Пояснення до завдання

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЗАНЯТТЯ

РОЗМНОЖЕННЯ ТА ЙОГО ФОРМИ. БІОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ РЕПРОДУКЦІЇ ЛЮДИНИ. ГАМЕТОГЕНЕЗ ЗАПЛІДНЕННЯ

Мета заняття: сформувати знання про різноманітність та еволюцію форм і способів, біологічну сутність розмноження організмів; вивчити механізм гаметогенезу та рекомбінації генетичного матеріалу, біологічні особливості репродукції людини; ознайомитися з єдиним планом будови та різноманітністю статевих клітин багатоклітинних організмів.

Обладнання: таблиці, мікроскопи, предметні та накривні скельця, препарувальні голки, очні піпетки, пінцети, фільтрувальний папір, бюкси з водою, мукор головчастий у чашках Петрі, електронограми статевого та нестатевого розмноження бактерій, мікропрепарати: мукор головчастий, яйцеклітини беззубки, жаби, кішки, сперматозоони півня, морської свинки.

Технологічна карта заняття:

- підготовчий етап (контроль початкового рівня підготовки) 10 хв;

- основний етап (самостійна навчально-дослідницька робота) 50 хв;

- заключний етап (контроль кінцевого рівня підготовки;

підведення підсумків заняття) 30 хв.

Розглянути теоретичні питання:

1. Класифікація форм та способів розмноження організмів. 5 ІІ

2. Нестатеве розмноження, його цитологічні основи. 5 ІІ

3. Статеве розмноження одноклітинних

(кон’югація й копуляція) та багатоклітинних орга-

нізмів; біологічне значення, цитологічні основи. 5 ІІ

4. Ово- та сперматогенез. 20 ІІ

5. Будова статевих клітин, кількість хромосом і ДНК в них. 10 ІІ

6. Запліднення як процес відновлення диплоїдного

набору хромосом, збільшення різноманітності генів

у нащадків. 5 ІІ

7. Біологічні особливості репродукції людини. 10 ІІ

Розмноження – одна з основних властивостей живих організмів, яка полягає в їх здатності відтворювати собі подібних для під­тримання існування виду. Відомо дві основні форми розмноження – статеве і нестате­ве, які принципово відрізняються одна від одної.

При нестатевому розмноженні нова особина бере початок лише від одного батьківського організму, причому джерелом спад­кового матеріалу для її розвитку є соматичні клітини. Нове покоління, яке утворилося при нестатевому розмноженні, є генетично точною копією одного з батьків (за відсутності соматичних мутацій).

Форми нестатевого розмноження:

- поділ материнської клітини навпіл,

- множинний поділ материнської клітини,

- спороутворення,

- вегетативне розмноження;

- у разі поділу материнської клітини навпіл утворюються дві дочірні клітини, але вдвічі менші за материнську; дочірні клітини живляться, ростуть і починають розмножуватися;

- при множинному поділі спочатку багаторазово ділиться ядро материнської клітини, яка стає багатоядерною, а вже потім ділиться цитоплазма й утворюється багато одноядерних дочірніх клітин; (наприклад, малярійний плазмодій);

- спороутворення – це розмноження шляхом утворення спеціальних клітин, із яких виникає нове покоління; характерне для більшості рослин та деяких тварин (споровики); спори – одноклітинні утворення, вкриті міцною оболонкою, яка захищає їх від несприятливих факторів навколишнього середовища і має пристосувальне значення; спори у водоростей, водних вищих рослин і деяких грибів (зооспори) мають рухливі джгутики; у вищих рослин (мохів, папоротей та ін.) спори утворюються в спеціальних органах – спорангіях;

- вегетативне розмноження, на відміну від нестатевого, – це розмноження відокремленими від материнського організму багатоклітинними частинами, наприклад, вегетативними органами.

У багатоклітинних водоростей, грибів і лишайників вегетативне розмноження може відбуватися у вигляді фрагментації – за допомогою відокремлення певних ділянок тіла (наприклад, у зелених нитчастих водоростей, цвілевих грибів, лишайників) чи за рахунок спеціалізованих утворів (у лишайників).

