Размножение - универсальное свойство живого, обеспечивающее материальную непрерывность в ряду поколений. Эволюция размножения. Формы размножения

Особенности морфологического и функционального строения хромосомы. Гетеро- и эухроматин. Кариотип и идиограмма хромосом человека. Характеристика кариотипа человека в норме и патологии.

Хромосомы. (гр. chroma — цвет, soma — тело) могут находиться в двух структурно-функциональных состоя­ниях: в конденсированном (спирализованном) и деконденсированном (деспирализованном). В неделящейся клет­ке хромосомы не видны, обнаружива­ются лишь глыбки и гранулы хромати­на, так как хромосомы частично или полностью деконденсируются. Это их рабочее состояние. Чем более диффузен хроматин, тем интенсивнее в нем синтетические процессы. Ко времени деления клетки происходит конденса­ция (спирализация) хроматина и при митозе хромосомы хорошо видны.

Хроматин представляет собой ком­плекс ДНК и белков. В состав хро­матина входят два типа белков: гистоны и негистоновые белки.

Мельчайшими структурными ком­понентами хромосом являются нуклео-протеидные фибриллы, они видимы лишь в электронный микроскоп. Хро­мосомные нуклеопротеиды — ДНП — состоят из ДНК и белков, преимущественно гистрнов. Молекулы гистонов образуют группы — нуклеосомы. Каж­дая нуклеосома состоит из 8 белковых молекул. Размер нуклеосомы около 8 нм. С каждой нуклеосомой связан участок ДНК, спирально оплетающий ее снаружи. В таком участке ДНК на­ходится 140 нуклеотидов длиной около 50 нм, но благодаря спирализации длина ее укорачивается примерно в 5 раз (рис. 2.4).

В хроматине не вся ДНК связана с нуклеосомами, около 10—13 % ее дли­ны свободно от них.

Существует представление, что хро­мосома состоит из одной гигантской фибриллы ДНП, образующей мелкие петли, спирали и разнообразные из­гибы. По другим представлениям фиб­риллы ДНК попарно скручиваются, образуя хромонемы (гр. пета — стру­на), которые входят в комплексы более высокого порядка — также спирально закрученные полухроматиды. Пара по-лухроматид составляет хроматиду, а парахроматид — хромосому.

Каким бы ни было тонкое строение хромосомы, от степени скручивания нитчатых структур зависит ее длина. На различных участках одной и той же хромосомы спирализация, компактность ее основных элементов неоди­накова, с этим связана различная ин­тенсивность окраски отдельных участ­ков хромосомы.

Участки хромосомы, интенсивно вос­принимающие красители, получили название гетерохроматических (состоящих из гетерохроматина), они даже в период между делениями клетки остаются компактными, видимыми в световой микроскоп. Слабо окрашиваю­щиеся участки, деконденсирующиеся в периоды между делениями клетки и становящиеся невидимыми, получили название э ухроматических (состоящих из эухроматина).

Предполагается, что эухроматин содержит в себе гены, а гетерохрома-тин выполняет по преимуществу струк­турную функцию. Он находится в ин­тенсивно спирализованном состоянии и занимает одни и те же участки в го­мологичных хромосомах, в частности составляет участки, прилегающие к центромере и находящиеся на концах хромосом. Потеря участков гетеро­хроматина может не отражаться на жизнедеятельности клетки. Выделяют еще факультативный гетерохроматин. Он возникает при спирализации и инак­тивации двух гомологичных хромосом, так образуется тельце Бара (х — поло­вой хроматин). Его образует одна из двух Х-хромосом у женских особей млекопитающих и человека.

Хромосомы во время деления клет­ки, в период метафазы имеют форму нитей, палочек и т. д. Строение одной и той же хромосомы на различных участках неоднородно. В хромосомах различают первичную перетяжку, делящую хромосому на два плеча (рис. 2.5). Первичная перетяжка (центромера) — наименее спирализованная часть хромосомы. На ней располагает­ся кинетохор (гр. kinesis — движение, phoros — несущий), к которому при делении клетки прикрепляются нити веретена. Место расположения пер­вичной перетяжки у каждой пары хро­мосом постоянно, оно обусловливает и форму. В зависимости от места рас­положения центромеры различают три типа хромосом: метацентрические, субметацентрические и акроцентрические. Метацентрические хромосомы имеют равной или почти равной ве­личины плечи, у субметацентриче-ских плечи неравной величины, акро-центрические имеют палочковидную форму с очень коротким, почти неза­метным вторым плечом. Могут возник­нуть и телоцентрические хромосомы в результате отрыва одного плеча, у них остается только одно плечо и центромера находится на конце хромо­сомы. В нормальном кариотипе такие хромосомы не встречаются.

