Оплодотворение - это процесс объединения мужской и женской гамет, который приводит к формированию зиготы и последующему развитию нового организма. В процессе оплодотворения происходит установление диплоидного набора хромосом в зиготе, что определяет выдающееся биологическое значение этого процесса.

В зависимости от видовой принадлежности организмов у животных, размножающихся половым путем, различают наружное и внутреннее оплодотворение.

Наружное оплодотворение происходит в окружающей среде, в которую поступают мужские и женские половые клетки. Например, наружным является оплодотворение у рыб. Выделяемые ими мужские (молока) и женские (икра) половые клетки поступают в воду, где и происходит их «встреча» и объединение. Данные об оплодотворении у морских ежей свидетельствуют о том, что уже через 2 секунды после соприкосновения сперматозоидов и яйцеклетки наступают изменения в электрических свойствах плазменной мембраны яйцеклетки. Слияние содержимого гамет наступает через 7 секунд.

Внутреннее оплодотворение обеспечивается переносом сперматозоидов из мужского организма в женский в результате полового акта. Такое оплодотворение встречается у млекопитающих, причем центральным моментом здесь является исход встречи между половыми клетками. Считают, что в яйцеклетку этих животных проникает ядерное содержимое лишь одного сперматозоида. Что касается цитоплазмы сперматозоида, то у одних животных она поступает в яйцеклетку в небольшом количестве, у других совсем не поступает в яйцеклетку.

У человека оплодотворение происходит в верхней части фаллопиевой трубы, причем в оплодотворении, как и у других млекопитающих, участвует лишь один сперматозоид, ядерное содержимое которого поступает в яйцеклетку. Иногда в фаллопиевой трубе может оказаться не одна, а две или более яйцеклеток, в результате чего возможно рождение двоен, троен и т. д. Например, в XVIII в. зарегистрирован случай рождения в России одной матерью (женой крестьянина Федора Васильева) 16 двоен, 7 троен и 4 четверней (всего 69 детей).

В результате оплодотворения в оплодотворенной яйцеклетке восстанавливается диплоидный набор хромосом. Яйцеклетки способны к оплодотворению в течение примерно 24 часов после овуляции, тогда как оплодотворяющая способность сперматозоидов сохраняется до 48 часов.

В механизмах оплодотворения многое еще остается неясным. Предполагают, что проникновение в яйцеклетку ядерного материала лишь одного из множества сперматозоидов связано с изменениями электрических свойств плазматической мембраны яйцеклетки. По вопросу о причинах активации сперматозоидом метаболизма яйцеклетки существует две гипотезы. Одни исследователи считают, что связывание сперматозоида с внешними рецепторами на поверхности клеток представляет собой сигнал, который через мембрану поступает внутрь яйцеклетки и активирует там инозитолтрифосфат и ионы кальция. Другие полагают, что сперматозоиды содержат специальный инициирующий фактор.

Оплодотворенная яйцеклетка дает начало зиготе, развитие организмов через образование зигот называют зигогенезом. Экспериментальные разработки, выполненные в последние годы, показали, что оплодотворение яйцеклеток млекопитающих, включая человека, возможно и в пробирке, после чего зародыши, развившиеся в пробирке, могут быть имплантированы в матку женщины, где они могут развиваться дальше. К настоящему времени известны многочисленные случаи рождения «пробирочных» детей (см. раздел VI). Установлено также, что оплодотворить яйцеклетку человека способны не только сперматозоиды, но и сперматиды. Наконец, возможно оплодотворение яйцеклеток (лишенных искусственно ядер) млекопитающих ядрами их соматических клеток (см. § 35).

В отличие от зигогенеза, многие животные организмы способны к размножению в естественных условиях путем партеногенеза (от греч. parthenos - девственница и genesis - рождение). Различают облигатный и факультативный партеногенез. Облигатный партеногенез - это размножение организмов из неоплодотворенной яйцеклетки. Такой партеногенез служит способом размножения животных более 90 видов, включая некоторых позвоночных. Примером облигатного партеногенеза является размножение кавказской скальной породы ящерицы, представленной только женскими особями. Напротив, факультативный партеногенез заключается в том, что яйцеклетки способны развиваться как без оплодотворения, так и после оплодотворения. Факультативный партеногенез в свою очередь бывает женским и мужским. Женский партеногенез част у пчел, муравьев, коловраток, у которых из неоплодотворенных яйцеклеток развиваются самцы. Мужской партеногенез встречается у некоторых изогамных водорослей.