Вищі рослини можуть розмножуватися вегетативними органами або їхніми частинами (коренями, частинами пагонів та їхніх видозмін – кореневищ, бульб, цибулин, бульбоцибулин, бруньок, що відпадають від материнської особини, вусів тощо).

Способи вегетативного розмноження тварин також різноманітні: брунькування, впорядкований чи невпорядкований поділ тіла та інші. Брунькування – від материнського організму відокремлюються одна чи кілька багатоклітинних "бруньок", з яких зго­дом розвиваються дочірні особини (поліпи кишковопорожнинних, деякі кільчасті черви); якщо "бруньки" залишаються зв'язаними з материнським організмом протягом життя, виникає колонія (наприклад, коралові поліпи).

Біологічне значення нестатевого і вегетативного розмноження полягає в тому, що в деяких груп організмів це єдиний спосіб розмноження; види з короткими життєвими циклами можуть за стислий період значно збільшувати свою численність, – за вегетативного розмноження нова особина, як правило, розвивається швидше, ніж за статевого. У результаті нестатевого і вегетативного розмноження може бути значна кількість нащадків (наприклад, внаслідок поліембріонії у панцирників з однієї зиготи може розвиватися до 12 зародків, у їздців – до 3000 личинок). Нащадки при нестатевому і вегетативному розмноженні генетично подібні до батьків; людина використовує цю властивість під час розмноження культурних рослин, підтримуючи з по­коління в покоління властивості певних сортів.

Статевим – називається така форма розмноження, за якої новий організм, як правило, утворюється за участі двох батьківських особин (чоловічої і жіночої). Джерелом спадкового матеріалу для утворення такого організму є гамети. Від соматичних клітин гамети відрізняються гаплоїдним набором хромосом. Нащадки, що утворюються внаслідок статевого розмноження генетично відмінні від кожного з батьків, оскільки в них проявляються ознаки як батьківського, так і материнського організму.

Статеве розмноження сприяє генетичній різноманітності особин виду, забезпечує швидке пристосування виду до змінних умов існування та освоєння нових екологічних ніш. У природі статеве розмноження здійснюється у формах кон'югації або копуляції:

- кон'югація (від лат. сonjugatio – поєднання) – це загальна назва кількох форм статевого процесу, відомих у бактерій, водоростей, грибів, деяких найпростіших (інфузорій). Під час кон'югації бактерій за умови тимчасового контакту дві клітини обмінюються фрагментами своїх молекул ДНК через цитоплазматичний місток. Біологічне значення кон'югації полягає в обміні спадковим матеріалом між особинами, що сприяє комбінативній мінливості (спадкова мінливість підвищується завдяки утворенню нових комбінацій хромосом);

- копуляція (від лат. сopulatio – з’єднання) – це злиття двох статевих клітин (гамет). Коли зливаються дві однакові за будовою статеві клітини, цей процес називається ізогамією (деякі водорості, найпростіші тощо). Частіше трапляється злиття чоловічої та жіночої гамет, які відрізняються за формою розмірами та особливостями будови (анізогамія). Якщо жіноча статева клітина (яйцеклітина) велика, нерухома, а чоловіча (сперматозоїд, спермій) значно дрібніша, то така форма анізогамії має назву оогамії (багатоклітинні тварини, вищі рослини, деякі гриби).

Організми, які розмножуються статевим шляхом, утворюють статеві клітини, або гамети. Цьому передує особливий спосіб поділу клітинного ядра їх попередників – м е й о з (від грец. μείωσις – зменшення). З допомогою мейозу утворюються і дозрівають статеві клітини (сперматозоїди і яйцеклітини). Мейотичний поділ вперше описано в 1888р. Він лежить в основі редукції числа хромосом (зменшення вдвоє): 2n ®n. Із диплоїдних клітин утворюються гаплоїдні.