Концы плеч хромосом получили на­звание теломеров, это специализиро­ванные участки, которые препятству­ют соединению хромосом между собой или с их фрагментами. Лишенный тело-меры конец хромосомы оказывается «ненасыщенным», «липким» и легко присоединяет фрагменты хромосом или соединяется с такими же участками. В норме теломеры препятствуют та­ким процессам и сохраняют хромосому как дискретную индивидуальную еди­ницу, т. е. обеспечивают ее индивиду­альность. Некоторые хромосомы имеют глубокие вторичные перетяжки, отде­ляющие участки хромосом, называе­мые спутниками. Такие хромосомы в ядрах клеток человека могут сбли­жаться друг с другом, вступать в ассо­циации, а тонкие нити, соединяющие спутники с плечами хромосом, при этом способствуют формированию ядрышек. Именно эти участки в хромосомах че-

ловека являются ядрышковыми орга­низаторами. У человека вторичные перетяжки имеются на длинном плече 1, 9 и 16 хромосом и на концевых участ­ках коротких плеч 13—15 и 21—22 хромосом.

В плечах хромосом видны более тол­стые и интенсивнее окрашенные участ­ки — хромомеры, чередующиеся с меж-хромомернымн нитями. Вследствие это­го хромосома может напоминать нитку неравномерно нанизанных бус.

Установлено, что каждый вид расте­ний и животных имеет определенное и постоянное число хромосом. Другими словами, число хромосом и характер­ные особенности их строения — видо­вой признак. Эта особенность известна как правило постоянства числа хромо­сом. Так, в ядрах всех клеток лошади­ной аскариды (Paraascaris megalocephala univalenus) находятся по 2 хро­мосомы, у мухи дрозофилы (Drosophila melanogaster) — по 8, у человека — по 46. Примеры: малярийный плазмодий (2), гидра (32), речной рак (116) и т.д.

Как видно из табл. 2, число хромо­сом не зависит от высоты организации и не всегда указывает на филогенети­ческое родство: одно и то же число может встречаться у очень далеких друг от друга форм и сильно разнить­ся у близких видов. Однако очень важно, что у всех организмов, отно­сящихся к одному виду, число хромо­сом в ядрах всех клеток, как правило, постоянна.

Следует обратить внимание на то, что во всех приведенных выше приме­рах число хромосом четное. Это связа­но с тем, что хромосомы составляют пары (правило парности хромосом).

У лошадиной аскариды одна пара хромосом, у дрозофилы — 4, у человека — 23. Хромосомы, которые отно­сятся к одной паре, называются гомологичными. Гомологичные хромосомы одинаковы по величине и форме, у них совпадают расположение центромер, порядок расположения хромомер и межхромомерных нитей, а также дру­гие детали строения, в частности, расположение гетерохроматиновых уча­стков. Негомологичные хромосомы всегда имеют отличия. Каждая пара хромосом характеризуется своими осо­бенностями. В этом выражается пра­вило индивидуальности хромосом.

В последовательных генерациях кле­ток сохраняется постоянное число хро­мосом и их индивидуальность вслед­ствие того, что хромосомы обладают способностью к авторепродукции при делении клетки.

Таким образом, не только «каждая клетка от клетки», но и «каждая хромо­сома от хромосомы». В этом выража­ется правило непрерывности хромосом.

В ядрах клеток тела (т. е. соматиче­ских клетках) содержится полный двой­ной набор хромосом. В нем каж­дая хромосома имеет партнера. Такой набор называется диплоидным и обо­значается 2n. В ядрах половых клеток в отличие от соматических из каждой пары гомологичных хромосом присут­ствует лишь одна хромосома. Так, в ядрах половых клеток лошадиной ас­кариды всего одна хромосома, дрозо­филы — 4, человека — 23. Все они раз­личны, негомологичны. Такой оди­нарный набор хромосом называется гаплоидным и обозначается п. При оп­лодотворении происходит слияние по­ловых клеток, каждая из которых вно­сит в зиготу гаплоидный набор хромо­сом, и восстанавливается диплоидный набор: п + п = 2n.

При сравнении хромосомных набо­ров из соматических клеток мужских и женских особей, принадлежащих од­ному виду, обнаруживалось отличие в одной паре хромосом. Эта пара полу­чила название половых хромосом, или гетерохромосом. Все остальные пары хромосом, одинаковые у обоих полое, имеют общее название аутосом. Так, у дрозофилы 3 пары аутосом и одна пара гетерохромосом.

ПОНЯТИЕ О КАРИОТИПЕ. Исследованиями цитологов установлен факт специфичности хромо­сомного набора клеток организмов одного вида. Специфичность проявляется в постоянстве числа хромосом, их относительных размеров, формы, деталей строения. Хромосомный комплекс клеток конкретного вида растений и животных с присущими ему морфологиче­скими особенностями, называется кариотипом. Важнейшим показателем кариотипа служит число хромосом.

