Два в одном : от мамы и от папы - ОРГАНИЗМ КАК ЦЕЛОЕ

Постановка проблемы урока

Факт1. Ежедневно у мужчины вырабатываются сотни миллионов сперматозоидов, в то время как у женщины ежемесячно созревает одна, редко две яйцеклетки.

Даже Ч. Дарвин предполагал, что яйцеклетка оплодотворяется многими сперматозоидами, а семяпочка - многими пыльцевыми зернами. Иначе, считал он, невозможно объяснить, зачем так много сперматозоидов производят животные и так много пыльцы - растения.

Факт 2.При мейозе число хромосом сокращается вдвое.

• Подтверждаются ли предположения Ч. Дарвина современными знаниями об оплодотворении?

• Определите тему урока и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Вспоминаем термины: соматические клетки, гамета, зигота (§ 21), гаплоидный, диплоидный, генотип (9 класс), мейоз (§ 16).

• В чём различия процессов мейоза и митоза?

Решение проблемы

Формирование гамет

• Чем овогенез и сперматогенез отличаются от развития соматических клеток?

В основе полового размножения лежит образование, а затем слияние мужских и женских половых клеток — гамет в процессе оплодотворения. Главное в процессе оплодотворения - слияние ядер гамет с образованием гибридного дочернего генотипа, содержащего наследственную информацию как от матери, так и от отца. Большая часть организмов диплоидны (исключением будут, например, мхи). Поэтому их зрелые гаметы должны быть гаплоидны, чтобы в результате оплодотворения при слиянии ядер материнской и отцовской гамет восстанавливалась диплоидность. Вы уже хорошо знаете, что гаплоидные продукты деления клетки возникают в результате мейоза и именно таким способом образуются половые клетки. Биологический смысл мейоза состоит в том, что на одну фазу удвоения (редупликации) хромосом клетка делится дважды. В результате образуются зрелые половые клетки с вдвое меньшим набором хромосом (как правило, гаплоидные).

Развитие диплоидного организма начинается с объединения гаплоидных гамет в момент оплодотворения. Гаметы значительно отличаются от других (соматических) клеток не только хромосомным набором, но и высокой целостностью, самостоятельностью. По этим качествам они

приближаются к одноклеточному организму. Формирование таких клеток происходит только в зрелом возрасте организма, в процессе гаметогенеза. Нарушение развития гамет может существенно влиять на последующее развитие зиготы и будущего организма.

Гаметы большинства животных и человека образуются из первичных половых клеток, которые обособляются как гонады (половые железы) на самых ранних стадиях эмбрионального развития. Первичные половые клетки диплоидны. Их преобразование проходит 4 периода: размножение, рост, мейотическое деление и формирование.

Впервом периодесперматогенеза(см. рис. 22.1) происходит многократное митотическое деление сперматогониев — первичных мужских половых клеток. После последнего деления, в премейотической интерфазе, происходит последняя репликация ДНК, и первичные клетки становятся сперматоцитами. Второй период - период роста - совпадает с длительной профазой мейоза I. В ней происходит конъюгация хромосом, кроссинговер и образуются биваленты (пары соединённых гомологичных хромосом). В течение третьего периода каждый сперматоцит путём двух мейотических делений превращается в 4 гаплоидные сперматиды. Четвёртый период посвящён внутренней перестройке клетки и превращению в сперматозоид. В задней части образуется жгутик, впереди ядра формируется акросома — органелла, растворяющая оболочку яйцеклетки при соприкосновении. Усиливается энергетическая поддержка: число митохондрий и АТФ. Многие другие органеллы удаляются.

22.1. Гаметогенез у позвоночных животных и человека, и оплодотворение

• Найдите на схеме различие сперматогенеза и овогенеза. Сколько клеточных митозов и мейозов содержит зародышевый путь - путь от образования первичных

Оогенез(или овогенез) — образование яйцеклеток — включает те же периоды, но с некоторыми существенными отличиями (см. рис. 22.1). Путём митотических делений оогониев образуется сравнительно немного ооцитов, вступающих в продолжительную стадию роста. В клетке формируется запас питательных веществ в виде желточных гранул. Часть их поступает от окружающих клеток и с током крови. Мейотические деления четырёх гаплоидных клеток ведут к неравномерному распределению материала: практически весь запас переходит в одну большуюоотиду- яйцеклетку, а в маленькие редукционные тельца попадают лишь избыточные комплекты ДНК. Они вскоре распадаются.

Главной особенностью яйцеклеток, по сравнению со сперматозоидами, у высших животных и человека являются их крупные размеры, обеспечивающие большой запас питательных веществ и макромолекул, необходимых для дальнейшего развития зародыша. Яйцеклетки млекопитающих имеют диаметр 60^—2000 мкм, икринки лососевых рыб —

6^—9 мм, яйцеклетка курицы — 3,3 см, страуса - 10 см. Сперматозоиды, напротив, очень мелкие, но чрезвычайно многочисленные подвижные клетки, предназначенные для обнаружения и оплодотворения яйцеклетки.

Оплодотворение у животных

• Как происходит оплодотворение и каков его результат?

Процессоплодотворениявключает несколько этапов: проникновение сперматозоида в яйцеклетку и сквозь оболочки яйца, слияние гаплоидных ядер двух гамет с образованием диплоидной зиготы, активацию развития зиготы.

