Половое и бесполое размножение. Гаметогенез животных и человека

Размножение — это свойство живых организмов, которое заключается в способности производить подобных особей своего вида.

Существует два основных способа размножения — бесполое и половое.

Рассмотрим основные виды бесполого размножения.

Размножение делением наблюдается у многих одноклеточных водорослей и простейших, которые делятся митозом, образуя две клетки.

Размножение спорами также относят к бесполому.  

Вспомним что споры ― это специализированные гаплоидные клетки грибов и растений.

Споры папоротника образуются в спорангиях. Созревая они разбрасываются и попадают в благоприятные условия. Затем прорастают, образуя заросток (половое поколение — гаметофит). Он живёт самостоятельно, прикрепляясь к почве ризоидами.

На заростке развиваются мужские и женские гаметы (сперматозоиды и яйцеклетки).

Взрослое растение папоротника, образующее споры, — это спорофит (бесполое поколение). Заросток папоротника — это гаметофит (половое поколение).

При бесполом размножении грибов возможны процессы почкования (характерен для дрожжеподобных грибов) и спорообразования.

В споре гриба различают одну либо несколько клеток, которые имеют микроскопические размеры. Попадая в благоприятную среду, небольшое количество спор дают начало новому мицелию. 

Вегетативное размножение ― один из способов бесполого размножения.

У водорослей и грибов оно происходит путём отделения неспециализированных участков таллома или посредством образования специализированных участков.

У высших растений вегетативное размножение осуществляется частями вегетативных органов: побегами, листьями.  А также видоизменёнными побегами: клубнями, корневищами, клубнелуковицами, луковицами и др.

У животных вегетативное размножение осуществляется либо путём фрагментации — отделения от материнского организма частей тела, которые затем достраивают себя до целого организма, либо путём почкования.

Бесполое размножения позволяет быстро увеличить численность особей вида в благоприятных условиях. При этом все потомки имеют генотип, идентичный родительскому.

При бесполом размножении не происходит увеличение генетического разнообразия, которое может оказаться очень полезным при изменении условий существования вида.

По этой причине большинство живых организмов на Земле размножаются половым путём.

Сущность полового размножения заключается в слиянии генетической информации родителей, благодаря чему генетическое разнообразие в потомстве увеличивается.

Самые простые формы полового размножения наблюдаются у простейших.

У одноклеточных организмов выделяют — конъюгацию и копуляцию.

Конъюгация наблюдается у инфузории-туфельки. Она имеет два разных по строению и функциям ядра: полиплоидный макронуклеус (большое ядро) и диплоидный микронуклеус (малое ядро).

В отличие от микронуклеуса макронуклеус содержит полный геном.

В ходе конъюгации две инфузории сближаются. Между ними образуется цитоплазматический мостик. Затем макронуклеусы инфузорий разрушаются, а микронуклеусы делятся путём мейоза. В результате образуются 4 ядра, три из которых погибают, а оставшееся делится митозом. 

В каждой инфузории теперь есть два гаплоидных ядра, одно из них женское, а другое — мужское.

Инфузории обмениваются мужскими пронуклеусами, а женские остаются в «своей» клетке.

Затем в каждой инфузории «свой» женский и «чужой» мужской пронуклеусы сливаются, образуя диплоидное ядро — синкарион.

При делении синкариона образуется два ядра. Из двух имеющихся ядер одно становится макронуклеусом, другое — микронуклеусом.

Конъюгация водоросли спирогиры проходит схожим образом. При этом клетки двух соседних нитей различных типов соединяются между собой боковыми выростами. Затем между нитями образуется копуляционный канал, по которому протопласт одной клетки перетекает в другую и сливается с содержимым последней. Клетка, в которой произошло слияние (то есть зигота), закругляется, отделяется от нити и, одеваясь толстой оболочкой, превращаясь в зигоспору. Зигоспора перезимовывает и весной делится мейозом, давая 4 гаплоидные споры, три из которых отмирают, а одна прорастает в молодую нить. Все стадии, кроме зиготы и зигоспоры, — гаплоидны.

Биологическое значение конъюгации состоит в обновлении генетического материала и возможном появлении новых признаков, полезных для выживания в меняющихся условиях окружающей среды. Однако число особей при этом не увеличивается. Поэтому конъюгацию называют половым процессом, а не размножением.

У некоторых одноклеточных организмов наблюдается другая разновидность полового процесса — копуляция. Процесс копуляции наблюдается в жизненном цикле одноклеточной зелёной водоросли хламидомонады.

Сначала образуются гаметы. Затем две различающиеся по полу клетки - гаметы - сливаются и образуют зиготу. При этом ядра гамет образуют одно ядро зиготы, которая содержит (2n — два набора хромосом). Затем зигота прорастает, при этом происходит мейоз и уменьшение числа хромосом вдвое, после чего из неё выходят вегетативные клетки, превращающиеся после размножения в гаметы.

При половом размножении особи каждого следующего поколения возникают в результате слияния двух специализированных гаплоидных клеток — гамет.

В процессе эволюции степень различия гамет изменялась. Наиболее простым типом является изогамный половой процесс (изогамия).

Изогамия — это примитивная форма полового процесса, при котором сливаются две одинаковые морфологически и по величине гаметы.

Также выделяют гетерогамный половой процесс (гетерогамию), при котором гаметы различны по форме и размеру. Гетерогамия также может происходить у хламидомонады.

