Предмет и история эмбриологии.

Методы эмбриологических исследований

В эмбриологии используются следующие методы исследования.

1.Визуальное наблюдение развития зародышей, в настоящее время дополнительно фиксируется микрокино или видеосъемками.

2. Метод изучения фиксированных зародышей на разных этапах развития с последующей микроскопией.

3. Метод маркировки клеток с последующим прослеживанием перемещений маркированных клеток в тканях и органах зародыша. В качестве маркера раньше использовали угольную пыль, позже – нейтральные красители, в настоящее время используют антитела к определенным белкам развивающегося зародыша, причем эти антитела обычно мечены флуоресцином.

4. Метод микрохирургии – удаление отдельных частей зародыша.

5. Метод трансплантации части от одного зародыша к другому.

История эмбриологии.

Преформизм и эпигенез.

Вопрос об индивидуальном развитии — онтогенезе — привлекал к себе внимание со времен Аристотеля. Благодаря усилиям многих исследователей к XVII в. был накоплен обширный материал по изменениям, происходящим с зародышами позвоночных на макроуровне. Появление в XVII столетии микроскопа перевело эмбриологию на качественно новый уровень, хотя несовершенство первых микроскопов и крайне примитивная техника изготовления микропрепаратов делали практически недоступными для изучения ранние стадии развития зародышей. В XVII-XVIII вв. оформились два взгляда на онтогенез — преформизм и эпигенез. Сторонники преформизма полагали, что зародышевое развитие сводится к росту вполне сформированного зародыша. Предполагалось, что зародыш — уменьшенный вариант сложноустроенного взрослого организма — существовал в такой форме с момента творения. Преформисты, в свою очередь, разделились на две группы. Овисты — Я. Сваммердам, А. Валлиснери, М. Мальпиги, Ш. Бонне, А. Галлер, Л. Спаланзани и др. — считали, что уже сформированный зародыш находится в яйцеклетке, а мужское половое начало лишь дает толчок к развитию. Анималькулисты (А. Левенгук, Н. Хартсекер, И.Н. Либеркюн и др.) утверждали, что зародыш заключен в сперматозоиде, который развивается за счет питательных веществ яйца. А. Левенгук допускал существование "мужских" и "женских" сперматозоидов. Крайним выражением преформизма явилась теория вложений. Согласно ей, половые клетки зародышей, как матрешки, уже несут в себе зародышей следующего поколения, в тех содержатся зародыши последующих поколений, и так далее. Воззрения преформистов базировались на некоторых фактических данных. Так, Я. Сваммердам, вскрыв куколку бабочки, обнаружил там вполне сформированное насекомое. Ученый воспринял это как доказательство того, что более поздние стадии развития "спрятаны" в более ранних и до поры до времени не видны. Ш. Бонне открыл партеногенез — размножение без оплодотворения — у тлей, что было воспринято овистами как довод в их пользу. Ряд фактов с точки зрения преформизма получал не слишком удачное объяснение. В XVIII в. благодаря работам Р. Реомюра и А. Трамбле становится широко известным явление регенерации. Ш. Бонне сводил и регенерацию, и различные формы бесполого размножения к "предсуществованию" в организме особых, специально на сей предмет предобразованных зародышей. Таким образом, гидра вся целиком с точки зрения преформизма представляла собой яичник или собрание зародышей. Сходство детей с обоими родителями преформисты объясняли тем, что зародыш, происшедший из яйца или из семенного анималькуля, формируется по образу и подобию своих родителей под влиянием воображения матери в течение утробной жизни. Плохо согласовывалось с идеей преформизма и появление уродств. Впрочем, некоторые сторонники этой концепции допускали, что вложенные зародыши не обязательно идентичны друг с другом, вплоть до того, что и сам прогресс живых форм мог быть преформирован в момент творения. Приверженцы альтернативного течения — эпигенетики — считали, что в процессе онтогенеза происходит новообразование структур и органов зародыша из бесструктурного вещества. Впервые идея эпигенеза встречается в труде В. Гарвея "Исследования о нарождении животных" (1651 г.), но в полной мере соответствующие взгляды были выражены К.Ф. Вольфом (1733-1794). К.Ф. Вольф исходил из того, что, если правы преформисты, то все органы зародыша, как только мы их можем увидеть, должны быть полностью сформированы. В своей работе "Теория зарождения" (1759 г.) ученый описывает картины постепенного возникновения различных органов из "неорганизованной массы" у животных и растений. К сожалению, К.Ф. Вольф работал с довольно плохим микроскопом, что породило многие фактические неточности, но это не умаляет значения созданной им теории эпигенеза. Эпигенетической точки зрения в XVIII в. придерживались П. Мопертюи, Дж. Нидхэм, Д. Дидро, отчасти Ж. Бюффон. Решающий перелом в споре между представителями двух течений произошел в XIX в. после работ К.М. Бэра (1792-1876), сумевшего снять альтернативу — или преформизм, или эпигенез. К.М. Бэр считал, что нигде в зародыше не происходит новообразований, имеют место лишь преобразования. При этом преобразование К.М. Бэр понимал отнюдь не в духе преформизма, а рассматривал его как подлинное развитие, с глубокими качественными преобразованиями от более простого и недифференцированного к более сложному и дифференцированному. Вместе с тем успехи молекулярной биологии и генетики доказали наличие в зачатковых клетках предетерминированных химических и биологических структур (структур ДНК), которые определяют воспроизведение основных видовых и индивидуальных особенностей развивающегося организма. В настоящее время чисто эпигенетические объяснения развития, наследственности и эволюции потеряли свое значение. Раскрытие закономерностей развития живых существ строится с учетом как внутренних, предетерминированных факторов, так и роли в их реализации условий внешней среды.