22.2. Яйцеклетка моллюска с множеством сперматозоидов, прикрепившихся к поверхности

При слиянии половых клеток разных особей говорят о перекрёстном оплодотворении, при объединении гамет одного гермафродитного организма - осамооплодотворении.

Оплодотворение бывает наружным и внутренним. При наружном оплодотворении яйца и сперматозоиды выделяются в воду, где и происходит их слияние. Внутреннее оплодотворение характерно для наземных животных. В этом случае сперматозоиды во время полового акта вводятся в половые пути самки.

У лягушки оплодотворение происходит в воде. Неоплодотворённая яйцеклетка (икринка) покрыта несколькими оболочками, защищающими её от неблагоприятных воздействий. Сперматозоиды активно передвигаются в воде. Опыты показали, что для успешного оплодотворения необходима определённая, достаточно высокая концентрация сперматозоидов вокруг яйцеклетки. Коснувшись икринки передним концом головки, сперматозоид выделяет ферменты акросомы, позволяющие проникнуть через защитные оболочки яйцеклетки. Как только один сперматозоид проникнет в яйцеклетку, её оболочки становятся непроницаемыми для других сперматозоидов. Поэтому ядро яйцеклетки сливается только с одним ядром сперматозоида. В результате образуется зигота с двойным набором хромосом. Вскоре начинается дробление, и зигота превращается в зародыш.

22.3. Схема оплодотворения у млекопитающиx

•Найдите этапы оплодотворения на рисунке.

Двойное оплодотворение у растений

• Как происходит образование гамет и оплодотворение у цветковых растений?

У семенных растений оплодотворению предшествует опыление: перенос пыльцы с пыльников на рыльце пестика того же (самоопыление) или другого (перекрёстное опыление) растения. Особый тип оплодотворения, свойственный только цветковым растениям, —двойное оплодотворение— открыл знаменитый русский ботаник С.Г. Навашин. В пыльнике тычинки в результате мейоза образуются пыльцевые зерна — гаплоидные клетки, покрытые оболочками. Гаплоидная клетка пыльцевого зерна митотически делится на две, в свою очередь, гаплоидные клетки: вегетативную и генеративную. Вегетативная клетка обеспечивает прорастание пыльцевого зерна, попавшего на рыльце пестика, и образует пыльцевую трубку. Генеративная клетка делится ещё раз на два гаплоидных спермия, которые по пыльцевой трубке проникают внутрь завязи.

22.4. Двойное оплодотворение у цветковых растений

В семяпочке завязи расположен зародышевый мешок с несколькими гаплоидными клетками, одна из которых — яйцеклетка. Один из спермиев оплодотворяет яйцеклетку, в результате чего образуется зигота. Из неё формируется диплоидный зародыш семени — будущее растение. Две из оставшихся гаплоидных клеток зародышевого мешка сливаются между собой и со вторым спермием. Из них развивается триплоидный (3n)эндосперм, который служит питательным материалом развивающемуся зародышу. Триплоидность эндосперма увеличивает количество ДНК, что обеспечивает большое число матриц для копирования белков и тем самым высокую скорость производства питательных веществ.

Таким образом, диплоидное растение в результате редукционного деления образует на своём теле два типа миниатюрных гаметофитов: пыльцевые зёрна и зародышевые мешки. Они состоят всего из нескольких гаплоидных клеток и не являются самостоятельными организмами. Часть их клеток превращается в гаметы, другие же помогают обеспечить оплодотворение.

Искусственное оплодотворение

• Где используется возможность искусственного оплодотворения?

Длявыведения новых пород домашних животных, а также для разведения редких видов требуется скрещивание разных особей, причём не всегда есть возможность перевозить животных и создавать пары. В этом случае используют искусственное оплодотворение, при котором сперма самцов животных разбавляется, хранится, и с её помощью осуществляется искусственное оплодотворение самок вдалеке от того места, где была получена сперма.

Современная медицина разработала методы лечения бесплодия у человека. В случае возникновения этой болезни пара обращается в один из центров лечения бесплодия, где супругов обследуют и при необходимости предлагают им один из распространённых методов лечения —искусственное оплодотворение,или метод “оплодотворения в пробирке”. Полученный эмбрион содержат в условиях инкубатора, где он развивается в течение 2 — 5 дней, после чего эмбрион переносят в полость матки для дальнейшего развития.

Впервые успешно эта медицинская технология была применена в Великобритании в 1977 году, в результате чего в 1978 году родилась Луиза Браун — первый человек, “зачатый в пробирке”. Первый ребёнок (девочка), зачатый таким способом в России (СССР), был рождён в феврале 1986 года.

Обобщение новых знаний

Процесс гаметогенеза обеспечивает развитие половых клеток с гаплоидным набором хромосом. Во время оплодотворения мужская и женская гаметы сливаются в диплоидную зиготу. Специальные механизмы блокируют одновременное оплодотворение яйцеклетки двумя сперматозоидами.

Гаметогенез:сперматогенез, оогенез. Оплодотворение, искусственное оплодотворение

Применение знаний

1. Как связаны друг с другом следующие биологические понятия: гаметогенез, мейоз, оплодотворение, половое размножение?

2. Что отличает оогенез от сперматогенеза?

3. Что произошло бы при оплодотворении одной яйцеклетки несколькими сперматозоидами?

4. В чём преимущества и недостатки наружного и внутреннего оплодотворения?

5. В чём выражается чередование поколений у цветковых растений?