Для соматических клеток многоклеточных организмов характерен диплоидный (удвоенный) хромосомный набор. В нем каждая хромосома имеет парного себе гомологичного партнера, повторяющего в деталях размеры и особенности ее морфологии. Таким образом, в хромосомном наборе соматических клеток выделяют гомологичные (из одной пары) и негомологичные (из разных пар) хромосомы.

Половые клетки отличаются вдвое меньшим — гаплоидным числом хромосом. Хромосомный набор гамет включает по одному партнеру каждой гомологичной пары.

Хромосомному комплексу свойственны половые различия. Наборы хромосом самца и самки отличаются по одной паре. Поскольку эти хромосомы участвуют в определении пола организмов, они называ­ются половыми (гетерохромосомами). Остальные пары пред­ставлены аутосомами и неразличимы по своей структуре у самца и самки.

Исследование кариотипа человека проводится путем микроскопирования препаратов метафазных хромосом. Для такого исследования необходимо иметь большое количество клеток, делящихся митозом. Этому условию удовлетворяет, например, пунктат костного мозга. Чаще прибегают в непрямому способу получения интенсивно размножающихся клеток. Клетки соединительной ткани кожи, различ­ных тканей абортированных эмбрионов или околоплодной жидкости, лимфоциты периферической крови выращивают вне организма в куль­туре ткани. Высокой митотической активности лимфоидных клеток добиваются, воздействуя на них особым веществом растительного происхождения- фитогемаглютинином (ФГА). Делящиеся клетки обрабатывают алкалоидом колхицином, который, разрушая микротру­бочки веретена деления, вызывает торможение митоза в метафазе, чем способствует накоплению метафазных клеток. В условиях обработки колхицином облегчается также разброс хромосом по плоскости предметного стекла в процессе приготовления гистологических препа­ратов. Затем на клетки в культуре действуют гипотоническим раствором, чтобы добиться лучшего разобщения хромосом. После фиксации в растворе, содержащем уксусную кислоту и этиловый алкоголь, взвесь клеток наносят на предметное стекло и высушивают. В результате обработки клеток колхицином, гипотоническим раство­ром и высушивания получают достаточный разброс хромосом мета­фазных пластинок. Это позволяет проводить индивидуальный анализ их размеров и морфологии. Полученные препараты окрашивают такими красителями, как азур, основной фуксин, орсеин, дающими сплошное окрашивание вещества хромосом. Для изучения отбирают цельные метафазные пластинки без налегающих друг на друга хромосом. Последние должны иметь среднюю степень конденсации. Для индивидуальной идентификации хромосом использу­ют следующие признаки: размер, положение первичной перетяжки, наличие вторичных перетяжек и спутников. Результат представляется в виде идиограммы, на которой хромосомы располагаются в порядке убывания размеров.

В случае применения метода, описанного выше, идентификацию хромосом человека проводят согласно денверской классификации 1960 г.

Недостатком денверской классификации является то, что разграни­чение гомологичных пар внутри группы хромосом встречает зачастую непреодолимые трудности.

В настоящее время используются дифференциальные методы окрашивания метафазных хромосом с избирательным выявлением их отдельных фрагментов. Топография окрашиваемых участков по длине хромосомы зависит от локализации определенных фракций ДНК, например сателлитной, распределения участков структурного гетерохроматина и ряда других факторов.

Применяют 4 основных метода дифференциальной окраски: Q, С, R и С. Все они выявляют закономерную линейную неоднородность

фрагментов по длине метафазных хромосом. Характер окрашивания специфичен для каждой негомологичной хромосомы, что дает их точную идентификацию. Постоянство локализации окрашива­емых фрагментов позволяет составить «химические» карты хромосом. Сопоставление этих карт с генетическими используется для расшифров­ки функционально-генетических особенностей различных районов хро­мосом. На основе избирательной окраски в 1971 г. в Париже были разработаны карты линейной дифференциро-ванности хромосом человека и предложена система их обозначения.

Латинскими буквами p и qобозначаются, соответственно, короткое и длинное плечо хромосомы. От центромеры к теломере по имеющимся отчетливым морфологическим указателям (маркерам) в каждом плече выделяют районы, обозначаемые арабскими цифрами. В пределах районов идентифицируют сегменты — регулярные участки, отличаю­щиеся по интенсификации окраски. Они также обозначаются арабскими цифрами. Так, символ 1 р22 означает 2-й сегмент 2-го района короткого плеча хромосомы 1.

Дифференциальная окраска позволяет построить цитологические карты «групп сцепления» с точной локализацией генов и их комплексов («пучков») в соответствующей хромосоме. Так, для Х-хромосомы человека известны 96 локусов, некоторые из которых картированы. Имеются «пучки» сцепленных генов, концентрирующихся вокруг локусов цветовой слепоты, группы крови Хq и др. К настоя­щему времени установлена хромосомная локализация более 200 генов человека.