Якби кожна статева клітина містила всі хромосоми, тобто повний диплоїдний набір, то число хромосом подвоювалося би в кожному поколінні. Оскільки кожен вид з покоління в покоління зберігає сталу кількість хромосом, то очевидна необхідність існування певних механізмів, у результаті яких число хромосом зменшувалося б вдвічі перед тим, як утвориться клітина нового покоління. Це і забезпечується редукційним поділом, або мейозом. Оскільки при заплідненні об’єднуються материнський і батьківський набори хромосом, зменшення їх числа вдвічі при утворенні гамет, – біологічно необхідний процес. У тварин мейоз відбувається при утворенні гамет, а у квіткових рослин – раніше: при утворенні пилкових зерен і зародкових мішків. У мейоз вступають незрілі статеві клітини, які досягли певного диференціювання.

Мейоз складається з двох швидких у часі послідовних поділів клітин: першого і другого, причому подвоєння ДНК відбувається тільки перед першим поділом. Один з них називається редукційним або першим мейотичним поділом, при якому число хромосом зменшується в два рази; інший – екваційний (рівний) або другий екваційний поділ, який нагадує мітотичний поділ.

У мейоз, як і в мітоз, вступають клітини з хромосомами, які складаються з двох сестринських хроматид. Після першого поділу швидко настає другий поділ, без підготовки і без синтезу ДНК. Другий мейотичний поділ відбувається за типом мітозу, тільки з тією відмінністю, що на всіх фазах буде вдвоє менше число хромосом.

На біологічне значення мейозу вперше вказав А. Вейсман, зазначивши, що редукція числа хромосом в мейозі й наступне запліднення лежить в основі підтримання сталості числа хромосом виду із покоління в покоління.

Генетичне значення мейотичного поділу полягає в наступному:

1. У результаті мейозу кожна материнська клітина дає початок чотирьом клітинам з “редукційним”, тобто зменшеним вдвоє, числом хромосом.

2. Мейоз є механізмом, який підтримує видову сталість кількості хромосом і зумовлює постійність видів на Землі. Якби число хромосом не зменшувалося, то в кожному наступному поколінні відбувалося би зростання їх удвоє (у батьків – 46, у дітей – 92, в онуків – 184, у правнуків – 368 і т.д.).

3. Мейоз забезпечує генетичну різнорідність гамет завдяки випадковій перекомбінації материнських і батьківських хромосом. Тобто, мейоз сприяє комбінативній мінливості (гени батьків комбінуються, внаслідок чого в дітей можуть з’являтися ознаки, яких не було у батьків). Комбінативна мінливість забезпечує велику різноманітність людства і дає можливість пристосуватися до зміни умов середовища, сприяючи виживанню виду.

4. Мейоз забезпечує різнорідність гамет за генетичним складом, сприяє внаслідок рекомбінації ділянками гомологічних (парних) батьківських хромосом утворенню хромосом нового генетичного складу. У профазі цьому сприяв кросинговер, у метафазі – вільне перекомбінування хромосом. Тобто, виникає рекомбінація батьківських наборів хромосом.

У кожному поділі мейозу розрізняють профазу, метафазу, анафазу і телофазу (рис.33). Фази першого поділу позначають римською цифрою I (профаза I, метафаза I і т.д.), а фази другого поділу цифрою II (профаза II, метафаза II та ін.).

Профаза I. На відміну від мітозу, де кожна окрема хромосома поводить себе незалежно від інших і не впливає на їх поведінку, у профазі I мейозу гомологічні хромосоми об’єднуються, формуючи парні утворення. Це тривала і складна фаза, вона характеризується певними послідовними стадіями залежно від стану хромосом.

Лептонема, або стадія довгих, тонких, слабоспіралізованих ниток. З’являються помітні тонкі нитки. Це хромосоми, кількість їх диплоїдна.

Рис. 33. Мейотичний цикл:

1-4 – профаза першого мейотичного поділу; 5 – ананфаза-І; 6 – телофаза-І; 7 – профаза другого мейотичного поділу; 8 – анафаза-ІІ; 9 – метафаза-II; 10 – зрілі гамети

Зигонема, або стадія з’єднаних ниток. Гомологічні (однакові за будовою) хромосоми зближуються, попарно утворюючи біваленти. Число їх вдвоє менше, ніж вихідна кількість хромосом. Взаємне притягування хромосом отримало назву кон’югація або синапсис. Кон’югація відбувається дуже точно, з’єднуються кінці хромосом або по всій довжині хромосом. Причому зближаються кожен хромомер і кожна ділянка однієї гомологічної нитки з відповідним хромомером і ділянкою іншої гомологічної нитки.