У растений также известны случаи, когда зародыш развивается из не оплодотворенной яйцеклетки. Как отмечено выше, это явление получило название апомикса. Оно очень широко встречается у многих покрытосеменных растений, в т. ч. у культивируемых, таких, как свекла, хлопчатник, лен, табак и другие.

Наряду с естественным партеногенезом различают искусственный (индуцированный) партеногенез, который можно вызвать раздражением яйцеклеток с помощью физических или химических факторов, что ведет к активации яйцеклеток и, как следствие, к развитию неоплодотворенных яиц. Искусственный партеногенез наблюдали в случае животных, принадлежащих ко многим систематическим группам - иглокожим, червям, моллюскам и даже некоторым млекопитающим.

Известна форма партеногенеза, получившая название андроге-неза (от греч. andros - мужчина, genesis - рождение). Если в яйцеклетке инактивировать ядро и если после этого в нее проникнет несколько сперматозоидов, то из такой яйцеклетки в результате слияния мужских (сперматозоидных) ядер развивается мужской организм. Широко известны эксперименты В. Л. Астаурова (1904-1974), который показал андрогенез на тутовом шелкопряде. Эти опыты заключались в следующем. В яйцеклетках шелкопряда одного вида (Bombyx mandarina) с помощью высокой температуры инактивировали ядра, а затем такие яйцеклетки оплодотворяли сперматозоидами шелкопряда другого вида (В. mori). Проникнув в яйцеклетки, последние сливались между собой, что давало начало новым организмам, которые по своим свойствам оказались отцовскими организмами (В. mori). Скрещивания этих организмов с самками В. mori давало потомство, принадлежащее к В. mori.

Роль партеногенеза и его форм в природе невелика, т. к. он не обеспечивает широких адаптивных возможностей организмов. Однако его использование имеет практическое значение. В частности, Б. Л. Астауровым был разработан способ получения партеноге-нетического потомства у тутового шелкопряда, что широко используется в промышленном производстве шелка.

В отличие от зигогенеза и партеногенеза существует гиногенез (от греч. gyne - женщина), который представляет собой псевдогамию, заключающуюся в том, что сперматозоид встречается с яйцеклеткой и активирует ее, но ядро сперматозоида не сливается с ядром яйцеклетки. В этом случае позволяющее потомство состоит только из женских особей. У отдельных видов круглых червей, рыб и земноводных гиногенез служит нормальной формой размножения, давая потомство, состоящее только из самок. Гиногенез можно вызвать и искусственно с помощью факторов, способных разрушать клеточные ядра (радиации, температуры и др.). В частности, описаны случаи искусственного гиногенеза у тутового шелкопряда, у некоторых видов рыб и амфибий. Получение таких форм может иметь некоторое практическое значение в случае хозяйственно полезных видов.

Как было отмечено выше, оплодотворение у цветковых (покрытосеменных) имеет существенную отличительную особенность в виде двойного оплодотворения (С. Г. Навашин, 1896), которое сводится к тому, что в зародышевом мешке гаплоидная яйцеклетка и дипло-идная центральная клетка оплодотворяются спермиями, в результате чего образуется диплоидный зародыш и триплоидная клетка, развивающаяся в клетки эндосперма (см. гл. II).

Партеногенез, андрогенез и гиногенез являются формами нарушения полового размножения. Предполагают, что эти формы возникли в ходе эволюции в результате частных эволюционных приспособлений.

Оплодотворением называют процесс слияния женской (яйцеклетки) и мужской (сперматозоид) половых клеток, который приводит к образованию нового одноклеточного организма (зиготы). Именно этот момент многие считают началом новой жизни и точкой отсчета беременности. Узнаем подробнее, как происходит оплодотворение и на каких этапах может возникнуть риск гибели будущего плода.

Слияние яйцеклетки и сперматозоида называют процессом оплодотворения.

Строение половых клеток мужчины

В норме образование сперматозоидов, способных к оплодотворению, начинается у человека в периоде полового созревания (12-13 лет). Зрелый сперматозоид состоит из головки, шейки и хвоста. Самая важная часть сосредоточена в головке, где находится ядро, которое доставляет в яйцеклетку отцовские гены.

