зоне созревания происходит два своеобразных деления, в результате которых в семенниках образуются четыре равные по размеру гаплоидные (n) клетки, каждая из которых превращается в сперматозоид, а в яичниках образуются также четыре гаплоидные клетки, из которых только одна, крупная, превращается в яйцеклетку а три мелкие (направительные тельца) гибнут.

Мейоз - это деление в зоне созревания половых клеток, сопровождающееся уменьшением числа хромосом вдвое (цв. табл. XIII). Он состоит из двух специфических, последовательно идущих делений, имеющих те же фазы, что и митоз. Однако, как показано в таблице, продолжительность отдельных фаз и происходящие в них процессы значительно отличаются от митоза.

Эти отличия в основном состоят в следующем. В мейозе профаза I более продолжительна. В ней происходит конъюгация гомологичных хромосом и обмен генетической информацией. В анафазе I центромеры, скрепляющие хроматиды, не делятся, а к полюсам отходит одна из гомологичных хромосом. Интерфаза перед вторым делением очень короткая, в ней ДНК не синтезируется. Клетки (гаметы), образующиеся в результате двух мейотических делений, содержат гаплоидный (одинарный) набор хромосом.

Оплодотворение представляет собой процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида, при котором восстанавливается диплоидный набор хромосом. Оплодотворенная яйцеклетка называется зиготой.

Развитие половых клеток и оплодотворение у цветковых растений происходит в цветке. Мужские половые клетки созревают в пыльнике. В нем содержится множество диплоидных клеток, каждая из которых делится путем мейоза и образует 4 гаплоидных пыльцевых зерна. Каждое пыльцевое зерно делится путем митоза и образует 2 клетки - вегетативную и генеративную. Генеративная клетка еще раз делится путем митоза и образует 2 сперматозоида. Таким образом, созревшее пыльцевое зерно содержит три клетки - 1 вегетативную и 2 сперматозоида.

Женские половые клетки развиваются в семяпочке. Одна из ее клеток делится путем Мейоза и образует 4 гаплоидные клетки. Из них одна еще трижды делится путем митоза и образует 8 гаплоидных ядер зародышевого мешка, в котором 4 ядра располагаются на одном конце, а 4 - на другом. Затем от каждого конца в центр зародышевого мешка мигрирует по одному ядру; сливаясь, они образуют диплоидное ядро зародышевого мешка. Одна из 3 гаплоидных клеток, расположенных у пыльцевхода, является яйцеклеткой.

Лекция №10.

Тема: Размножение – универсальное свойство живого.

План лекции

1. Размножение как универсальное свойство живого.

2. Формы размножения организмов.

3. Эволюция полового процесса.

4. Гаметогенез. Строение половых клеток.

5. Осеменение. Оплодотворение.

6. Особенности репродукции человека.

Размножение – одно из основных универсальных свойств живого,обеспечивающее воспроизведение себе подобных, в основе которого лежит передача генетической информации из поколения в поколение. Размножение на молекулярном уровне – это репликация (самоудвоение) ДНК, на субклеточном уровне – удвоение некоторых органоидов, на клеточном – амитоз, митоз (деление клеток). Клеточное деление лежит в основе размножения организмов .

Формы размножение организмов

Бесполое размножение

Вегетативное Спорообразование

(частями тела) (специальными клетками – спорами)

у одноклеточных у многоклеточных

у растений у животных

Вегетативное размножение одноклеточных:

а) деление надвое – ядро делится митотически, затем перетяжкой на две части делится цитоплазма; продольное деление – у эвглены, поперечное – у инфузории;

б) шизогония – множественное деление – ядро делится на много частей, затем – цитоплазма (у малярийного плазмодия);

в) почкование – на материнской клетке образуется выступ с ядром (почка); почка растет и отделяется от материнской особи (у дрожжевых грибков и у сосущих инфузорий).

Вегетативное размножение у многоклеточных:

А. У растений – вегетативными органами: корнем, стеблем, листьями.

Б. У животных :

а) почкование (у гидры);

б) фрагментация – деление тела перетяжками на несколько частей (ресничные и кольчатые черви);

в) полиэмбриония – деление зародыша на несколько частей, каждая из которых образует целый организм (сосальщики).

Спорообразование: специально образуемые клетки – споры – дают начало новому организму (у водорослей, грибов, мхов, плаунов, хвощей и папоротников). У растений споры образуются в специальных органах – спорангиях.