При гетерогамии обе гаметы подвижны, имеют жгутики, но различаются величиной. Одна из них, меньших размеров, отличается большей подвижностью и считается мужской гаметой. Другая, несколько более крупная, менее подвижная. Она считается женской гаметой. В плазме её содержится некоторое количество запасных питательных веществ.

При оогамном половом процессе (оогамии) гаметы резко различаются по форме и по величине.

Одна из них — мужская — очень мелкая, со жгутиком. Она подвижна и называется сперматозоидом. Женская гамета (яйцеклетка) крупная и лишена подвижности.

Оогамия свойственна как многим низшим растениям, так и высшим растениям. А также всем многоклеточным животным, включая и человека.

У животных и человека гаметы формируются в специальных органах ― гонадах.

Сперматозоиды формируются в мужских половых железах ― семенниках. А яйцеклетки формируются в женских половых железах — яичниках.

Яйцеклетка — это округлая, относительно крупная клетка. Она состоит из ядра, которое содержит ДНК. Также яйцеклетка включает цитоплазму, в которой имеется запас питательных веществ в виде желтка. Яйцеклетку окружает оболочка, вокруг которой располагаются фолликулярные клетки.

Сперматозоид, в отличие от яйцеклетки, гораздо более мелких размеров. Он состоит из головки, которая почти полностью занята ядром и гаплоидным набором хромосом, а также шейки, в которой находятся митохондрии. Также сперматозоид содержит хвост, образованный микротрубочками. Он обеспечивает подвижность всего сперматозоида.

В передней части головки сперматозоида находится видоизменённый комплекс Гольджи, который называется акросомой. В акросоме запасается определённый фермент, который необходим для растворения оболочки яйцеклетки, без чего невозможно оплодотворение.

Развитие половых клеток

Процесс созревания половых клеток называется гаметогенезом.

Выделяют сперматогенез ― процесс образования сперматозоидов.

И оогенез ― процесс образования яйцеклетки.

В данных процессах выделяют несколько фаз: фазу размножения, фазу роста и фазу созревания.

В фазу размножения первичные половые клетки (сперматогонии и оогонии) деляться митозом, благодаря чему увеличивается количество будущих гамет.

При этом сохраняется диплоидный набор хромосом в ядрах. Сперматогонии превращаются в сперматоциты первого порядка. Оогоний становится ооцитом первого порядка.

У самцов млекопитающих (в том числе и у человека — мужчин) этот процесс идёт с момента наступления половой зрелости и до старости.

А у самок млекопитающих (а также человека — женщин) первичные половые клетки делятся только в период внутриутробного развития плода.

В фазу роста клетки увеличиваются в размерах.

Будущие сперматозоиды увеличиваются незначительно, а вот будущие яйцеклетки увеличиваются в несколько раз. Вспомните интерфазу делений.

Происходит репликация ДНК, запасаются вещества, которые будут необходимы для последующих делений клетки.

Рассмотрим фазу созревания сперматозоидов. В эту фазу будущие гаметы делятся мейозом. 

В результате первого деления из одного сперматоцита первого порядка образуются два сперматоцита второго порядка.

После второго деления из каждого сперматоцита второго порядка возникают две гаплоидные клетки — сперматиды. Таким образом, из одной исходной клетки, вступившей в мейоз, образуются четыре сперматиды. Они имеют гаплоидный набор хромосом.

В сперматогенезе выделяют ещё одну, заключительную фазу — фазу формирования.

В этой фазе у сперматозоидов возникают жгутики и они приобретают подвижность.

При образовании сперматозоидов каждая из четырёх дочерних клеток полноценна и способна оплодотворить яйцеклетку.

А вот при созревании яйцеклеток мейотическое деление протекает иначе: цитоплазма между дочерними клетками распределяется неравномерно.

После цитокинеза первого мейоза получается одна крупная клетка, содержащая практически всю цитоплазму (ооцит второго порядка), другая — мелкая, состоящая по существу из ядра с минимальным количеством цитоплазмы. Эту клетку называют 1-м редукционным тельцем.

После второго деления мейоза появляется крупная яйцеклетка и 2-е редукционное тельце. Первое редукционное тельце, как правило, тоже делится. Таким образом, возникают четыре гаплоидные клетки.

В отличие от сперматогенеза, где образующиеся в ходе мейоза клетки равноценны друг другу, при формировании женских половых клеток образуется одна готовая к оплодотворению яйцеклетка и три редукционных тельца, которые со временем разрушаются.

Смысл образования редукционных телец заключается в осуществлении мейоза при сохранении максимума питательных веществ в яйцеклетке.

Значит, в процессе сперматогенеза из диплоидных сперматогониев содержащих двойной набор хромосом 2n образуются 4 гаплоидные сперматиды. Из них формируются сперматозоиды, которые также содержат гаплоидный набор хромосом.

В процессе оогенеза, из оогонии (содержащей двойной набор хромосом), образуется ооцит, а затем и гаплоидная яйцеклетка.

Как мы уже сказали, оогенез начинается ещё на эмбриональных стадиях развития. И к моменту рождения в организме девочки уже имеется полный набор клеток. Однако яйцеклетками они будут становиться только после полового созревания. До этого времени клетки находятся в покоящемся состоянии.

После полового созревания под действием гормонов зрелая яйцеклетка ежемесячно выходит в просвет яйцеводов и продвигается к матке. Именно в этот период может произойти оплодотворение яйцеклетки. Естественно, при наличии сперматозоидов.