Половое и бесполое размножение организмов. Половые клетки. Мейоз. Развитие яйцеклеток и сперматозоидов. Оплодотворение - Клеточная теория - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ - ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЕГЭ

Древнейшим способом размножения на Земле было бесполое размножение. При бесполом размножении одна или несколько клеток тела родительской особи делятся. При этом образуются одна или несколько дочерних особей, во всем схожих с родительской. Бесполое размножение у различных живых организмов может проходить по-разному.

У бактерий перед размножением единственная хромосома удваивается, клетка удлиняется, и между расходящимися к ее полюсам хромосомами образуется перегородка — получаются две клетки.

Многие простейшие и одноклеточные водоросли делятся митозом, образуя две клетки из одной, например амебы, некоторые инфузории, эвглена зеленая, хламидомонада.

Другой способ бесполого размножения — почкование. Почкованием размножаются многие низшие грибы, например дрожжи, и даже многоклеточные животные, например пресноводная гидра. При почковании дрожжей на клетке образуется утолщение, постепенно превращающееся в полноценную дочернюю клетку дрожжей. На теле гидры несколько клеток начинают делиться, и постепенно на материнской особи вырастает маленькая гидра, которая затем отделяется от материнского организма.

Некоторые животные могут размножаться делением тела на несколько частей, причем из каждой части вырастает полноценный организм, во всем сходный с родительской особью (плоские и кольчатые черви, иглокожие).

Большинство растений способно к бесполому размножению с помощью спор. Споры растений — это гаплоидные клетки, покрытые специальной оболочкой, защищающей их от вредного воздействия окружающей среды: холода, засухи и т. п. Например, у папоротников споры образуются в специальных органах — спорангиях на нижней стороне листьев, а у мхов — в особых коробочках на верхушках женских растений.

И, наконец, еще один способ бесполого размножения — вегетативное размножение, особенно часто встречающееся у высших растений. При таком способе размножения целое растение развивается из какого-либо вегетативного органа или даже части органа растения. Так, например, растения могут размножаться стеблем или его частью и видоизменениями: отводками (смородина), черенками (тополь), усами (земляника), клубнями (картофель), корневищами (ирис), луковицами (лук, чеснок, тюльпан). Возможно также вегетативное размножение корнями (малина, слива) и корнеклубнями (георгин). В определенных условиях растение может размножаться и черенком листа (бегония).

Бесполое размножение позволяет быстро увеличивать численность вида в благоприятных условиях. Но при таком способе размножения все потомки имеют абсолютно такой же генотип, как и родительская особь: ведь они развиваются из клеток тела этой особи.

При половом размножении каждое следующее поколение возникает в результате слияния двух специализированных клеток — гамет. Гаметы возникают в специальных органах родительских особей, мужской и женской. Сущность полового размножения заключается в слиянии генетической информации родителей, благодаря чему генетическое разнообразие в потомстве увеличивается, а значит, растет и жизнеспособность по сравнению с родительской.

Половые клетки — гаметы — формируются у животных в половых железах: у самцов в семенниках образуются сперматозоиды, а у самок в яичниках — яйцеклетки.

Яйцеклетки неподвижны, обычно достигают крупных размеров и содержат запасы питательных веществ. Диаметр яйцеклетки млекопитающих около 0,1 мм; яйцеклетки рыб (икринки) содержат больше питательных веществ и значительно крупнее. Еще крупнее яйцеклетки у птиц, например, яйцеклетка курицы с питательными веществами (желтком) имеет диаметр около 3 см. Сперматозоиды очень малы и подвижны. У млекопитающих сперматозоид состоит из головки (ее длина около 5-10 мкм), шейки и хвостика (их общая длина примерно 60 мкм). В головке расположено ядро, содержащее гаплоидный набор хромосом. Цитоплазмы в головке очень мало. В шейке находится небольшое число митохондрий, вырабатывающих энергию для движения сперматозоида, и центриоль, обеспечивающая колебания жгутика, лежащего вдоль оси хвостика.

Мужские половые клетки — сперматозоиды — образуются в результате сперматогенеза. Этот процесс идет в три стадии. На стадии размножения в семенниках диплоидные клетки сперматогенной ткани многократно делятся, и в результате образуются 2n-сперматоциты. Стадия роста сперматоцитов сопровождается синтезом ДНК и достраиванием второй хроматиды, на стадии созревания сперматоциты делятся мейозом с образованием гаплоидных n-сперматозоидов.