Половое размножение с оплодотворением без оплодотворения (гаметическая копуляция) (партеногенез) андрогенез гиногенез

Основу полового размножения составляет половой процесс. Он может проходить как конъюгация (обмен генетической информацией между двумя клетками) или как копуляция – объединение генетической информации двух клеток. Конъюгация характерна для инфузорий и бактерий. Во время конъюгации инфузории соединяются цитоплазматическим мостиком и обмениваются частями микронуклеуса. После этого они расходятся и размножаются бесполым способом.

В определенный период жизненного цикла особи протистов выполняют функцию гамет. Они сливаются (происходит копуляция) и после этого размножаются делением. Если происходит слияние одинаковых по величине и подвижности клеток, процесс называется изогамия (пример: раковинные амебы). Процесс называется анизогамия , если одна клетка более крупная и неподвижная, вторая – более мелкая и подвижная (пример: малярийный плазмодий).

Копуляция при половом размножении многоклеточных называется гаметической. В гонадах (половых железах) образуются специальные клетки – гаметы. Женские гаметы образуются в яичниках, мужские гаметы образуются в семенниках.

Яйцеклетки имеют округлую или слегка овальную форму. Их размеры от 60 мкм до нескольких сантиметров в диаметре. Они неподвижны. Яйцеклетки содержат органоиды и запас питательных веществ (желток). Их цитоплазма видоспецифична. Яйцеклетки покрыты различными оболочками, у млекопитающих – еще и клетками фолликулярного эпителия.

Сперматозоид состоит из головки, шейки и хвоста. Подвижен. Имеет небольшие размеры (40-500 мкм). Размеры сперматозоида человека - 52-70 мкм. Но конце головки расположена акросома – видоизмененный комплекс Гольджи. Она обеспечивает проникновение сперматозоида в яйцеклетку. Основную часть головки занимает ядро, окруженное тонким слоем цитоплазмы. В шейке находятся центросома и спиральная нить, которая состоит из митохондрий. Они продуцируют энергию для движения хвоста

Процесс формирования гамет называется гаметогенез: овогенез – формирование яйцеклеток, сперматогенез – формирование сперматозоидов.

При гаметогенезе из диплоидных соматических клеток половых желез образуются гаплоидные гаметы.

Особенности гаметогенеза у человека

1. Митотическое деление овогоний заканчивается до рождения организма. Митоз сперматогоний начинается с периода полового созревания.

2. При овогенезе значительно выражена зона роста, при сперматогенезе зона роста почти не выражена.

3. При овогенезе первое деление мейоза останавливается на стадии диакинеза профазы до полового созревания. Второе деление мейоза

останавливается на стадии метафазы и завершается после оплодотворения.

4. При овогенезе зона формирования не выражена, при сперматогенезе зона формирования выражена значительно.

Родившаяся девочка имеет в яичниках около 30 000 ооцитов, достигают зрелости 300-600 (примерно по 13 клеток в год). За период половой жизни мужской организм продуцирует до 500 млрд. сперматозоидов (несколько миллиардов на один овоцит II порядка).

В настоящее время последние стадии овогенеза воспроизводятся вне организма и дают возможность «зачатия» в пробирке. На стадии 8-16 бластомеров зародыш переносится в матку женщины-реципиента.

У низших животных половые клетки вырабатываются в течение всей жизни, у высших – в период половой активности.

Основное преимущество полового размножения перед бесполым – увеличение генетического разнообразия видов и популяций.

Отличия форм размножения

По наличию и функционированию половых желез в организме

различают гермафродитизм и раздельнополость.

Гермафродит – организм, у которого имеются мужские и женские гонады, образующие половые клетки у одной особи. Такой гермафродитизм встречается у плоских и кольчатых червей. Это – истинный гермафродитизм . Разновидностью его может быть гермафродитизм моллюсков, половая железа которых, в зависимости от возраста и условий существования, периодически продуцирует то мужские, то женские гаметы. В случае ложного гермафродитизма у одной особи развиваются наружные половые органы и вторичные признаки обоих полов, а гонады – одного пола (мужские или женские). У человека могут быть признаки ложного гермафродитизма.