Функция хвоста — это движение, именно эта часть сперматозоида позволяет ему двигаться со скоростью 2-3 мм в минуту и достигать матки и маточных труб. Сперматозоиды находятся в сперме. Она представляет собой вязкую беловатую жидкость, где помимо половых клеток определяется секрет семенных пузырьков и простаты.

При половом акте во влагалище попадает 3-5 мл спермы, где находится около 300-400 млн сперматозоидов. В норме большая часть из них имеет нормальную подвижность и правильное строение. Во влагалище они гибнут в течение нескольких часов, но, достигнув маточных труб, могут сохранять свою жизнеспособность еще трое суток.

У мужчины сперматозоиды вырабатываются на протяжении всей жизни. Их полное обновление в организме человека происходит примерно раз в 2-2,5 месяца.

В ядре сперматозоида находится генетическая информация отца.

Женские половые клетки

Женщина появляется на свет с определённым запасом яйцеклеток. Когда запас яйцеклеток, истощается наступает климакс. Поэтому если мужчина теоретически способен зачать ребенка в любом возрасте, то женщине отводится ограниченный запас времени.

В период полового созревания у девочки фолликулы приобретают способность созревать и разрываться для того, чтобы яйцеклетка вышла в брюшную полость и могла попасть в маточную трубу для оплодотворения.

Такой процесс происходит примерно раз в месяц в середине менструального цикла и называется овуляцией. Именно в этот период яйцеклетка может встретиться со сперматозоидом для зачатия.

Зрелая яйцеклетка человека не обладает самостоятельной подвижностью в отличие от сперматозоида. Ее движение происходит под действием присасывающего перистальтического эффекта маточной трубы и мерцания ресничек эпителия. Яйцеклетка состоит из ядра, где сосредоточена генетическая информация матери, блестящей оболочки и лучистого венца.

Способность к оплодотворению выше всего сразу после и сохраняется она на протяжении суток. В дальнейшем происходит гибель яйцеклетки. У женщины этот процесс проявляется менструальным кровотечением.

Яйцеклетка окружена прозрачной оболочкой и лучистым венцом.

Где и как проходит процесс оплодотворения человека

При половом акте сперма обычно попадает на задний свод влагалища, с которым соприкасается шейка матки. В норме среда во влагалище кислая, что позволяет отсеять слабые и нежизнеспособные сперматозоиды. Выжившие мужские клетки попадают в матку, где среда щелочная и начинают двигаться активнее по направлению к маточным трубам.

Важно! В обычные дни шейка матки прикрыта плотной слизистой пробкой, но в период проницаемость слизи возрастает, что дает возможность сперматозоидам проникнуть к месту оплодотворения.

После семяизвержения во влагалище проходит всего несколько минут и активные сперматозоиды уже можно обнаружить в матке. Спустя 2-3 часа они достигают концевых отделов маточных труб, где находится яйцеклетка. Они могут существовать там в течение двух суток, сохраняя свою способность к оплодотворению и ожидая яйцеклетку. Если этого не происходит сперматозоиды погибают.

Сам процесс оплодотворения (слияния) происходит в расширенной (ампулярной) части маточной трубы. Здесь к яйцеклетке устремляются тысячи сперматозоидов. Прозрачная оболочка яйцеклетки и клетки лучистого венца дают возможность проникнуть в яйцеклетку только одному или нескольким сперматозоидам. Но только один из них и будет участвовать в оплодотворении.

Важно! В редких случаях бывает нарушение реакции и яйцеклетку оплодотворяют несколько сперматозоидов. Этот процесс называется полиспермией и приводит к образованию нежизнеспособной зиготы.

Встреча сперматозоида и яйцеклетки завершается слиянием их ядер, где не просто суммируется, а взаимно объединяется генетический материал и происходит образование единого ядра зиготы. Так происходит передача генетического материала ребенку от обоих родителей.

Как дальше протекает этот процесс по дням

Стадия зиготы длится в течение полутора суток. Вскоре она вступает в процесс дробления клеток в результате чего образуется зародыш. Он медленно движется по маточной трубе и достигает матки только через 7-10 дней после оплодотворения. Движение зародыша происходит благодаря мерцанию ресничек и перистальтической активности самой маточной трубы.

Затем он внедряется (имплантация) в слизистую оболочку матки и погружается в ее функциональный слой. Это процесс занимает около 2 суток.

