2 Морфология, физиология и развитие гамет

Гаметогенез – развитие половых клеток (гамет) У животных различают диффузный гаметогенез, когда гаметы развиваются в любом участке тела (губки некоторые кишечнополостные плоские черви) и локализованный, если гаметы развиваются в половых железах (гонадах).

У выше упомянутых низших беспозвоночных животных половые клетки могут развиваться из соматических клеток на протяжении всей жизни особи. У большинства более высокоорганизованных животных началу гаметогенеза предшествует обособление первичных половых клеток – гонобластов (гоноцитов) от окружающих соматических клеток после первых делении дробления или позже из экто- или энтодермы (исключение: из мезодермы у хвостатых амфибий) При раннем начале гаметогенеза у эмбрионов некоторых беспозвоночных и позвоночных животных гоноциты образуются вне зачатка будущей гонады и мигрируют в него либо активно (самостоятельно), либо пассивно (с током крови) У животных с поздним началом гаметогенеза (гидры, оболочники. мшанки) гоноциты появляются там же, где возникает зачаток половой железы.

Индифферентный (биопотенциальный) вначале зачаток гонады дифференцируется либо в женскую половую железу – яичник и тогда гоноциты остаются в периферическом слое органа, либо в мужскую половую железу – семенник в этом случае гоноциты углубляются в центральную зону зачатка. В составе семенника они дают начало первичным сперматогониям, а в составе яичника первичным овогониям, которые считаются стволовыми клетками для всех последующих поколений половых клеток данного организма

Гаметогенез, при котором развитие и питание половых клеток осуществляется без участия специализированных вспомогательных структур, называют солитарным (кишечнополостные, черви). Если в развитии половых клеток участвуют специализированные соматические клетки, как трофоциты у насекомых, или фолликулярные эпителиоциты гонад у позвоночных животных, гаметогенез считается алиментарным. Диффузный и локализованный гаметогенез может осуществляться как по солитарному, так и по алиментарному способам.

Гаметогенез включает в себя развитие мужских половых клеток – сперматогенез и развитие женских половых клеток – овогенез. Общими для них являются первые три периода: размножения, роста и созревания. Половые клетки разных периодов отличаются друг от друга по морфологии, а также по генетическим и физиологическим признакам.

Принципиально важными событиями гаметогенеза являются: редукция числа хромосом до гаплоидного, что обеспечивает постоянство количества хромосом в ряду поколений биологического вида и рекомбинация генетического материала, что обеспечивает генетическую разнокачественность зрелых половых клеток и, следовательно, потомства.

В первом периоде гаметогенеза – периоде размножения происходит ряд митотических делении гениальных клеток (спермо- и овогониев), количество которых относительно постоянно для каждого биологического вида. Клетки разных поколений различаются по степени спирализации хроматина в ядре и по своим объемам. В конце этого периода клетки вступают в предмейотическую интерфазу, в которой осуществляется однократная репликация ДНК перед двумя предстоящими мейотическими делениями.

Во втором периоде гаметогенеза – периоде роста, увеличивается объем половых клеток (спермо- и овоцитов I порядка) Необходимо подчеркнуть, что растущие клетки одновременно претерпевают изменения, характерные для профазы I деления мейоза, в результате которых происходит формирование новых комбинаций разных генов, что обусловливает тот факт, что зрелые половые клетки, имея одинаковый гаплоидный набор хромосом, будут неидентичны в отношении набора аллелей генов данного биологического вида.

В третьем периоде гаметогенеза – периоде созревания, завершается I деление мейоза, и в результате расхождения к полюсам будущих дочерних клеток целых хромосом из состава бивалентов происходит редукция вдвое числа хромосом в клетках. После интеркинеза осуществляется II деление мейоза, в анафазе которого к полюсам будущих клеток отходят уже хроматиды и, следовательно, отсутствует редукция числа хромосом. Клетки, возникающие при первом делении мейоза, называются сперматоцитами II порядка в сперматогенезе и овоцитами II порядка в овогенезе (первые поколения гаплоидных клеток) После полного завершения мейотических делений возникают сперматиды и яйцеклетка (вторые поколения гаплоидных клеток), в сперматогенезе и овогенезе соответственно. Следует подчеркнуть, что процесс мейоза охватывает два периода гаметогенеза: период роста и период созревания.

Таким образом, основные события, происходящие в трех периодах спермато- и овогенеза, принципиально сходны и, следовательно, сходны генетические результаты изменений, которым подвергаются клетки.