Размножение живых организмов.

Среди многообразных проявлений жизнедеятельности организмов особая роль принадлежит размножению. В определенном смысле существование самого организма является подготовкой к выполнению им главной биологической задачи – участию в размножении. В основе способности организмов к размножению лежат определенные клеточные механизмы – митоз, мейоз и оплодотворение. Эти процессы обеспечивают сохранение и передачу основных признаков данного вида организмов от родительского поколения к потомкам.
Способность к размножению является неотъемлемым свойством живых существ. Благодаря размножению осуществляется материальная преемственность и непрерывность поколений, а следовательно, непрерывность и преемственность жизни. Таким образом, биологическое значение размножения состоит в том, что оно обеспечивает сменупоколений определенного вида организмов. При размножении в ряду поколений осуществляется передача генетического материала (ДНК), т.е. определенной, специфической для данного вида биологической информации. Наследственные изменения организмов в ряду поколений приводят к изменчивости вида и к эволюции.
Размножение возникло на самом раннем этапе исторического развития органического мира одновременно с образованием клетки. В зависимости от характера клеточного материала, используемого в целях размножения, выделяют различные способы и формы размножения. В живой природе встречаются два главных способа размножения: бесполое и половое.
Общая характеристика бесполого и полового размножения представлена в таблице 1.