После того как имплантация завершилась, зародыш и его оболочки начинают быстро развиваться. Он постепенно обрастает сосудами, что обеспечивает его питание и дыхание. После завершения всех этих стадий образуется плод, окруженный околоплодными водами и тремя оболочками.

Через 7-10 дней после оплодотворения зародыш внедряется в тело матки.

Какие проблемы могут возникнуть в процессе оплодотворения

С одной стороны, оплодотворение — это естественный биологический процесс, который протекает сам по себе и в результате на свет появляется новая жизнь. Но пары, которые столкнулись с бесплодием воспринимают это совершенно иначе. Рассмотрим из-за чего чаще всего не получается зачать ребенка с первого раза:

• половой акт произошел, когда у женщины не было овуляции, т.е. нет яйцеклетки в маточной трубе;
• сперматозоиды оказались нежизнеспособными и не достигли яйцеклетки в период овуляции;
• непроходимость маточных труб, которая не дала возможности встретиться сперматозоиду и яйцеклетке;
• яйцеклетку оплодотворили несколько сперматозоидов и зародыш погиб;
• оплодотворение яйцеклетки произошло, но дефектным сперматозоидом – в таких ситуациях зигота гибнет на ранних стадиях;
• нарушился процесс транспорта зародыша в матку и внедрение произошло в маточной трубе (внематочная беременность) – гибель зародыша и состояние, угрожающее жизни женщины;
• зародыш добрался до маточной трубы, но не смог внедриться из-за тонкого функционального слоя матки или его отсутствия (бывает после перенесенных абортов). Происходит выкидыш еще до того, как женщина узнает о беременности.

Здесь перечислен только небольшой список проблем, из-за которых процесс оплодотворения и начала беременности может сорваться. Некоторые механизмы прерывания обусловлены защитной реакцией природы для появления на свет здорового потомства, например, гибель зародыша с дефектными аномалиями. Другие возникают из-за проблем со здоровьем как у мужчины, так и у женщины. Чтобы не думать о том, как происходит оплодотворение, нужно следить за состоянием своей репродуктивной системы и планировать беременность.

В процессе эволюции растительного мира у цветковых растений (и только у них) появилось такое явление как двойное оплодотворение, в результате которого образуется семя. У голосеменных растений также образуются семена, но двойного оплодотворения нет. Оплодотворению предшествует опыление, т. е. перенос пыльцы с тычинок одного цветка на пестик чаще всего другого цветка. При двойном оплодотворении в семязачаток проникают два спермия, один из которых сливается с яйцеклеткой, а второй - с крупной центральной клеткой.

Пыльцевые зерна разных цветковых растений имеют различную форму. При этом чаще всего поверхность пыльцевых зерен шероховатая, что позволяет им удерживаться на теле насекомых-опылителей и потом на рыльце пестика. Кроме того, рыльцем выделяется липкая жидкость, удерживающая пыльцу. На рыльце пестика пыльцевое зерно образует пыльцевую трубку , которая растет между клетками рыльца и столбика пестика, после чего врастает в полость завязи пестика.

В полости завязи может находиться один семязачаток, несколько или множество. Их количество зависит от вида растения. Семязачатки по-другому называются семяпочками . Если в завязи несколько семязачатков, то каждый из них опыляется своим пыльцевым зерном (содержащимися в нем спермиями), т. е. в таком случае через пестик будет прорастать несколько пыльцевых трубок.

Семязачатки отрастают от внутренней поверхности стенок завязи в полость завязи. Семязачаток состоит из покрова и ткани центральной части, где образуются восемь гаплоидных клеток (имеющих одинарный набор хромосом). Две из этих клеток сливаются, в результате образуется крупная центральная клетка , у которой восстанавливается двойной набор хромосом.

У семязачатка со стороны, противоположной месту прикрепления к завязи, находится пыльцевход , представляющий собой небольшое отверстие, ведущее к центральной части семязачатка.

В кончике растущей пыльцевой трубки находятся два спермия . У спермиев в отличие от сперматозоидов нет хвостика, и поэтому спермии неподвижны. Когда трубка врастает в семязачаток через пыльцевход, то один спермий сливается с одной из гаплоидных клеток, которая играет роль яйцеклетки . В результате этого оплодотворения образуется зигота с двойным набором хромосом. В последствии из нее развивается зародыш семени .