В каждом сперматозоиде (человека и других млекопитающих) хромосомные наборы будут различаться по половым хромосомам: одни будут нести Х-, а другие — Y-хромосому.

Женские половые клетки — яйцеклетки — образуются в результате оогенеза. Этот процесс идет в яичниках тоже в три стадии. На стадии размножения в яичниках диплоидные клетки оогенной ткани делятся, в результате образуются 2n-ооциты. Далее следуют стадия роста ооцитов, сопровождающегося синтезом ДНК и построением второй хроматиды хромосом, и стадия созревания ооцитов, которые делятся мейозом. В результате из ооцита образуется одна гаплоидная клетка с однохроматидными хромосомами (lnlc-яйцеклетка) и три редукционных, или полярных, тельца. В дальнейшем яйцеклетка участвует в половом процессе, а редукционные тельца отмирают.

Процесс образования мужских и женских гамет называется гаметогенезом.

Отличия в строении сперматозоидов и яйцеклеток связаны с их функциями. Яйцеклетки в процессе созревания покрываются оболочками (в некоторых случаях, например, у пресмыкающихся, птиц и млекопитающих возникает ряд дополнительных оболочек). Функция оболочек — защита яйцеклетки и зародыша от внешних неблагоприятных воздействий.

Функция сперматозоидов заключается в доставке в яйцеклетку генетической информации и стимуляции ее развития. В связи с этим в сперматозоидах происходит значительная перестройка: аппарат Гольджи располагается на переднем конце головки, преобразуясь в кольцевое тельце (акросому), выделяющее ферменты, которые действуют на оболочку яйца. Митохондрии компактно упаковываются вокруг появившегося жгутика, образуя шейку. В сформированном сперматозоиде содержатся также центриоли.

Мейоз — способ деления диплоидных клеток с образованием из одной материнской диплоидной клетки четырех дочерних гаплоидных клеток. Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра и короткой интерфазы между ними.

Первое деление состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I и телофазы I. В профазе I парные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, максимально близко подходят друг к другу (этот процесс называется конъюгацией гомологичных хромосом), перекрещиваются (кроссинговер), образуя мостики (хиазмы), затем обмениваются участками. При кроссинговере осуществляется перекомбина- ция генов. После кроссинговера хромосомы разъединяются.

В метафазе I парные хромосомы располагаются по экватору клетки; к каждой из хромосом прикрепляются нити веретена деления. В анафазе I центромеры не делятся, и к полюсам клетки расходятся двухроматидные хромосомы; при этом число хромосом у каждого полюса становится вдвое меньше, чем в материнской клетке. Затем происходит телофаза I — образуются две клетки с гаплоидным числом двухроматидных хромосом; поэтому первое деление мейоза называют редукционным. После телофазы I следует короткая интерфаза (в некоторых случаях телофаза I и интерфаза отсутствуют). В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом не происходит, так как каждая хромосома уже состоит из двух хроматид.

Второе деление мейоза отличается от митоза только тем, что его проходят клетки с гаплоидным набором хромосом; во втором делении иногда отсутствует профаза II. В метафазе II двухроматидные хромосомы располагаются по экватору; процесс идет сразу в двух дочерних клетках. В анафазе II делятся центромеры, и к полюсам отходят уже однохроматидные хромосомы. В телофазе II в четырех дочерних клетках формируются ядра и перегородки (в растительных клетках) или перетяжки (в животных клетках). В результате второго деления мейоза образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом (1n1c); второе деление называют эквационным (уравнительным). Это гаметы у животных и человека или споры у растений.

Значение мейоза состоит в том, что в гаметах создается гаплоидный набор хромосом и условия для наследственной изменчивости за счет кроссинговера и вероятностного расхождения хромосом.

Оплодотворение — это процесс слияния сперматозоида с яйцеклеткой с последующим слиянием их ядер и образованием диплоидной зиготы. Биологическое значение этого процесса состоит в том, что при слиянии мужских и женских гамет образуется новый организм, несущий признаки обоих родительских организмов. При образовании гамет в мейозе возникают клетки с разным сочетанием хромосом, поэтому после оплодотворения новые организмы сочетают в себе признаки и отца, и матери в различных комбинациях. В результате этого значительно увеличивается наследственное разнообразие организмов.