Размножение, или репродукция,— одно из основных свойств, характери­зующих жизнь. Под размножением понимается способность организмов производить себе подобных. Явление размножения тесно связано с одной из черт, характеризующих жизнь,— диск­ретностью. Как известно, целостный организм состоит из дискретных еди­ниц — клеток. Жизнь почти всех кле­ток короче жизни особи, поэтому су­ществование каждой особи поддержи­вается размножением клеток. Каждый вид организмов также дискретен, т. е. состоит из отдельных особей. Каждая из них смертна. Существование вида поддерживается размножением (ре­продукцией) особей. Следовательно, размножение — необходимое условие существования вида и преемственности последовательных генераций внутри вида. В основе классификации форм размножения лежит тип деления кле­ток: митотический (бесполое) и мейоти-ческий (половое).

Бесполое размножение. У однокле­точных эукариот это — деление, в основе которого лежит митоз, у прока­риот — разделение нуклеоида, а у многоклеточных организмов — вегета­тивное (лат. vegetatio — расти) раз­множение, т. е. частями тела или груп­пой соматических клеток.

Бесполое размножение одно­клеточных организмов. У одно­клеточных растений и животных раз­личают следующие формы бесполого размножения: деление, эндогония, мно­жественное деление (шизогония) и почкование.

Деление характерно для одно­клеточных (амебы, жгутиковые, инфу­зории). Сначала происходит митотическое деление ядра, а затем в цито­плазме возникает все углубляющаяся перетяжка. При этом дочерние клет­ки получают равное количество ин­формации. Органоиды обычно распре­деляются равномерно. В ряде случаев обнаружено, что делению предшеству­ет их удвоение. После деления дочер­ние особи растут и, достигнув вели­чины материнского организма, пере­ходят к новому делению.

Эндогония — внутреннее поч­кование. При образовании двух до­черних особей — эндодиогонии — мате­ринская дает лишь двух потомков (так происходит размножение токсоплаз-мы), но может быть множественное внутреннее почкование, что приведет к шизогонии.

Шизогония, или множе­ственное делени е, — форма размножения, развившаяся из преды­дущей. Она тоже встречается у одно­клеточных организмов, например у возбудителя малярии — малярийного плазмодия. При шизогонии происхо­дит многократное деление ядра без цитокинеза, а затем и вся цитоплазма разделяется на частички, обособляю­щиеся вокруг ядер. Из одной клетки образуется много дочерних. Эта форма размножения обычно чередуется с половой.

Почкование заключается в том, что на материнской клетке пер­воначально образуется небольшой бу­горок, содержащий дочернее ядро, или нуклеоид. Почка растет, достигает размеров материнской особи и затем отделяется от нее. Эта форма размно­жения наблюдается у бактерий, дрож­жевых грибов, а из одноклеточных животных — у сосущих инфузорий.

Спорообразование встре­чается у животных, относящихся к ти­пу простейших, классу споровиков. Спора — одна из стадий жизненного цикла, служащая для размножения, она состоит из клетки, покрытой обо­лочкой, защищающей от неблагоприят­ных условий внешней среды. Некото­рые бактерии после полового процесса способны образовывать споры. Споры бактерий служат не для размножения, а для переживания неблагоприятных условий и по своему биологическому значению отличаются от спор простей­ших и многоклеточных растений.

Вегетативное размно­жение многоклеточных животных. При вегетативном раз­множении у многоклеточных животных новый организм образуется из группы клеток, отделяющейся от материнского организма. Вегетативное размножение встречается лишь у наиболее прими­тивных из многоклеточных живот­ных: губок, некоторых кишечнопо­лостных, плоских и кольчатых червей.

У губок и гидры за счет размноже­ния группы клеток на теле образуются выпячивания (почки). В почку входят клетки экто- и энтодермы. У гидры почка постепенно увеличивается, на ней формируются щупальца, и, нако­нец, она отделяется от материнской особи. Ресничные и кольчатые черви делятся перетяжками на несколько частей; в каждой из них восстанавли­ваются недостающие органы. Так может образоваться цепочка особей. У не­которых кишечнополостных встреча­ется размножение стробиляцией, за­ключающейся в том, что полипоидный организм довольно интенсивно растет и по достижении известных размеров начинает поперечными перетяжками делиться на дочерние особи. В это время полип напоминает стопку таре­лок. Образовавшиеся особи — меду­зы отрываются и начинают самостоя­тельную жизнь. У многих видов (на­пример, кишечнополостных) вегета­тивная форма размножения чередуется с половой.

Особой формой вегетативного раз­множения следует признать полиэмбрионию, при которой эмбрион делит­ся на несколько частей, каждая из ко­торых развивается в самостоятельный организм. Полиэмбриония распростра­нена у ос (наездники), ведущих пара­зитический образ жизни в личиночном состоянии, из млекопитающих — у броненосца. К этой категории явлений относится образование однозиготных близнецов у человека и других млеко­питающих.