Второй спермий сливается с центральной клеткой. В результате этого оплодотворения в последствии образуется так называемый эндосперм . Для него характерен тройной набор хромосом, что уникально, так как клетки тела покрытосеменных и многих других организмов имеют двойной набор хромосом.

Эндосперм представляет собой ткань, содержащую запас питательных веществ. Эти вещества зародыш использует в процессе развития семени или при прорастании семени. В первом случае вместо эндосперма в зрелом семени основную массу занимают органы зародыша (чаще всего крупные семядоли), во втором случае - эндосперм остается.

При созревании семени покровы семязачатка превращаются в семенную кожуру .

Суть процесса оплодотворения

Определение 1

Оплодотворение – это процесс слияния мужской половой клетки (сперматозоида) с женской половой клеткой (яйцеклеткой), приводящий к образованию зиготы.

Суть и значение этого явления – объединение в одной клетке наследственной информации двух клеток (двух организмов).

Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом. А в результате их слияния образуется диплоидная зигота, несущая половину информации от одного, а другую половину – от второго родителя. Это повышает степень разнообразии набора генов в генотипе и приводит к усилению изменчивости.

Оплодотворение у животных

У животных оплодотворение может быть как внешним, так и внутренним. Внешнее оплодотворение присуще видам, как правило населяющим водоемы. Оно происходит вне половой системы самки. Внешнее оплодотворение имеют многощетинковые черви, двустворчатые моллюски, речной рак, иглокожие, костные рыбы, земноводные и даже некоторые наземные животные – дождевые черви, некоторые паукообразные.

Процесс внешнего оплодотворения происходит довольно просто. Сначала самка откладывает яйцеклетки. Затем самец выпускает семенную жидкость. Сперматозоиды окружают яйцеклетки и проникают в них. Происходит оплодотворение. Недостатки этого способа заключаются в том, что значительная часть гамет (как яйцеклеток, так и сперматозоидов) гибнет в окружающей среде, гибнет, также, и большая часть оплодотворенных яйцеклеток (зигот). Именно поэтому виды, имеющие внешнее оплодотворение, образуют такое большое количество яйцеклеток (икринки). Это компенсирует потери.

Внутреннее оплодотворение происходит в половых путях самки. В ходе этого процесса происходит активация яйцеклетки в организме самки, проникновение сперматозоидов в половые пути самки, слияние сперматозоида и яйцеклетки. После слияния гамет оболочки яйцеклетки становятся непроницаемыми для других сперматозоидов. У некоторых видов животных в яйцеклетку может проникнуть несколько сперматозоидов. Но с ее ядром сливается только один из них. Остальные сперматозоиды дегенерируют.

Оплодотворение у растений

Для оплодотворения у водорослей и высших споровых растений необходимым условием является наличие влаги. Водная среда обеспечивает возможность передвижения подвижных сперматозоидов.

А вот семенные растения не зависят от наличия влаги. Перенос сперматозоидов к месту оплодотворения у семенных растений носит название опыления . В процессе опыления происходит перенос пыльцевых зерен с пыльника тычинки к месту оплодотворения (на семенной зачаток у голосеменных или на рыльце пестика у цветковых растений).

Замечание 1

Перенос пыльцы может осуществляться с помощью ветра или с помощью животных.

Двойное оплодотворение у покрытосеменных растений

Процесс оплодотворения у покрытосеменных очень сложный впервые его описал профессор С. Г. Навашин. Пыльца попадает на рыльце пестика. Затем начинает развиваться пыльцевая трубка. Она прорастает к завязи пестика и доходит до зародышевого мешка. По пыльцевой трубке в зародышевый мешок попадают два спермия. Один из них сливается с яйцеклеткой, а второй – с центральной клеткой зародышевого мешка. Это явление получило название двойного оплодотворения.

Но двойное оплодотворение – это фактически два совершенно различных процесса. В следствии оплодотворения яйцеклетки образовывается зародыш. А в результате слияния гаплоидного спермия с диплоидной центральной клеткой образовывается триплоидная клетка. Из нее формируется не организм, а особая ткань (эндосперм), которая будет обеспечивать зародыш питательными веществами. Именно благодаря двойному оплодотворению цветковые растения, по сравнению с голосеменными, могут быстрее накапливать питательные вещества в семени. Это ускоряет его созревание после оплодотворения, способствует выживанию покрытосеменных в современных условиях.