Пахінема, або стадія товстих ниток. Процес об’єднання гомологічних хромосом повністю завершується. Вони мають бути настільки зближені, що їх легко прийняти за одну. Кожна хромосома в складі бівалента подвоєна і складається з двох сестринських хроматид. Біваленти іноді називають тетрадами. Відбувається кросинговер.

Диплонема, або стадія подвійних ниток. Хромосоми, які були об’єднані в біваленти, розпочинають поступово відштовхуватися одна від одної, залишаючись з’єднаними між собою в окремих ділянках (хіазмах). Кожна хромосома складається із двох хроматид, а кожний бівалент утворює тетраду. Переплетена одна навколо одної хромосома (біваленти) поступово розкручуються і зменшується число хіазм.

Діакінез – заключна стадія профази I. У діакінезі біваленти різко вкорочені, потовщені дочірні хроматиди кожної хромосоми малопомітні. Хіазми поступово зміщаються на кінці хромосом. Завершується профаза I зруйнуванням ядерної оболонки, формуванням ахроматинового веретена.

Метафаза I. Число бівалентів вдвічі менше диплоїдного набору хромосом. Вони (біваленти) значно коротші, ніж хромосоми в метафазі соматичного мітозу і розміщуються в екваторіальній площині. Центромери хромосом з’єднуються з нитками фігури веретена. У цю фазу мейозу можна підрахувати кількість хромосом.

Анафаза I. До протилежних полюсів веретена розходяться гомологічні хромосоми. Кожна з них складається із двох дочірніх хроматид, з’єднаних своїми центромерами. У цьому полягає істотна відмінність від анафази мітозу. Відбувається редукція центромер.

Телофаза I. Розпочинається, коли анафазні хромосоми досягли полюсів клітини, на кожному полюсі знаходиться гаплоїдне число хромосом. Характеризується утворенням ядерної мембрани і відновленням структур ядра. Утворюються дві дочірні клітини.

Інтерфаза між I і II поділом мейозу буває дуже короткою. На відміну від звичайної інтерфази тут відсутня репродукція хромосом. Мейоз II відбувається за типом звичайного мітозу.

Профаза II. Нетривала, хромосоми добре помітні.

Метафаза II. Добре помітна подвійна структура хромосом і значний ступінь їх спіралізації.

В анафазі II відбувається розходження подвоєних центромер, внаслідок чого дочірні хроматиди рухаються до різних полюсів.

У телофазі II утворюються чотири клітини з гаплоїдним набором хромосом.

Для мейозу на відміну від мітозу характерні три основних явища:

1. кон’югація гомологічних хромосом;

2. утворення хіазм;

3. редукція числа хромосом рівно вдвоє.

Суть мейозу полягає в утворенні чотирьох різних ядер, а потім і клітин, які містять по одній гомологічній хромосомі від кожного з батьків. Внаслідок кросинговеру відбувається поєднання генетичного матеріалу батьків у межах окремих хромосом.

Мейоз забезпечує і новий розподіл цілих хромосом між дочірніми клітинами, стає можливим перегрупування хромосом, тобто різне поєднання материнських і батьківських хромосом у гаплоїдних ядрах статевих хромосом.

Таким чином, забезпечується утворення різних гамет в одного організму і виникнення різноманітного потомства.

Статеві клітини виконують функцію передачі спадкової інформації від особин батьківського покоління нащадкам. Порівняно з нестатевими (соматичними) клітинами вони ма­ють половинний (як правило, гаплоїдний) набір хромосом, що забезпечує при їхньому злитті відтворення в заплідненій яйцеклітині типового для організмів набору хромосом (диплоїдного). На відміну від нестатевих клітин, гамети характеризуються низьким рівнем процесів обміну.