Сперматогенез Особенности сперматогенеза обусловлены, прежде всего, особенностями строения зрелой мужской половой клетки сперматозоида. В периоде размножения происходят многократные митотические деления диплоидных сперматогониев. В периоде росте сперматоциты первого порядка у большинства животных увеличиваются в объеме незначительно. В периоде созревания образуются четыре одинаковые по величине клетки – сперматиды; чаще всего эти клетки остаются связанными между собой в силу незавершенной цитотомии и представляют собой клон – потомство исходного сперматогония; полное разделение клеток происходит позже. Существенной особенностью сперматогенеза является наличие четвертого периода в дополнение к трем общим, одинаковым в спермато- и овогенезе. Этот период называется периодом формирования или сперматогенеза. В ходе формирования сперматиды подвергаются сложным морфологическим перестройкам. Клетки постепенно меняют свою форму благодаря приобретению свойства полярности, уменьшенное в объеме ядро локализуется в одной части клетки, цитоплазма «оттекает» к противоположному полюсу и затем постепенно элиминируется вместе с большинством органоидов. Комплекс Гольджи преобразуется в специфическую структуру – акромосный аппарат, который располагается над ядром, а клеточный центр, разделенный на центриоли, локализуются под ядром; митохондрии палочковидной формы концентрируются в промежуточном отделе или верхней части хвоста сперматозоида. Эти перемещения внутри сперматид называются телекинетическими движениями. При солитарном сперматогенезе развитие сперматозоидов осуществляется непосредственно в тканях тела (некоторые кишечнополостные) или целомической полости (полихеты). При алиментарном сперматогенезе преобразование сперматид в сперматозоиды происходит при обязательном участии фолликулярных соматических клеток семенника. Продолжительность сперматогенеза от 3 (некоторые кишечнополостные) до 80 суток (человек). У животных с сезонными циклами размножения периоды сперматогенеза продолжительнее. У млекопитающих животных процесс сперматогенеза в целом строго детерминирован во времени.

Овогенез Овогенез имеет ряд отличий от сперматогенеза: прежде всего, число митотических делений диплоидных овогоний в периоде размножения меньше, чем число гениальных делений в сперматогенезе у представителей одного и того же вида животных. Период роста намного продолжительнее, и увеличение объема овоцита 1 порядка существенно значительнее, чем сперматоцитов 1 порядка. Этот период овогенеза подразделяют на два периода: малого роста и большого роста. Малый рост характеризуется незначительным увеличением объема клетки, а в ядре овоцита осуществляются процессы профазы I деления мейоза, вплоть до диплотены. Большой рост подразделяется, в свою очередь, на два подпериода: цитоплазматического роста, во время которого увеличивается объемы ядра, цитоплазмы и количество органоидов, и трофоплазматического роста, в ходе которого происходит накопление питательных веществ (вителлогенез).

Необходимо подчеркнуть и тот факт, что в овогенезе (при условии необходимости синтеза желтка в половой клетке) происходят существенные структурные преобразования хромосомного аппарата, необходимые для резкого усиления биосинтеза белка в клетке (основного компонента желтка) Вителлогенез проявляется также морфологически в увеличении количества ядрышек в ядре.

В периоде созревания завершаются мейотические деления, в результате которых все накопленные овоцитом 1 порядка резервные вещества оказываются сосредоточенными только в одной из образовавшихся четырех гаплоидных клеток – сводите 2 порядка, а образование нежизнеспособных трех направительных (редукционных, полярных), телец связано с регуляцией плоидности яйцеклетки.

В овогенезе период формирования отсутствует, поскольку окончательную форму и объем, соответствующие яйцеклетке, женская половая клетка приобретает в периоде роста.

У некоторых беспозвоночных животных питательные вещества попадают в яйцеклетку непосредственно из тканевой жидкости в виде низкомолекулярных соединений, а образование из них более сложных молекул происходит при активном участии синтетического аппарата самого овоцита.

У большинства животных половые клетки развиваются в тесной связи со специализированными клетками: либо трофоцитами (преобразованные овоциты), которые обладают высокой синтетической активностью, либо фолликулярными (соматическими) клетками, которого лишь осуществляют транспорт в овоцит питательных веществ, синтезированных вне гонады.