Половое размножение. Половое раз­множение характеризуется наличием полового процесса, который заключа­ется обычно в слиянии двух клеток — гамет. Формированию гамет у много­клеточных предшествует особая форма деления клеток — мейоз.

В результате мейоза в половых клет­ках находится не диплоидный, как в соматических клетках, а гаплоидный набор хромосом. Поэтому в жизненном цикле организмов, размножающихся половым способом, имеется две фазы — гаплоидная и диплоидная. Продол­жительность этих фаз у различных групп организмов не одинакова: у грибов, мхов и некоторых простейших преобладает гаплоидная, у высших растений и многоклеточных живот­ных — диплоидная. Биологическое значение мейоза описано ниже.

Разнообразные формы полового про­цесса у одноклеточных организмов можно объединить в две группы: конъ­югацию, при которой специальные половые клетки (половые особи) не образуются, и гаметическую копуля­цию, когда формируются половые элементы и происходит их попарное слияние.

Конъюгацая — своеобразная фор­ма полового процесса, существующая у инфузорий. Инфузории — живот­ные типа простейших. Характерной чертой их является наличие двух ядер: большого — макронуклеуса и малого— микронуклеуса. Инфузории обычно размножаются делением надвое. При этом микронуклеус делится митотически. При половом процессе — конъю­гации — инфузории сближаются по­парно, между ними образуется протоплазматический мостик. Одновременно в ядерном аппарате каждого из партнеров совершаются сложные процессы: макронуклеус растворяется, а из мик­

ронуклеуса в результате ряда пере­строек в конце концов формируются стационарное и мигрирующее ядра. Каждое из них содержит гаплоидный набор хромосом. Мигрирующие ядра переходят в цитоплазму партнера. В каждом из них стационарное и ми­грирующее ядра сливаются, образуя так называемый синкарион (тр. syn — вместе, karyon — ядро), содержащий диплоидный набор хромосом. После ряда сложных перестроек из синка-риона формируются обычные макро- и микронуклеусы.

После конъюгации инфузории рас­ходятся; каждая из них сохраняет са­мостоятельность, но благодаря обмену кариоплазмой наследственная инфор­мация каждой особи изменяется, что, как и в других случаях полового про­цесса, может привести к появлению новых комбинаций свойств и при­знаков.

Для бактерий характерно размноже­ние почкованием, но обнаружен и по­ловой процесс. У некоторых видов бак­терий существуют особи, которые можно назвать женскими (реципиентными) и мужскими (донорскими). Ме­жду такими особями периодически осуществляется конъюгация. Она рез­ко отличается от конъюгации инфузо­рий. У бактерий две особи образуют между собой протоплазматический мо­стик, через который часть нити ДНК переходит из донорской клетки в реципиентную. Явление конъюгации у бактерий также приводит к комбинативной изменчивости.

Образование гамет и гаметическая копуляция. Копуляцией (лат. copulatio — совокупление) назы­вается половой процесс у одноклеточ­ных организмов, при котором две особи приобретают половые различия, т. е. превращаются в гаметы и полностью сливаются, образуя зиготу. В процес­се эволюции степень различия гамет нарастает. На первом этапе полового размножения гаметы еще не наблю­дается морфологической дифференцировки, т. е. имеет меcто изогамия. Примером может служить размножение

раковинной корненожки полистомеллы (Ро1уstomella) и жгутиконосца поли-томы (Ро1уtoma). У этих одноклеточ­ных животных ядро делится мейо-зом, три гаплоидные ядра лизируются, а клетка, приобретая пару жгутиков, становится подвижной изогаметой.

Дальнейшее усложнение процесса связаное с дифференцировкой гамет на крупные и мелкие клетки, т. е. появ­лением анизогамии (гр. anisos— нерав­ный). Наиболее примитивная форма ее существует у некоторых колониаль­ных жгутиконосцев. У Pandorina morum образуются как большие, так и малые гаметы, причем и те, и другие подвижны. Более того, сливаться по­парно могут не только большая гамета с малой, но и малая с малой, однако большая гамета с большой никогда не сливается. Следовательно, у пандорины наряду с появлением анизогамии еще сохраняется изогамия. У другого колониального жгутиконосца Eudarina elegans и хламидомонад макро- и микрогаметы еще подвижны, но слива­ются лишь разные гаметы, т. е. про­является исключительно анизогамия.

Наконец, у вольвокса (Volvox globator) большая гамета становится не­подвижной; она во много раз крупнее мелких подвижных гамет. Такая фор­ма анизогамии, когда гаметы резко различны, получила название овогамии. У многоклеточных животных при половом размножении имеет место лишь овогамия.

Развитие гамет у многоклеточных животных происходит в половых желе­зах — гонадах (гр. gone — семя). Раз­личают два типа половых клеток: мужские (сперматозооны) и женские (яйцеклетки). Сперматозооны разви­ваются в семенниках, яйцеклетки — в яичниках.