Бесполое размножение – процесс возникновения дочерних особей из одной или группы соматических клеток материнского организма. Этот способ размножения более древний. В его основе лежит митотическое деление клеток. Значение бесполого размножения заключается в быстром увеличении числа особей, почти не различающихся между собой.
Различают следующие формы бесполого размножения.
Деление надвое – приводит к возникновению из одного родительского организма двух дочерних. Является преобладающей формой деления у прокариот и простейших. Различные одноклеточные животные делятся по-разному. Так, жгутиковые делятся продольно, а инфузории – поперечно. Такое деление встречается и у многоклеточных животных – кишечнополостных (продольное деление у медуз) и червей (поперечное деление у кольчатых червей).
Множественное деление (шизогония) – встречается среди простейших, в том числе у паразитов человека (малярийный плазмодий).
Почкование – на теле материнского организма возникает скопление клеток, которое растет и постепенно приобретает сходство с материнской особью. Затем дочерняя особь отделяется и начинает вести самостоятельное существование. Такое размножение распространено среди низших многоклеточных (губки, кишечнополостные, мшанки, некоторые черви и оболочники). Иногда дочерние особи не отделяются полностью от родительской, что приводит к образованию колоний.
Фрагментация – происходит распад тела многоклеточного организма на части, которые в дальнейшем превращаются в самостоятельные особи (плоские черви, иглокожие).
Спорами – дочерний организм развивается из специализированной клетки-споры.
Бесполое размножение наблюдается у животных с относительно низким уровнем морфофизиологической организации. А у растений распространенность бесполого размножения настолько велика, что может считаться их характерной особенностью. Как низшие (водоросли), так и высшие (споровые, голосеменные, покрытосеменные) растения размножаются бесполым путем. Различают две основные формы бесполого размножения растений: вегетативное размножение и спорообразование.
Вегетативное размножение одноклеточных растений осуществляется простым делением одной клетки на две. У грибов формы его более разнообразны – спорообразование (плесневые грибы, шляпочные) и почкование (дрожжи). У покрытосеменных растений вегетативное размножение происходит за счет вегетативных (неполовых) органов – корня, стебля, листа. При вегетативном размножении используются видоизменения этих органов, такие как клубни (картофель, георгин), корневища (флокс), плети (земляника), луковицы (лук, тюльпан), корневые отпрыски (малина, вишня). Многие растения размножаются черенками и отводками.
Спорообразование – собственно бесполое размножение растений. Оно осуществляется специализированными клетками – спорами, которые образуются чаще всего в органах бесполого размножения – спорангиях. Для низших растений типично размножение зооспорами, которые образуются митотически, являются диплоидными и способны воспроизводить новую особь, сходную с материнской. Споры высших растений обычно гаплоидны, так как образуются в результате мейотического деления. Эти споры не могут воспроизвести материнскую особь. Они служат для формирования такой жизненной стадии растения, как гаметофит, который образует половые клетки – гаметы.
У растений и низкоорганизованных животных, которым характерно бесполое размножение, обычно происходит чередование бесполой и половой форм размножения в их жизненном цикле.
Половое размножение – наблюдается в жизненных циклах всех основных групп организмов. Распространенность полового размножения объясняется тем, что оно обеспечивает значительное генетическое разнообразие и, следовательно, фенотипическую изменчивость потомства.
В основе полового размножения лежит половой процесс, суть которого сводится к объединению в наследственном материале для развития потомка генетической информации от двух разных источников – родителей.
Одной из форм полового процесса является конъюгация. При этом происходит временное соединение двух особей с целью обмена (рекомбинации) наследственным материалом, например, у инфузорий. В результате появляются особи генетически отличные от родительских организмов, которые в дальнейшем осуществляют бесполое размножение. Число инфузорий после конъюгации не изменяется, поэтому говорить в прямом смысле о размножении в этом случае нельзя.
У простейших половой процесс может осуществляться и в форме копуляции – слияния двух особей в одну, объединение и рекомбинация наследственного материала. Далее такая особь размножается делением.
На определенном этапе эволюции у многоклеточных организмов половой процесс как способ обмена генетической информацией между особями в пределах вида оказался связанным с размножением. При половом размножении возникающие новые особи обычно отличаются от родительских и друг от друга комбинацией аллелей генов. Новые сочетания хромосом и генов проявляются у потомков новым сочетанием признаков. В результате возникает большое разнообразие особей в пределах одного вида.
Таким образом, биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении, но и в обеспечении исторического развития видов, то есть жизни как таковой. Это позволяет считать половое размножение биологически более прогрессивным, чем бесполое.
Для участия в половом размножении в родительских организмах вырабатываются гаметы – клетки, специализированные к обеспечению генеративной функции. Слияние материнской и отцовской гамет приводит к возникновению зиготы – клетки, представляющей собой дочернюю особь на первой, наиболее ранней стадии индивидуального развития.
У некоторых организмов зигота образуется в результате объединения гамет, которые не отличаются по строению – явление изогамии. У большинства же видов половые клетки по структурным и функциональным признакам делятся на материнские (яйцеклетки) и отцовские (сперматозоиды).
Яйцеклетки и сперматозоиды вырабатываются разными организмами – женскими (самками) и мужскими (самцами). В разделении гамет на яйцеклетки и сперматозоиды и особей на самок и самцов заключается явление половогодиморфизма. Наличие этого явления в природе отражает различия в задачах, решаемых в процессе полового размножения мужской или женской гаметой, самцом или самкой.
Иногда развитие дочернего организма происходит из неоплодотворенной яйцеклетки. Это явление называют девственнымразвитием или партеногенезом. Источником наследственного материала для развития потомка в этом случае обычно служит ДНК яйцеклетки – явление гиногенеза. Реже наблюдается андрогенез – развитие потомка из клетки с цитоплазмой ооцита и ядром сперматозоида. Ядро женской гаметы в случае андрогенеза погибает. Рис. 1
Обязательный партеногенез является измененной формой полового размножения в эволюции некоторых видов животных. Например, у пчел он используется как механизм генотипического определения пола: женские особи (рабочие пчелы и царицы) развиваются из оплодотворенных яйцеклеток, а мужские (трутни) – партеногенетически.
Партеногенез включен в жизненный цикл многих паразитических видов. Он обеспечивает рост численности особей в условиях, при которых затрудняется встреча партнеров противоположного пола. При партеногенезе, как и при типичном половом размножении, развиваются особи с диплоидными соматическими клетками. Восстановление диплоидного набора хромосом происходит обычно путем слияния ооцита и редукционного тельца во втором делении мейоза.
Помимо естественного партеногенеза существует искусственный, который вызывается воздействием различных неспецифических факторов – нагревание, облучение, механическое воздействие иглой, действие кислот, осуществляемых человеком. Искусственный партеногенез позволяет получать поколения, представленные организмами только одного пола. Это имеет важнейшее практическое значение в сельском хозяйстве. Ярким свидетельством этого являются работы Б.Л.Астаурова по искусственному партеногенезу тутового шелкопряда. Ядра яйцеклеток инактивируют прогревом и облучением яиц. Затем яйца оплодотворяют. Из ядер двух проникнувших в яйцо сперматозоидов восстанавливается диплоидный набор хромосом, при этом из таких яиц развиваются только самцы. Этот результат имеет простое объяснение с позиций цитогенетики. Самцы тутового шелкопряда содержат в кариотипе две ХХ-хромосомы, поэтому все сперматозоиды в своем гаплоидном наборе несут только Х-хромосому. Следовательно, при слиянии ядер двух сперматозоидов обязательно образуется хромосомный набор самца ХХ. Коконы самцов содержат больше шелка, чем коконы самок. В результате удается получать экономическую выгоду.
У некоторых видов наблюдается полиэмбриония – бесполое размножение зародыша, образовавшегося путем полового размножения. Например, у броненосцев на стадии бластулы происходит разделение клеточного материала первоначально одного зародыша между 4–8 зародышами, из которых в последствии развиваются полноценные особи. В результате полиэмбрионии у человека рождаются однояйцевые близнецы.