Сперматиды более не делятся и вступают в завершающий четвертый период развития – спермиогенез, превращаясь после ряда преобразований в сперматозоиды. Сперматида – относительно небольшая гаплоидная недифференцированная клетка, находящаяся в составе синцитиального клона, претерпевает сложное развитие, приобретает видоспецифичные признаки. В процессе формирования значительно уменьшается объем ядра, это сопровождается конденсацией хроматина и элиминацией кариоплазмы. В результате экспрессия генов в ядре сперматиды полностью прекращается и хроматин превращается в метаболически инертную массу. Ядро смещается в ту часть клетки, которая становится головкой спермия. Формируется специфическая для сперматозоида органелла – акросома, представляющая собой видоизмененную лизосому. Она образуется из аппарата Гольджи и располагается в переднем отделе головки сперматозоида. Чаще всего акросома имеет форму колпачка или пузырька, содержит спермолизины, необходимые сперматозоиду для проникновения через покровы яйца. У некоторых видов, например у морского ежа, между акросомным пузырьком и ядром имеется область, содержащая глобулярный актин, который при оплодотворении полимеризуется, образуя акросомный вырост. У некоторых видов животных акросома отсутствует. Например, у костистых рыб и некоторых насекомых безакросомный сперматозоид при оплодотворении проникает в ооцит через специальное отверстие в оболочке яйца – микропиле.

Другие клеточные органеллы дифференцирующейся сперматиды тоже претерпевают существенные изменения. Центриоли перемещаются под ядро, в область формирующейся шейки сперматозоида. Дистальная центриоль становится базальным тельцем, от которого берет начало аксонема жгута, состоящая из двух центральных микротрубочек, окруженных кольцом из девяти двойных периферических фибрилл. Осевой фибриллярный комплекс жгутика сперматозоида обозначают формулой 9(2) + 2. Митохондрии также перемещаются под ядро и окружают кольцом или спиралью основание жгутика. У некоторых видов изменяется и ультраструктура митохондрий сперматиды: они сливаются, образуя единую органеллу – хондросому. Митохондрии вырабатывают энергию, обеспечивающую подвижность жгутика сперматозоида.

Сперматиды утрачивают во время сперматогенеза болыпуючасть цитоплазмы вместе с органеллами, такими, как рибосомы, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, чье присутствие не требуется для передачи ДНК яйцеклетке. От цитоплазмы остается лишь тонкий слой, покрывающий сперматозоид (кроме концевой части хвоста). Иногда при сползании цитоплазмы остаются резидуальные капли, которые исчезают позднее. К концу периода формирования происходит индивидуализация половых клеток, клон разрушается и свободные сперматозоиды выходят в просвет канальца семенника. Сперматозоид в высокой степени специализирован для выполнения основных функций: активации яйцеклетки (запускание программы развития) и введение своей ДНК в женскую половую клетку.

За редким исключением сперматозоиды животных относятся к жгутиковым клеткам. Сперматозоид состоит из головки, содержа¬щей необычно уплотненное гаплоидное ядро и акросому, хвоста, способствующего перемещению к месту оплодотворения, и связующей шейки. В деталях строения жгутиковые сперматозоиды могут существенно различаться (размеры, форма и наличие акросомы и т. д.). Существуют и безжгутиковые сперматозоиды (круглые черви, высшие раки, моллюски), имеющие, как правило, причудливые формы.

В эякуляте сперматозоиды суспензированы в семенной жидкости, которая является смесью секретов желез мужского репродуктивного тракта. Относительная концентрация сперматозоидов в эякуляте весьма важна для оплодотворения и колеблется от 50 до 170 млн в 1 мл. Между размерами животного и размерами сперматозоида нельзя выявить явного соотношения. Сперматозоид воробья, например, составляет в длину 200 мкм, тритона – 500 мкм, аксолотля – 400 мкм, человека – 50–70 мкқ, морского ежа – 40 мкм. На фертильность сперматозоидов (их способность оплодотворять яйцеклетку) влияют резкие температурные перепады, изменения физико-химических свойств среды обитания, замораживание и оттаивание. Срок фертильности у различных млекопитающих варьирует в пределах от 14 ч у крыс до 24 ч у человека. Птицы при однократном осеменении продолжают нести оплодотворенные яйца в течение 3 недель. У некоторых видов животных сперматозоиды могут длительно пребывать в состоянии анабиоза и оплодотворять яйцеклетку через долгий срок. Так, у летучих мышей анабиоз длится весь зимний период.

Четыре типа строения семенников позвоночных животных

Фолликулярный тип. Этот тип характерен для круглоротых. Структурно-функциональной единицей органа является фолликул, выстланный фолликулярными клетками. Между отростками этих клеток располагаются половые клетки. После образования сперматид в период формирования половые клетки теряют связь с фолликулярными клетками и свободно заполняют просвет.