Если мужские и женские половые клетки развиваются в одной особи, такой организм называется гермафро-дитным. Гермафродитизм свойствен многим животным, стоящим на срав­нительно низких ступенях эволюции органического мира: плоским и коль­чатым червям, моллюскам. Как пато­логическое состояние он может встре­чаться и в других группах животных и у человека. У человека это обычно следствие нарушений эмбрионального развития. Описаны случаи и мозаи-цизма, когда в одних соматических клетках набор хромосом XX, в дру­гих — ХY.

При естественном гермафродитизме мужские и женские половые железы могут функционировать одновремен­но на протяжении всей жизни данной особи, например у сосальщиков, лен­точных и кольчатых червей. В таких случаях организмы, как правило, имеют ряд приспособлений, препят­ствующих самооплодотворению.

У некоторых моллюсков половая же­леза периодически продуцирует то яйцеклетки, то сперматозооны. Это за­висит как от возраста особи, так и от условий существования. Например, у устриц это может быть обусловлено пре­обладанием белкового или углеводного питания.

Половые клетки развиваются из первичных половых клеток, обособ­ляющихся на ранних стадиях зародышевого развития; у аскариды, ра­кообразных, насекомых и лягушки — уже в процессе дробления, у пресмы­кающихся и птиц — на стадии гаструлы, у млекопитающих и человека — во время раннего органо­генеза. Первичные половые клет­ки имеют ряд морфологических и биохимических особенностей в отличие от соматических кле- ток. Если у зародыша разрушить первичные половые клет­ки, то гаметы у него не форми­руются.

9. Гаметогенез. Мейоз: цитологическая и цитогенетическая характеристика.

Гаметогенез. Сперматозооны обладают спо­собностью к движению, чем в извест­ной мере обеспечивается возможность встречи гамет. По внешней морфоло­гии и малому количеству цитоплазмы сперматозооны резко отличаются от всех других клеток, но все основные органоиды в них имеются.

Типичный сперматозоон имеет головку, шейку и хвост. На пе­реднем конце головки расположена акросома, состоящая из видоизменен­ного комплекса Гольджи. Основную массу головки занимает ядро. В шей­ке находятся центриоль и спиральная нить, образованная митохондриями.

При исследовании сперматозоонов под электронным микроскопом обна­ружено, что протоплазма головки его имеет не коллоидное, а жидкокристал­лическое состояние. Этим достигается устойчивость сперматозоонов к небла­гоприятным влияниям внешней среды. Например, они в меньшей степени по­вреждаются ионизирующей радиацией по сравнению с незрелыми половыми клетками.

Размеры сперматозоонов всегда мик­роскопические. Наиболее крупные они у тритона — около 500 мкм, у домашних животных (собака, бык, лошадь, ба­ран) — от 40 до 75 мкм. Длина спер­матозоонов человека колеблется в пределах 52—70 мкм. Все спермато­зооны несут одноименный (отрица­тельный) электрический заряд, что препятствует их склеиванию. Число сперматозоонов, образующихся у жи-вотнчх, колоссально. Например, при половом акте собака выделяет их около 60 млн., баран — до 2 млрд. жеребец около 10 млрд., человек — около 200 млн.

Для некоторых животных харак­терны атипичные сперматозооны, стро­ение которых весьма разнообразно. Например, у ракообразных они обла­дают выростами в виде лучей или от­ростков, у круглых червей имеют фор­му шаровидных или овальных телец и т. д.

Процесс формирования половых кле­ток (гамет) известен под общим назва­нием гаметогенсза. Он характеризуется рядом весьма важных биологических процессов и протекает несколько по-разному при созревании сперматозоонов (сперматогенез) и яйцеклеток (овогенез).

Гаметогенез. Сперматогенез. Се­менник состоит из многочисленных ка­нальцев. На поперечном разрезе через

каналец видно, что в нем име­ется несколько слоев клеток. Они пред­ставляют собой последовательные ста­дии развития сперматозоонов.

Наружный слой (зона размножения) составляют сперматогонии — клетки округлой формы; у них относительно большое ядро и значительное количе­ство цитоплазмы. В период эмбрио­нального развития и после рождения до полового созревания сперматогонии делятся путем митоза, благодаря чему увеличиваются число этих клеток и сам семенник. Период интенсивного деления сперматогонии называется периодом размножения (рис. 3.4). После наступления половой зрелости часть сперматогониев также продол­жает делиться митотически и образо­вывать такие же клетки, но некоторые из них перемещаются в следующую зону роста, расположенную ближе к просвету канальца. Здесь происходит значительное возрастание размеров клеток за счет увеличения количества цитоплазмы. В этой стадии они назы­ваются первичными сперматоцитами.