 

ГАМЕТОГЕНЕЗ

Сперматогенез.

В сперматогенезе различают 4 периода: размножение, рост, созревание (мейоз) и формирование (рис. 5).
В период размножения исходные недифференцированные половые клетки – сперматогонии, или гонии делятся путем обычного митоза. Проделав несколько таких делений, они вступают в период роста. На этой стадии их называют сперматоцитами I порядка (или цитами I). Они усиленно ассимилируют питательные вещества, укрупняются, претерпевают глубокую физико-химическую перестройку, в результате которой подготавливаются к третьему периоду – созреванию, или мейозу.
В мейозе сперматоциты I проходят два процесса клеточного деления. В первом делении (редукционном) происходит уменьшение числа хромосом (редукция). В результате из одного цита I возникает две равновеликие клетки – сперматоциты II порядка, или циты II. Затем наступает второе деление созревания. Оно протекает как обычный соматический митоз, но при гаплоидном числе хромосом. Такое деление называется эквационным («эквацио» – равенство), так как образуются две тождественные, т.е. полностью равноценные клетки, которые называются сперматидами.
В четвертом периоде – формирования – округлая сперматида приобретает форму зрелой мужской половой клетки: у нее вырастает жгутик, уплотняется ядро, образуется оболочка. В результате всего процесса сперматогенеза из каждой исходной недифференцированной сперматогонии получается 4 зрелых половых клетки, содержащих по гаплоидному набору хромосом.
На рис. 6 представлена схема процессов сперматогенеза и спермиогенеза у человека. Сперматогенез происходит в извитых семенных канальцах семенников. Развитие сперматозоидов начинается в период пренатального развития при закладке генеративных тканей, затем возобновляется в период наступления половозрелости и продолжается до старости.
В период размножения происходит ряд следующих друг за другом митозов, в результате которых происходит увеличение количества клеток, называемых сперматогониями. Некоторые сперматогонии вступают в период роста и называются сперматоцитамиI порядка.
Период роста соответствует периоду интерфазы клеточного цикла, в которой происходит удвоение наследственного материала сперматоцитов I порядка (2n4С), и затем они вступают в профазу I мейотического деления. Во время профазы I происходит конъюгация гомологичных хромосом и обмен между гомологичными хроматидами (кроссинговер). Кроссинговер имеет важное генетическое значение, так как приводит к возникновению генетических различий между индивидуумами.