Яйцеклітини (рис.34) відрізняються від сперматозоїдів більшими розмірами, оскільки здебільшого містять запас поживних речовин, потрібних для розвитку зародка, та можуть бути вкриті різноманітними оболонками: наприклад, у птахів яйцеклітина додатково вкрита товстою білковою оболонкою, двома тоненькими підшкаралупними, твердою вапняковою шкаралупою і зовнішнім тоненьким кутикулярним шаром. Ці оболонки виконують захисну функцію, а білкова – є також джерелом води для зародка, що розвивається. Розміри яйцеклітини залежать від кількості запасних поживних речовин в її цитоплазмі, наприклад, у плацентарних ссавців, зародок яких дістає поживні речовини від материнського організму через плаценту, розміри яйцеклітини (без оболонки) варіюють від 50 мкм (у полівки) до 180 мкм (у вівці), діаметр яйцеклітини людини становить 90 мкм. Якщо в цитоплазмі яйцеклітини накопичується значний запас поживних речовин (жовток), її розміри (без оболонок) мо­жуть досягати кількох сантиметрів: 50-70 мм (в акули), 80 мм (у страуса), 290 мм (оселедцева акула).

Рис. 34. Яйцеклітина ссавців:

1 – цитоплазма;

2 – ядро;

3 – оболонка;

4 – фолікулярні клітини

Сперматозоїди (рис.35) менші за яйцеклітину, їх довжина становить від 10 до 800 мкм, однак інколи може досягати 8000 мкм (деякі ракоподібні). Сперматозоїди рухаються переважно за допомогою джгутика. Будова цих джгутиків подібна до будови джгутиків різних ти­пів клітин еукаріот, вони забезпечують поступальний рух у рідкому середовищі. Сперматозоїди ссавців мають коротеньку голівку, в якій міс­титься ядро. На її передньому кінці є особлива органела – акросома, що формується за рахунок елементів комплексу Гольджі. Акросома забезпечує проник­нення сперматозоїда в яйцеклітину, виділяючи ферменти гіалуронідазу і муромідазу, що розчиняють оболонку яйцеклітини та забезпечують її активацію.

Рис. 35. Сперматозоїд ссавця:

а) загальний вигляд;

б) схема:

1 – головка;

2 – шийка;

3 – хвіст;

4 – акросома;

5 – ядро;

6 – центросома;

7 – мітохондріальна спіраль;

8 – осьова нитка;

За голівкою розташована шийка, а за нею – коротенький проміжний відділ, в якому міститься центріоля, оточена мітохондріями, що генерують енергію АТФ для роботи джгутика, розташованого на задньому кінці клітини.

Процес дозрівання і розвитку статевих клітин – гаметогенез утварин і людини відбувається у статевих залозах (яйцеклітини розвиваються в яєчниках, сперматозоїди – у сім’яниках). Процеси утворення чоловічих статевих клітин (сперматогенез) і жіночих статевих клітин (оогенез) мають ряд спільних рис (рис.36).

В яєчнику і в сім'яниках розрізняють три ділянки або зони розмноження, росту та дозрівання статевих клітин.

У зоні розмноження сперматогонії та оогонії (клітини-попередники сперматозоїдів і яйцеклітин) розмножуються мітотичним поділом, кількість їх збільшується; у чоловіків мітоз розпочинається в періоді статевого дозрівання і триває десятки років, у жінок поділ оогоній відбувається лише в ембріональному періоді їхнього життя і закінчується ще до народження.

У зоні росту сперматогонії та оогонії перестають розмножуватися, починають рости і збільшуватися в розмірах, перетворюючись на первинні статеві клітини (сперматоцити й ооцити першого порядку).

Після закінчення росту сперматоцити й ооцити першого порядку переходять у зону дозрівання, де внаслідок мейотичного поділу перетворюються на яйцеклітини та сперматозоїди з гаплоїдним набором хромосом.

При оогенезі внаслідок нерівномірного розподілу цитоплазми як при першому, так і при другому поділах мейозу тільки в одній клітині виявляється більший запас поживних речовин, необхідних для розвитку майбутнього зародка; утворюється одна зріла яйцеклітина з гаплоїдним набором хромосом і три маленьких клітини - напрямні тільця, які потім зникають.

Дата добавления: 2017-02-01