Третий период развития мужских гамет называется периодом созрева­ния. В этот период происходят два быстро наступающих одно вслед за другим деления. Из каждого первич­ного сперматоцита сначала образуются два вторичных сперматоцита, а затем четыре сперматиды, имеющие оваль­ную форму и значительно меньшие раз­меры. Деление клеток во время периода созревания сопровождается перестрой­кой хромосомного аппарата (происходит мейоз; см. ниже). Сперматиды переме­щаются в зону, ближайшую к просве­ту канальцев, где из них формируются сперматозооны.

У большинства диких животных сперматогенез происходит лишь в опре­деленные периоды года. В промежут­ках между ними в канальцах семенни­ков содержатся лишь сперматогонии. Но у человека и большинства домаш­них животных сперматогенез происхо­дит в течение всего года.

Овогенез. Фазы овогенеза сопостави­мы с таковыми при сперматогенезе. В этом процессе также имеется период раз­множения, когда интенсивно делятся овогонии — мелкие клетки с относи­тельно крупным ядром и небольшим количеством цитоплазмы. У млеко­питающих и человека этот период заканчивается еще до рождения. Сфор­мировавшиеся к этому времени первичные овоциты сохраняются далее без изменений многие годы. С наступле­нием половой зрелости периодически отдельные овоциты вступают в период роста клетки, увеличиваются, в них накапливаются желток, жир, пиг­менты. В цитоплазме клетки, в ее орга­ноидах и мембранах происходят слож­ные морфологические и биохимические преобразования. Каждый овоцит окру­жается мелкими фоликулярными клет­ками, обеспечивающими его питание.

Далее наступает период созревания, в процессе которого происходят два последовательных деления, связан­ных с преобразованием хромосомного аппарата (мейоз). Кроме того, эти деления сопровождаются неравномер­ным разделением цитоплазмы между дочерними клетками. При делении пер­вичного овоцита образуется одна круп­ная клетка — вторичный овоцит, со­держащая почти вся цитоплазму, и маленькая клетка, получившая назва­ние первичного полоцита.

При втором делении созревания ци­топлазма снова распределяется нерав­номерно. Образуется один крупный вторичный овоцит и вторичный полоцит. В это время первичный полоцит также может разделиться на две клет­ки. Таким образом, из одного первич­ного овоцита образуются один вто­ричный овоцит и три полоцита (ре­дукционные тельца). Далее из вторич­ного овоцита формируется яйцеклет­ка, а полоциты рассасываются или сохраняются на поверхности яйца, но не принимают участия в дальнейшем развитии. Неравномерное распределе­ние цитоплазмы обеспечивает яйце­клетке получение значительного коли­чества цитоплазмы и питательных веществ, которые потребуются в буду­щем для развития зародыша.

У млекопитающих и человека пе­риоды размножения и роста яйцекле­ток проходят в фолликулах. Зрелый фолликул заполнен жидко­стью, внутри него находится яйце­клетка. Во время овуляции стенка фол­ликула лопается, яйцеклетка попадает в брюшную полость, а затем, как пра­вило, в маточные трубы. Период созре­вания яйцеклеток протекает в тру­бах, здесь же происходит оплодотво­рение.

У многих животных овогенез и созревание яйцеклеток совершаются лишь в определенные сезоны года. У женщин обычно ежемесячно созре­вает одна яйцеклетка, а за весь период половой зрелости — около 400. Для человека имеет существенное значение тот факт, что первичные овоциты фор­мируются еще до рождения и затем сохраняются всю жизнь и лишь по­степенно некоторые из них начинают переходить к созреванию и дают яйце­клетки. Э т о значит, что различные не­благоприятные факторы, которым под­вергается в течение жизни женский организм, могут сказаться на их даль­нейшем развитии; ядовитые вещества (в том числе никотин и алкоголь), попадающие в организм, могут про никнуть в овоциты и в дальнейшем зызвать нарушения нормального разви­тия будущего потомства.

Мейоз. Как известно, в ядрах со­матических клеток все хромосомы пар­ные, набор хромосом двойной (2n), диплоидный. В процессе созревания половых клеток происходит редукцион­ное деление (мейоз), при котором число хромосом уменьшается, становится одинарным (n), гаплоид­ным. Мейоз (гр. meiosis - уменьшение) происходит во время гаметогенеза. Этот процесс совершается во время двух следующих одно за другим деле­ний периода созревания, называемых соответственно первым и вторым мейотическими делениями. Каждое из этих делений имеет фазы, аналогичные митозу: в интерфазе I (по-видимому, еще в период роста) происходит удвоение количества хромосомного материала путем редупликации молекул ДНК.

Из всех фаз наиболее продолжитель­на и сложна по протекающим в ней процессам профаза I. В ней различают 5 последовательных стадий.