Период созревания протекает в два этапа, что соответствует I мейотическому (редукционному) и II мейотическому (эквационному) делениям. При этом из одного сперматоцита I порядка сначала получаются два сперматоцита II порядка (1n2С), затем 4 сперматиды (1n1С). Сперматиды отличаются друг от друга набором хромосом: они все содержат по 22 аутосомы, но половина клеток содержит Х-хромосому, а другая половина – Y-хромосому. Аутосомы отличаются между собой и от родительских различным сочетанием аллелей, поскольку произошел обмен во время кроссинговера.
В период формирования количество клеток и число хромосом в них не меняется, т.к. в этот период из 4 сперматид формируется 4 сперматозоида, в которых происходит морфологическая реорганизация клеточных структур, формируется хвост. У человека эта фаза продолжается 14 дней.
Мужские половые клетки не развиваются одиночно, они растут в клонах и объединены между собой цитоплазматическими мостиками. Цитоплазматические мостики имеются между сперматогониями, сперматоцитами и сперматидами. В конце фазы формирования сперматозоиды освобождаются от цитоплазматических мостиков.

Фолликулярно-цистный тип.

Класс Хрящевые рыбы. В зачатковой зоне семенника формируются семенные фолликулы. Внутри фолликулов размножаются фолликулярные клетки и сперматогонии (рис. 7 II). Фолликулярные клетки образуют карманообразные цисты и прекращают делиться. В цисте каждой такой клетки, не теряющей связи с базальной мембраной, оказывается сперматогоний, и сперматогенез идет внутри цисты. После формирования сперматозоидов стенка фолликула разрывается, спермии выходят в семенные протоки, фолликул спадается, а фолликулярный эпителий фагоцитирует остаточные спермии.

Отряд хвостатые амфибии. Семенные фолликулы также формируются в зачатковой зоне семенника. Каждая циста здесь образована уже несколькими фолликулярными клетками. Полость цисты пронизана отростками фолликулярных клеток и содержит по нескольку гоний. В каждой цисте клетки развиваются синхронно. Образующие стенку цисты фолликулярные клетки во время спермиогенеза видоизменяютя: их цитоплазма собирается к ядру, подтягивая тем самым внедренные в нее группы развивающихся сперматозоидов. С этого времени циста перестает существовать, распадаясь на сперматофорные группы. После освобождения спермиев от фолликулярных клеток (после спермации) остаточные спермии фагоцитируются фолликулярными клетками.

Канальцево-цистный тип.

Класс Костные рыбы. Зачатковая зонарасположена внутри семенных канальцев (7 III). Стенка цисты образована несколькими фолликулярными клетками (рис. 8). Гонии распределяются между отростками фолликулярных клеток, где и происходит сперматогенез. С началом спермиогенеза отростки втягиваются, и цитоплазматическая стенка цист утолщается. После выметывания сперматозоидов фолликулярные клетки подтягиваются к базальной мембране канальца и принимают участие в фагоцитозе погибших остаточных спермиев и резидуальных тел. Как и во многих других отношениях, у костных рыб разнообразна и гормональная функция фолликулярных клеток. Фолликулярные клетки участвуют в секреции стероидов, там, где интерстициальных клеток в семенниках нет (щука), а там, где они есть, фолликулярные клетки в секреции не участвуют.