Фолликулярно-цистный тип. К этому типу относят семенники хрящевых рыб и хвостатых амфибий. В фолликулах хрящевых рыб половые клетки находятся в составе карманообразных цист. Каждая циста образована одной фолликулярной клеткой, а у хвостатых амфибий стенка цисты состоит из нескольких фолликулярных клеток. Половые клетки в составе всех цист одного фолликула развиваются синхронно. В соседних фолликулах стадии сперматогенеза могут быть иными.

Канальцево-цистный тип. Семенники костистых рыб и бесхвостых амфибий морфологически сходны и состоят из канальцев, в которых формируются цисты. Стенку цист образуют несколько фолликулярных клеток. Половые клетки развиваются в канальцах внутри цист. К началу спермиогенеза стенка цисты нарушается, но контакт сперматид и фолликулярных клеток сохраняется. Сперматиды, погруженные в цитоплазму фолликулярной клетки, завершают процесс формирования, после чего происходит спермиация – выход сперматозоидов в просвет канальца.

Канальцевый тип. Сперматогенез у рептилий, птиц и млекопитающих осуществляется в семенных извитых канальцах, в которых нет цист. Между фолликулярными клетками, выстилающими внутреннюю стенку канальца – клетками Сертоли, и половыми клетками на протяжении всего сперматогенеза сохраняется сложная взаимосвязь. Половые клетки располагаются в сети цитоплазматических отростков фолликулярных клеток, причем одна фолликулярная клетка связана одновременно с гетерогенной популяцией половых клеток. В базальной зоне канальца на базальной мембране расположены гонии, в центральной – сперматоциты, в апикальной, глубоко имплантируясь в цитоплазму клеток Сертоли, – сперматиды. По мере созревания половые клетки смещаются к просвету канальца и осуществляется их спермиация. Продолжительность сперматогенеза у человека составляет 64 дня, у мыши – 35 дней, у крысы – 48 дней. У большинства позвоночных животных семенники функционируют сезонно, что связано с особенностями размножения. В период покоя в семенниках наступают деструктивные изменения. Неиспользованные половые продукты подвергаются активному фагоцитозу фолликулярными клетками.

Оогенезом называется дифференцировка половых клеток по женскому типу. Женская половая клетка – яйцеклетка – высокоспециализированная гаплоидная клетка организма, обладающая потенциальной способностью к развитию. В ее цитоплазме запасено все, что необходимо для роста и развития зародыша. Если сперматозоид в ходе спермиогенеза избавляется от большей части своей цитоплазмы, то ооцит активно накапливает различные трофические компоненты и органеллы, РНК, структурные белки, предшественники синтеза ДНК и РНК, а также желток, который служит источником питания для зародыша. Количество и распределение желтка имеют важное значение для развития. Яйцеклетки животных, у которых личинки или зародыши рано переходят на активное питание, содержат мало желтка. В тех случаях, когда яйцеклетка содержит большие запасы желтка, из яйцевых оболочек выходит вполне сформированная особь. В яйцеклетках плацентарных млекопитающих, чьи эмбрионы развиваются внутриутробно и получают питательные вещества из материнского организма, объем желтка составляет менее 5 % объема яйца. Другими словами, количество желтка определяет условия и продолжительность развития зародыша.

По количеству желтка яйцеклетки подразделяются на многожелтковые (полилецитальные), маложелтковые (олиголециталъные) и содержащие среднее количество желтка (мезолецитальные). Иногда выделяют и практически безжелтковые яйцеклетки (алецитальные). Количество желтка в яйце видоспецифично, строго детерминировано и не зависит от условий питания самки.

