§ 30. Понятие полового размножения и полового процесса

Понятие полового размножения и полового процесса

Как вы уже знаете из § 29—1, половое размножение протекает с участием половых клеток (гамет). Оно обеспечивает наследственное разнообразие потомства и повышает его приспособленность к условиям среды обитания.

Половой процесс — биологическое явление, приводящее к обмену наследственным материалом между особями одного вида или к его объединению, что создает условия для возникновения разнообразия наследственной информации.

Половой процесс представляет собой начало полового размножения, происходящего с участием гамет. Но эти два явления нельзя отождествлять, так как половой процесс не всегда приводит к увеличению числа особей. Иногда половой процесс отождествляют с оплодотворением, т. е. слиянием женской и мужской гамет. Этого тоже делать нельзя, поскольку половой процесс может протекать и без участия гамет (водоросли, инфузории). 

Формами полового процесса являются конъюгация и копуляция.

Конъюгация — особая форма полового процесса, при которой происходит контакт одноклеточных организмов или соматических клеток многоклеточных организмов с образованием цитоплазматических мостиков для перехода ядер или всего содержимого клеток. Конъюгация у одноклеточных организмов (инфузории) несколько отличается от таковой у многоклеточных водорослей (спирогира). У инфузорий (например, инфузории туфельки) во время коньюгации две особи вступают в контакт с помощью цитоплазматического мостика, через который обмениваются подвижными малыми ядрами. Большие ядра у них погибают и в половом процессе не участвуют. При этом не происходит увеличения числа особей, но обеспечивается перекомбинация наследственного материала.

При конъюгации у многоклеточных водорослей (спирогира) отдельные гаплоидные клетки параллельно лежащих нитевидных талломов попарно образуют навстречу друг другу выросты, которые соединяются и формируют цитоплазматический мостик. Через этот мостик содержимое одной из клеток перетекает в другую и соединяется с ее содержимым. При этом происходит направленный перенос наследственной информации из одной вегетативной клетки в другую, которая превращается в диплоидную клетку. Последняя делится на две дочерние клетки, дающие начало двум новым гаплоидным особям. При этом количество особей будет увеличиваться, так как в конъюгации могут участвовать многие клетки многоклеточных нитей водоросли.

Копуляция (гаметогамия) — форма полового процесса, при которой у многоклеточных и одноклеточных организмов две различающиеся по полу клетки (гаметы) сливаются и образуют зиготу, содержащую одно ядро с новым набором наследственного материала. Из зиготы развивается новый организм.

*Различают следующие основные формы гаметогамии:

• изогамия — гаметы не отличаются друг от друга по размерам, подвижны, имеют жгутики, однако физиологически они разделяются на «мужскую» и «женскую». Изогамия встречается у некоторых протистов и многих водорослей;
• анизогамия (гетерогамия) — гаметы отличаются друг от друга морфологически (одна крупнее другой) и физиологически, но оба типа гамет подвижны и имеют жгутики. Такой тип полового процесса характерен для некоторых водорослей;
• оогамия (овогамия) — в данном случае гаметы сильно отличаются друг от друга и разделяются на женские — яйцеклетки и мужские — сперматозоиды. Яйцеклетки крупные и неподвижные, а сперматозоиды мелкие и подвижные. У семенных растений мужские гаметы неподвижны и называются спермиями. Они доставляются к яйцеклетке с помощью пыльцевой трубки. Оогамия характерна для животных, растений и многих грибов.

Копуляция как форма полового процесса эволюционировала в следующем направлении:

изогамия → анизогамия → оогамия.

*Понятие о диплоидности и гаплоидности

При половом размножении происходит изменение количества хромосом в клетках на этапе образования гамет и на этапе оплодотворения. Для того чтобы хорошо представлять суть этих изменений, рассмотрим такие понятия, как «диплоидность» и «гаплоидность». Клетки каждого организма содержат определенный набор хромосом, который называется кариотипом. Для каждого вида организмов характерен свой кариотип. Он отличается по числу, форме и составу хромосом от кариотипа другого вида.

Исследования кариотипов различных организмов показали, что в клетках хромосомы могут быть парными или непарными, соответственно набор хромосом может быть двойным или одинарным. Двойной набор хромосом, в котором парные хромосомы одинаковы по величине, форме и составу наследственной информации, называется  диплоидным (от греч. diplóos — двойной, éidos — вид) и обозначается 2n. Он характерен для соматических клеток (клеток тела) грибов, растений и животных. Так, например, все соматические клетки человека содержат 23 пары хромосом, т. е. кариотип состоит из 46 хромосом. У дрозофилы 8 хромосом в кариотипе образуют 4 пары. Одинарный набор хромосом, состоящий из непарных хромосом, называется гаплоидным  (от. греч. haplóos — одиночный, éidos — вид) и обозначается n.  Например, в клетках таллома и спорах водорослей набор хромосом гаплоидный. В половых клетках всех организмов всегда содержится только гаплоидный набор хромосом. У человека гаметы содержат по 23 хромосомы.