Отряд Бесхвостые амфибии. Сперматогенная зона находится в семенном канальце. Стенка цисты многоклеточная. Сперматогенез в цисте идет синхронно. Во время спермиогенеза отростки фолликулярных клеток подтягиваются. По завершении сперматогенеза на месте цист оказываются фолликулярные клетки с внедренными в их цитоплазму пучками спермиев. После спермации фолликулярные клетки фагоцитирут остаточную сперму. Полагают, что клетки фолликулярного эпителия у хрящевых рыб, хвостатых и бесхвостых амфибий участвуют в синтезе стероидов и регуляции сперматогенеза.

Канальцевый тип.

Класс Рептилии и Птицы. Начиная с рептилий фолликулярный эпителий не формирует цист (рис. 7 IV). Стенку канальца внутрь от базальной мембраны составляют первичные сперматогонии, сперматогонии периода размножения, фолликулярные клетки, ядра которых находятся на одном уровне с гониями, а сами фолликулярные клетки контактируют друг с другом еще ближе к просвету канальца (рис. 9).

Ближе к просвету канальца распологаются сперматоциты 1 и 2 порядков, сперматиды, спермии. У рептилий с сезонным размножением вид среза канальца меняется по сезонам. Цитологическая характеристика клеток фолликулярного эпителия близка к таковой млекопитающих, не исключено участие фолликулярных клеток в продукции стероидов.

У птиц между основаниями фолликулярных клеток и их апикальными концами распологаются половые клетки на разных стадиях сперматогенеза. В апикальную часть фолликулярной клетки внедряются сперматозоиды. Вид семенников у птиц с сезонным размножением меняется в течение года. В период угасания сперматогенеза в семеннике остаются только стволовые половые клетки и клетки фолликулярного эпителия, прилежащие к базальной мембране, поскольку большая часть апикальной цитоплазмы фолликулярных клеток отторгается в просвет канальца.

Функция фолликулярного эпителия регулируется фолликуло-стимулирующим гормоном (ФСГ), чем и объясняется его влияние на сперматогенез. Не исключено участие самих фолликулярных клеток в производстве стероидов.

Класс Млекопитающие. На уровне базальной мембраны клетки фолликулярного эпителия не контактируют друг с другом, а соседствуют с половыми клетками. Контакт их находится выше, над слоем сперматогоний, образуя над ними как бы свод. У плода и у новорожденных между клетками Сертоли имеются лишь щелевые контакты.

На протяжении пропубертатного периода происходит становление плотных контактов, которое завершается к моменту появления в семенных канальцах первой партии сперматоцитов. У половозрелых млекопитающих структура плотных контактов фолликулярного эпителия стабильна на протяжении всех стадий сперматогенного цикла. Структура контактов Сертоли-Сертоли и их формирование в онтогенезе, по-видимому, имманентны и являются очень важными для семенника свойствами самих этих клеток. Они не звисят от половых клеток. На развитие и форму контактов клеток Сертоли не влияют ни гипофизэктомия, ни гонадотропины. Однако при нарушениях сперматогенеза отмечены изменения в клетках Сертоли, из чего можно допустить и обратное: нарушение строения и функции клеток Сертоли может приводить к изменению сперматогенеза. Зоны плотных контактов делят контактирующие клетки по высоте от базальной мембраны к просвету канальца на компартменты (отсеки). В базальном слое находятся сперматогонии и прелептотенные сперматоциты, в вышерасположенных околополостных отсеках – все остальные генерации развивающихся мужских половых клеток. Отсеки с расположенными в них клонами половых клеток перемещаются как лифт от основания канальца к просвету. Вместе с движением этого «лифта» сперматогенез последовательно проходит все свои стадии так, что к моменту выхода компартмента к просвету канальца в нем оказываются сперматиды и, наконец, зрелые сперматозоиды (рис.10). Сперматогенный цикл клона начинается в базальном отсеке и заканчивается в просвете канальца, куда выходят зрелые сперматозоиды. Движение клона по стадиям сперматогенеза совершается вместе с движением отсека вдоль оси клетки сертоли из базального положения в апикальное. Перемещение отсека обусловливается перемещением в апикальном направлении замыкающих отсек отростков и возобновлением плотных контактов между ними на новых уровнях. В механизме движения принимают участие мембраны и цитоскелетные структуры клеток Сертоли.