Желток может размещаться в клетке равномерно (изо- или гомолецитальные яйцеклетки) либо смещен к одному из полюсов (телолецитальные яйцеклетки), у некоторых животных желток накапливается в центре яйца, а цитоплазма его окружает (центролецитальные яйцеклетки). В случае телолецитальных яйцеклеток полюс, на котором расположен желток, называется вегетативным, а противоположный ему – анимальным. Характеризуя яйцеклетку, важно указать, какое количество желтка в ней содержится и каким образом он распределен. Например, к полилецитальным телолецитальным относятся яйцеклетки костистых рыб, рептилий, птиц; к телолецитальным центролецитальным – яйцеклетки насекомых. Олиголецитальные изолецитальные яйцеклетки характерны для большинства червей, моллюсков, иглокожих. У амфибий и осетровых рыб яйцеклетки мезолециталъные и телолецитальные, а у плацентарных млекопитающих они практически не содержат желтка и характеризуются как алецитальные. Кроме плазматической оболочки, характерной для каждой живой клетки, яйцеклетки обычно окружены специализированными оболочками. Различают первичные оболочки, которые формируются самим яйцом, вторичные оболочки – образуются фолликулярными клетками, окружающими половую клетку, и третичные оболочки – выделяются клетками яйцевода при прохождении по нему овулировавшего яйца. Первичная оболочка – желточная – прилегает к поверхности яйцеклетки и присуща всем животным; иногда она бывает пронизана выростами яйца, выглядит радиально исчерченной и называется zona radiata. Вторичные и третичные оболочки есть не у всех яиц. Жесткий непроницаемый хорион, покрывающий яйца насекомых, секретируется фолликулярными клетками. Яйца амфибий окружены прозрачной и толстой студенистой третичной оболочкой. У птиц различают несколько третичных оболочек: белковую, две подскорлуповых и скорлуповую.

Форма яиц – шаровидная, овальная, реже удлиненная (некоторые насекомые). Размеры варьируют в широких пределах – от нескольких микрометров (поперечник яйца паразитических перепончатокрылых равен 7 мкм) до нескольких сантиметров (у сельдевой акулы – 22 см), что зависит от типа развития животного. Но даже у плацентарных млекопитающих, зародыши которых все необходимое для своего развития получают от материнского организма, яйцеклетки значительно крупнее соматических клеток. Диаметр яйца у ланцетника около 100 мкм, у лягушки – 2 мм, у курицы – 3,5 см, у мышевидных грызунов – 75–90 мкм, у кроликов, кошек, собак – 120–130 мкм, у человека – 130 мкм.

Типы оогенеза. Развитие женских половых клеток может осуществляться в любом участке тела (диффузный оогенез) либо локализованно в женских гонадах – яичниках (локализованный оогенез). Диффузный тип оогенеза наблюдается у губок, кишечнополостных, ресничных червей. При диффузном типе оогенеза ооциты являются фагоцитирующими клетками, не синтезируют и не накапливают желточные включения, а растут за счет поступления низкомолекулярных соединений из фаголизосом. В этих ооцитах вырабатываются в большом количестве гидролитические ферменты, необходимые для переваривания фагоцитируемых структур.

В случае локализованного оогенеза ооцит может развиваться без участия вспомогательных питающих клеток (солитарный тип) или при участии специальных клеток (алиментарный тип). При солитарном типе оогенеза растущие половые клетки лишены вспомогательных элементов, желточные белки и РНК синтезируются ими самостоятельно. Все необходимое для макромолекулярных синтезов ооцит получает из окружающей среды (полости гонады) в виде простых низкомолекулярных соединений. Солитарный оогенез встречается у некоторых кишечнополостных, червей и моллюсков.

Алиментарный тип оогенеза может быть фолликулярным или нутриментарным. При фолликулярном типе оогенеза растущий ооцит окружен фолликулярными (соматическими по происхождению) клетками, которые вместе с ним образуют функциональную структуру – фолликул. Это наиболее распространенный тип оогенеза. Он встречается у подавляющего большинства животных, к числу которых относятся все хордовые. Фолликулярные клетки не участвуют в синтезе белков желтка, все виды РНК синтезируются в самом ооците. Исключение составляют фолликулярные клетки птиц и ящериц, синтезирующие РНК для ооцита. Среди многочисленных функций фолликулярного эпителия – проведение и селекция гетеросинтетических макромолекул, защитная, регуляторная, синтез вторичных оболочек и др. При нутриментарном типе оогенеза ооцит окружен трофоцитами (клетками-кормилками), связанными с ним цитоплазматическими мостиками. Трофоциты – абортивные половые клетки, т. е. имеющие общее происхождение с ооцитом. На один ооцит приходится огромное количество клеток-кормилок, снабжающих половую клетку РНК. В вителлогенезе трофоциты участия не принимают: желток образуется за счет поступлений высокомолекулярных веществ из вне. У некоторых насекомых нутриментарный тип питания сочетается с фолликулярным. В этих случаях фолликулярные клетки окружают ооцит вместе с его клетками-кормилками еще одним слоем. Нутриментарный оогенез описан у высших червей и насекомых.

Контрольные вопросы

1. Что такое гаметогенез?

2. На какие периоды делится процесс гаметогенеза?

3. Опишите процесс оогенеза.

4. Опишите процесс сперматогенеза.

5. Какие существуют различия между оогенезом и сперматогенезом?