Лептонема — стадия длинных, тонких, слабо спирализованных хромосом, на кото­рых видны утолщения — хромомеры. Зигонема — стадия попарного соеди­нения гомологичных хромосом, при котором хромомеры одной гомологич­ной хромосомы точно прикладывают­ся к соответствующим хромомерам дру­гой (это явление называется конъюга­цией, или синапсисом). Пахинема — стадия толстых нитей. Гомологичные хромосомы соединены в пары — бива­ленты. Число бивалентов соответ­ствует гаплоидному набору хромосом. На этой стадии каждая из хромосом, входящих в бивалент, состоит уже из двух хроматид, поэтому каждый бива­лент включает в себя четыре хроматн-ды. В это время конъюгирующие хро­мосомы переплетаются, что приводит к обмену участками хромосом (происхо­дит так называемый перекрест, или кроссинговер). Диплонема — стадия, когда гомологичные хромосомы начинают отталкиваться друг от друга, но в ряде участков, где происходит кроcсинговер, они продолжают быть еще связанными. Диакинез — стадия, на которой отталкивание гомологичных хромосом продолжается, но они еще остаются соединенными в биваленты своими концами, образуя характерные фигуры — кольца и кресты (хиазмы). На этой стадии хромосомы максималь­но спирализованы, укорочены и утол­щены. Непосредственно после диакинеза ядерная оболочка растворяется.

В прометафазе I спирализация хро­мосом достигает наибольшей степени. Они перемещаются в области экватора. В метафазе I биваленты распола­гаются в направлении к противопо­ложным полюсам и отталкиваются друг от друга. В анафазе I начинают расходиться к полюсам не хроматиды, а целые гомологичные хромосомы каж дои пары, так как в отличие от митоза центромера не делится и хроматиды не разъединяются. Этим первое мейотическое деление принципиально отли­чается от митоза. Деление заканчи­вается телофазой I.

Таким образом, во время первого ме-йотического деления происходит рас­хождение гомологичных хромосом. В каждой дочерней клетке уже содержится гаплоидное число хромосом, но содержание ДНК еще равно диплоид­ному их набору. Вслед за короткой интерфазой, во время которой синтеза ДНК не происходит, клетки вступают во второе мейотическое деление.

Прометафаза II продолжается не­долго. Во время метафазы II хромосо­мы выстраиваются по экватору, центро­меры делятся. В анафазе II сестринские хроматиды направляются к противо­положным полюсам. Деление заканчи­вается телофазой II. После этого деле­ния хроматиды, попавшие в ядра до­черних клеток, называются хромосо­мами.

Итак, при мейозе гомологичные хромосомы соединяются в пары, затем в конце первого мейотического деле­ния расходятся по одной в дочерние клетки. Во время второго мейотиче­ского деления гомологичные хромосомы расщепляются и расходятся в новые до­черние клетки. Следовательно, в ре­зультате двух последовательных ме-йотических делений из одной клетки с диплоидным набором хромосом обра­зуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом. В зрелых гаметах число хромосом и количество ДНК вдвое меньше, чем в соматических клетках.

При образовании как мужских, так и женских половых клеток происходят принципиально одни и те же процес­сы, хотя в деталях они несколько раз­личаются.

Очень существенным отличием мейоза при овогенезе является наличие специальной стадии — диктиотены, отсутствующей при сперматогенезе. Она наступает вслед за диплонемой. На этой стадии мейоз в овоцитах преры­вается на многие годы и переход к диа-кинезу наступает лишь при созрева­нии яйцеклетки.

Значение мейотического деления за­ключается в следующем: 1. Это тот механизм, который обеспе­чивает поддержание постоянства числа хромосом. Если бы не происходило редукции числа хромосом при гаметогенезе, то из поколения в поколение возрастало бы их число и был бы утра­чен один из существенных признаков

каждого вида — постоянство числа хромосом.

2. При мейозе образуется большое количество различных новых комбина­ций негомологичных хромосом. Ведь в диплоидном наборе они двойного про­исхождения: в каждой гомологичной паре одна из хромосом от отца, дру­гая — от матери. При мейозе хромосо­мы отцовского и материнского происхо­ждения образуют в сперматозоонах и яйцеклетках большое количество новых сочетаний, а именно 2ⁿ, где п — число пар хромосом. Следовательно, у орга­низма, имеющего три пары хромосом, этих сочетаний окажется 2³, т. е. 8; у дрозофилы, имеющей 4 пары хромосом, их будет 2⁴. т. е. 16, а у человека — 2²³, что составляет 8388608.

3. В процессе кроссинговера также происходит рекомбинация генетического материала. Практиче­ски все хромосомы, попадающие в га­меты, имеют участки, происходящие как от первоначально отцовских, так и от первоначально материнских хро­мосом. Этим достигается еще большая степень перекомбинации наследствен­ного материала. В этом одна из при­чин изменчивости организмов, дающей материал для отбора.

Дата добавления: 2015-04-24