 

 

Оплодотворение.

 

Оплодотворение – это вызываемое сперматозоидом побуждение яйца к развитию с одновременной передачей яйцеклетке наследственного материала отца. В процессе оплодотворения сперматозоид сливается с яйцом, при этом гаплоидное ядро сперматозоида объединяется с завершившим деление созревания гаплоидным ядром зрелого яйца, образуя диплоидное ядро зиготы. Зигота – зародыш будущего организма, состоящего из одной клетки, в которой неповторимым образом комбинируются генетические свойства родителей.

Сложные анатомические, физиологические и этологические особенности родительских организмов одного вида, создающие возможность объединения их половых клеток и затрудняющие межвидовые скрещивания, рассматриваются специальной дисциплиной – биология размножения. Не касаясь этих особенностей, отметим, что в любом случае оплодотворению предшествует осеменение. Осеменение может быть наружным, если половые продукты выводятся во внешнюю, как правило, водную среду, или внутренним, если сперматозоиды вводятся в половые пути самки. Взаимодействия мужских и женских гамет во время осеменения называют дистантными. К ним относят такие свойства половых клеток, как хемотаксис, стереотаксис и реотаксис. Хемотакси с – способность сперматозоидов двигаться по градиенту концентрации веществ, выделяемых яйцеклеткой. Хемотаксис показан для многих беспозвоночных (гидроидные, моллюски, иглокожие, полухордовые). Под реотаксисом понимают способность сперматозоидов двигаться против тока жидкости в половых путях самки, а стереотаксис – это способность двигаться по направлению к более крупному, чем сам сперматозоид, объекту, каким является яйцо. Продолжительность жизни сперматозоидов и яйцеклеток как при наружном, так и при внутреннем осеменении относительно невелика. Яйцеклетки многих беспозвоночных, а также рыб и амфибий должны быть оплодотворены сразу же после овуляции. К моменту встречи с яйцеклетками сперматозоиды должны сохранять не только активное движение, но и свою оплодотворяющую способность – способность к вхождению в яйцеклетку. Как правило, оплодотворяющую способность сперматозоиды теряют гораздо раньше, чем способность к движению. Оплодотворяющая способность сперматозоидов морского ежа – 30 часов, а жизнеспособность – около двух суток. Оплодотворяющая способность сперматозоидов от многих факторов,к которым можно отнести концентрацию спермы, рН среды, температуру, концентрацию диоксида углерода. Неразбавленная сперма летучих мышей сохраняет оплодотворяющую способность в половых путях самки до нескольких месяцев. В щелочной среде сперматозоиды более активны, но, быстро растрачивая энергию, раньше погибают. В подкисленной среде их активность меньше, а продолжительность жизни больше.

В семенниках млекопитающих зрелые сперматозоиды неподвижны, в эпидермисе придатка семенника у них происходит замена некоторых белков и углеводов в мембране. В половых путях самки сперматозоиды подвергаются реакции капацитации, следствие которой – приобретение этими клетками подвижности и оплодотворяющей способности. Условия, требующиеся для капацитации, зависят от вида. Одна из гипотез относительно природы капацитации состоит в том, что изменяется структура липидов клеточной мембраны спермия: соотношение холестерин: фосфолипиды по мере капацитации снижается, а молекулы альбумина, имеющиеся в половых путях самки, способны отнимать холестерин у спермия. Только такие сперматозоиды способны пройти между фолликулярными клетками лучистого венца (corona radiata), преодолеть блестящую оболочку (zona pellucida) и, взаимодействуя с желточной оболочкой яйца, проникнуть внутрь яйцеклетки.

Сам процесс оплодотворения начинается с контакта сперматозоида и яйцеклетки. Он включает реакции активации сперматозоида и яйцеклетки и процессы слияния гамет, т.е. плазмогамии и кариогамии.