*Особенности строения и образования половых клеток у животных

Рассмотрим особенности строения половых клеток у животных. В курсе биологии 9-го класса вы познакомились со строением мужских и женских половых клеток человека. Вы помните, что главным отличием половых клеток от соматических является наличие гаплоидного набора хромосом.

У животных мужские половые клетки — сперматозоиды — мелкие, подвижные, перемещаются с помощью одного или нескольких жгутиков. Форма мужских половых клеток у разных видов животных различна. Для позвоночных животных наиболее типичны сперматозоиды, имеющие головку, шейку и длинный жгутик для активного передвижения. Именно такое строение имеют сперматозоиды человека.

Женская половая клетка — яйцеклетка — крупная, неподвижная, содержит запас питательных веществ. Яйцеклетка обычно значительно крупнее соматических клеток и чаще всего имеет сферическую форму.

Особенно больших размеров достигают яйцеклетки животных, эмбриональное развитие которых происходит вне тела матери (яйца птиц и рептилий, икра амфибий и рыб). Они имеют большой запас питательных веществ (желток).

Процесс образования и развития половых клеток у животных протекает в специальных половых железах — гонадах. Однако у кишечнополостных половые железы отсутствуют, и половые клетки образуются из резервных соматических клеток.

Сперматозоиды и яйцеклетки обычно формируются соответственно особями мужского и женского пола. Виды, у которых организмы делятся на самцов и самок, называются раздельнополыми. Встречаются виды, у которых один и тот же организм может образовывать как мужские, так и женские половые клетки. Такие организмы называются гермафродитами. Гермафродитизм наблюдается у многих видов моллюсков, плоских и кольчатых червей, но практически не встречается у хордовых животных.

Процесс образования половых клеток у животных включает ряд сложных преобразований исходных материнских клеток-предшественниц. Рассмотрим особенности этого процесса у млекопитающих.

Мужские половые клетки образуются в мужских половых железах — семенниках. Семенники млекопитающих состоят из извитых семенных канальцев. В стенках канальцев клетки находятся на разных стадиях развития и формируют зоны — размножения, роста, созревания и формирования.

Процесс образования мужских половых клеток называется сперматогенезом. Он начинается в период полового созревания и продолжается в течение всей жизни. Сперматогенез включает четыре периода: размножение, рост, созревание и формирование. Каждый период протекает в одноименной зоне стенки семенного канальца и характеризуется специфическими процессами образования определенного типа клеток. В период размножения материнские диплоидные клетки-предшественницы многократно делятся без стадии роста между делениями. Образуется большое количество мелких клеток, идентичных материнским. Они перемещаются в зону роста, где увеличиваются в размерах за счет накопления цитоплазмы. Далее они перемещаются в зону созревания, где претерпевают два последовательных деления с уменьшением вдвое числа хромосом. В зоне формирования у каждой клетки появляются головка, шейка и жгутик, и она превращается в гаплоидный сперматозоид. Таким образом, из каждой материнской диплоидной клетки-предшественницы образуется 4 гаплоидных сперматозоида. У мужчин сперматозоиды образуются непрерывно — примерно 125 млн ежедневно — и теоретически постоянно способны к оплодотворению.

Развитие женских половых клеток — яйцеклеток — начинается в женских половых железах — яичниках, а созревание яйцеклеток происходит в маточной трубе. Процесс образования яйцеклеток называется оогенезом. Он включает три периода — размножение, рост и созревание, в ходе которых протекают процессы, сходные с периодами образования сперматозоидов. Однако в период созревания из четырех гаплоидных клеток, образовавшихся из клетки-предшественницы, только одна крупная клетка становится яйцеклеткой, а три малые клетки погибают. Период формирования отсутствует.

Период размножения материнских диплоидных клеток-предшественниц у женщины начинается еще во время внутриутробного развития зародыша и заканчивается к моменту рождения. Большая их часть погибает, а выжившие сохраняются долгие годы без изменения. С наступлением половой зрелости отдельные клетки-предшественницы с периодичностью в 28 дней вступают в периоды роста и созревания. В результате из каждой диплоидной клетки-предшественницы образуется одна гаплоидная яйцеклетка. Количество яйцеклеток, образующихся у женщин в течение жизни, индивидуально и колеблется в пределах 400—500 штук.

Особенность процесса образования женских половых клеток по сравнению с образованием сперматозоидов состоит в том, что у женщин он прекращается после наступления менопаузы (климакса), а у мужчин образование сперматозоидов продолжается до конца жизни. Менопауза — это угасание гормональной функции яичников.

Проверим знания