Раздельнополые организмы имеют или женские или мужские гонады. Половые органы у них закладываются в эмбриогенезе. Самцы и самки характеризуются признаками полового диморфизма: различия по размерам тела, по окраске, по строению, по голосовым данным, по поведению и другим признакам. Признаками полового диморфизма у человека являются: особенности костно-мышечной системы; распределение подкожной жировой клетчатки; степень развития волосяного покрова; тембр голоса; особенности нервной системы и поведения и др. Ряд процессов, которые обеспечивают встречу женских и мужских гамет называется осеменением. У большинства водных животных осеменение наружное: гаметы выделяются во внешнюю среду, и в воде происходит их слияние. При внутреннем осеменении (у наземных животных) мужские гаметы вводятся в половые пути самки во время полового акта. За процессом осеменения следует процесс оплодотворения – слияние гамет с образованием зиготы. Встречу гамет обеспечивают:

Разные заряды гамет;

Движение сперматозоидов и сокращение стенок женских половых

Выделение яйцеклеткой особых химических веществ – гамонов , на которые у сперматозоидов проявляется положительный хемотаксис.

В процессе оплодотворения выделяют внешнюю и внутреннюю фазы. Внешняя фаза оплодотворения – это активация яйцеклетки и проникновение в нее сперматозоида. В оболочке некоторых яйцеклеток имеется отверстие – микропиле , через которое в яйцеклетку входит сперматозоид. В большинстве случаев его проникновение в яйцеклетку происходит с помощью акросомной реакции . При контакте с яйцеклеткой оболочка акросомы разрушается и выделяется фермент гиалуронидаза. Он растворяет оболочку яйцеклетки, из акросомы выбрасывается акросомная нить и проникает через яйцевые оболочки и сливается с мембраной яйцеклетки. В этом участке яйцеклетки образуется воспринимающий бугорок , который захватывает и вносит в цитоплазму яйцеклетки головку, центриоль и митохондрии сперматозоида. В яйцеклетку может входить один сперматозоид (у млекопитающих) и процесс называется моноспермия . Если входят несколько сперматозоидов (у насекомых, рыб, птиц), процесс называется полиспермия. Активация яйцеклетки – это сложные структурные и физико-химические изменения: перестройка цитоплазмы, изменения проницаемости мембраны и обмена веществ. После проникновения сперматозоида на поверхности яйцеклетки образуется оболочка оплодотворения, и другие сперматозоиды не могут попасть внутрь. На этом заканчивается внешняя фаза оплодотворения.

С внутренней фазой оплодотворения связан второй важный процесс -синкариогамия – слияние гаплоидных ядер гамет и образование диплоидного ядра зиготы. Коллоидные свойства цитоплазмы яйцеклетки изменяются, повышается ее вязкость. Мужской пронуклеус (ядро сперматозоида) набухает до размеров женского пронуклеуса (ядра яйцеклетки), поворачивается на 180° и центросомой вперед движется в сторону женского пронуклеуса . Пронуклеусы встречаются, и происходит их слияние. Восстанавливается диплоидный набор хромосом и образуется зигота. Слияние гамет у человека происходит в верхней трети яйцевода.

Особую форму полового размножения представляет партеногенез и его разновидности: гиногенез и андрогенез – развитие организмов из неоплодотворенных яйцеклеток.

Партеногенез (греч. partenos – девственница, genos – рождение) был описан в середине XVIII века швейцарским натуралистом Ш.Бонне. Естественный партеногенез встречается у низших ракообразных, пчел, бабочек, скальных ящериц. Ядра соматических клеток таких особей будут гаплоидными. Диплоидный набор иногда восстанавливается при слиянии ядра яйцеклетки с ядром направительного тельца. В 1886 году А.А.Тихомиров описал искусственный партеногенез . Он вызвал дроблениенеоплодотворенных яиц тутового шелкопряда, действуя на них физическими

или химическими раздражителями. Б.Л. Астауров разработал промышленный способ получения партеногенетического потомства у тутового шелкопряда.

Гиногенез (греч. gyne – женщина) – развитие организма происходит на основе информации женского пронуклеуса. Сперматозоид является активатором развития. Ядро сперматозоида не участвует в оплодотворении. Если оно попадает в яйцеклетку, происходит его разрушение. Гиногенез встречается у некоторых видов рыб (например, серебристый карась). Их потомство состоит из одних самок.

Андрогенез – (греч. andros – мужчина, genesis – рождение) – развитие зародыша происходит за счет ядер одной или двух мужских гамет, проникших в яйцеклетку с разрушенным ядром. Такие особи получены у тутового шелкопряда и некоторых ос. Все они имели лишь отцовские признаки.