Реакция активации сперматозоида подробно исследована при оплодотворении у полихет и морских ежей. Она начинается тогда, когда апикальная часть головки сперматозоида вступает в контакт со студенистой оболочкой яйца. При этом происходит слипание и растворение плазмаллемы головки сперматозоида и передней части мембраны акросомы с последующим слиянием концов этих мембран. Вследствие этого процесса акросома раскрывается, ее протеазы попадают на студенистую оболочку и растворяют ее. В этом месте обнажается плазмаллема яйца (рис. 11). Далее задняя часть мембраны акросомы образует множества палочкообразных выростов – акросомных микроворсинок (полихеты) или один длинный вырост – акросомную нить (иглокожие). Акросомный вырост образуется взрывообразно в результате полимеризации мономеров актина (G-актина), локализованного перед задней частью вне мембраны акросомы. Триггерами этой реакции являются полисахарид фукосульфат и гликопротеин, содержащий сиаловую кислоту, находящуюся в студенистой оболочке яйца.

Акросомная реакция возникает при поступлении ионов кальция внутрь сперматозоида. Так, она может быть инициирована и в отсутствие студенистой оболочки ионофором кальция – антибиотиком А 23187, который специфически связывает кальций и переносит его из морской воды через мембрану в плазму сперматозоида. Таким образом, слияние мембраны акросомы и мембраны головки сперматозоида – это кальцийзависимый процесс, по существу, представляющий собой адаптированный к оплодотворению процесс экзоцитоза.

Поступление ионов кальция и натрия в головку сперматозоида сопровождается выходом из нее ионов калия и протонов. Последнее приводит к повышению рН в клетке, что и служит необходимым условием отделения мономеров актина (G-актина) от белка и взрывообразного перехода в полимеризованное состояние (F-актин).

Повышение рН одновременно активирует протеиновую АТФ-азу в шейке сперматозоида. В результате его митохондриальное дыхание повышается на 50%. Генерируемая при этом энергия используется для повышения двигательной активности жгутика. Акросомный вырост на своей апикальной мембране несет видоспецифичный белок биндин. На поверхности яйца распологаются рецепторы биндина. «Узнавание» яйцеклеткой своего вида заключается в соединении рецепторов яйца с биндинами сперматозоидов. У морскогоежа насчитывается до 6000 сайтов таких соединений. Таким образом, благодаря биндинам осуществляется цитологический блок межвидового скрещивания. У млекопитающих активация сперматозоида не сопровождается ни образованием микроворсинок, ни образованием акросомного выроста. Акросомная реакция у них заключается в диссоциации наружной мембраны головки сперматозоида и мембраны акросомы не на апикальной поверхности, а вдоль головки сперматозоида. Это связано с тем, что сперматозоид контактирует с яйцом не вершиной акросомы клетки, а боком. Ферменты акросомы растворяют лучистый венец, после чего сперматозоид вступает в контакт с блестящей оболочкой. Блестящая оболочка образована тремя типами белков: ZP3 и ZP2 находятся параллельно поверхности яйца, а белок ZP1 сшивает эти белки и расположен перпендикулярно поверхности яйца. Контакт с ZP3 осуществляется тремя типами рецепторов сперматозоида (на терминальную галактозу, на N-ацетилглюкозамин и на гликопротеин) и составляет первую часть акросомной реакции(рис. 12). Любое нарушение рецепции искажает и процесс активации. Далее происходит излияние фермента акросомы проакрозина, который, взаимодействуя с ZP2 и действуя как протеаза, лизирует блестящую оболочку. Таким образом, достигается контакт задней мембраны акросомы сперматозоида и мембраны яйца.

Заканчивается реакция активации сперматозоида слипанием задней мембраны акросомы сперматозоида и яйца, их разрывом и соединением свободных концов. В результате у яйца и сперматозоида формируется единая наружная мембрана, ограничивающая канал, через который ядро сперматозоида и проксимальная центриоль проникают в цитоплазму яйца.

Активация яйцеклетки. В процессе активации яйцеклетки у всех животных непосредственно участвуют мембрана яйца и ко