Статеве розмноження

Статеве розмноження — утворення нового організму за участю двох батьківських організмів. Під час статевого розмноженя відбувається злиття статевих клітин — гамет чоловічого і жіночого організму. Новий організм несе спадкову інформацію обох батьків. Статеві клітини формуються в результаті особливого типу поділу, при якому число хромосом у клітинах, що утворюються внаслідок поділу, у два рази менше, ніж у вихідній материнській клітині. Таким чином, гамети мають удвічі меншу кількість хромосома. В результаті злиття двох гамет кількість хромосом у клітині, що знову утворилася, — зиготі, збільшується у два рази, тобто відновлюється, причому одна половина усіх хромосом є батьківською, інша — материнською. Видами статевого розмноження є партеногенез і самозапліднення.

Статеве розмноження  спостерігається у представників  усіх типів рослинного і тваринного світу. Воно пов'язане з утворенням особливих статевих клітин: жіночих  — яйцеклітин і чоловічих — сперматозоїдів (згідно з Міжнародною гістологічною номенклатурою, вживаний раніше термін "сперматозоїд" застосовують для позначення рухливих чоловічих гамет рослин).Для статевих клітин (гамет) характерне одинарне (гаплоїдне) число хромосом. Крім того, вони різняться за співвідношенням об'ємів цитоплазми і ядра (порівняно із соматичними).

Чоловічі статеві  клітини — сперматозоїди —  зазвичай дуже малі і рухливі. Типові сперматозоїди мають головку, шийку  і хвіст. Головка майже цілком складається з ядра, вкритого тонким шаром цитоплазми. Спереду на головці  є гострий, твердий горбик, який сприяє проникненню сперматозоона в яйцеклітину. До складу шийки входить цитоплазма, в якій е центріоль (складова частина клітинного центру, або центросоми), мітохондрії та АТФ як джерело енергії для забезпечення руху сперматозоїда. Хвіст сперматозоїда складається з тонких волокон, вкритих цитоплазматичним циліндром; це орган руху. Загальна довжина сперматозоона у ссавців і людини становить 50 - 60 мкм. Кількість сперматозоїдів дуже велика (у ссавців їх упродовж життя дозріває сотні мільйонів).

Жіночі статеві  клітини (яйцеклітини) нерухливі і, як правило, більші від сперматозоонів. Зазвичай вони мають кулясту або овальну форму і різну будову оболонок. У ссавців розміри яйцеклітин порівняно невеликі і становлять 100—200 мкм у діаметрі. В інших хребетних (риб, амфібій, плазунів, птахів) яйцеклітини великі. У їхній цитоплазмі міститься велика кількість поживних речовин. У птахів, наприклад, яйцеклітиною є та частина яйця, яку зазвичай називають жовтком. Діаметр яйцеклітини курки становить 3—3,5 см, а страуса — 10—11 см. Ці яйдеклітини вкриті кількома оболонками складної будови (шар білка, підшкаралупова і шкаралупова оболонки тощо), які забезпечують нормальний розвиток зародка.

Яйцеклітин утворюється  значно менше, ніж сперматозоонів. Наприклад, у жінки упродовж життя дозріває близько 400 яйцеклітин. Мейоз, або редукційний поділ, — своєрідний тип поділу ядра еукаріотів, для яких властиве статеве розмноження. Характерним для нього є зменшення числа хромосом і кількості ДНК вдвічі. Це досягається за рахунок двох послідовних поділів з одноразовим подвоєнням числа хромосом. У кожному з поділів клітин є профаза, метафаза, анафаза і телофаза. Найважливіші процеси відбуваються в профазі першого поділу, який має найбільшу тривалість. На початку профази кожна хромосома складається з двох спіралізованих хроматид, сполучених між собою в місці центромери. Згодом гомологічні хромосоми наближаються одна до одної і кон'югують між собою. Вони тісно прилягають одна до одної по всій довжині й обвиваються та перехрещуються. При цьому утворюються перехрести і може відбуватися обмін ділянками між хромосомами. Це явище має велике біологічне значення, оскільки забезпечує Рекомбінацію генетичної інформації у майбутніх гамет.

Внаслідок кон'югації в клітині утворюються тетради — комплекси з чотирьох хроматид. Число тетрад дорівнює гаплоїдному набору хромосом (у клітинах статевих залоз людини в цей період гаметогенезу 23 тетради). Потім настає метафаза першого поділу мейозу, коли тетради розміщуються в площині екватора. В анафазу кожна тетрада ділиться навпіл і до полюсів відходять цілі хромосоми, які мають по дві хроматиди. В телофазу під час поділу цитоплазми на дві дочірні клітини в кожну з них потрапляє по одній із кожної пари гомологічних хромосом. Отже, внаслідок першого поділу утворюються дві клітини, в яких число хромосом зменшене вдвічі, але кожна з них містить подвійну кількість ДНК (тобто хромосоми двохроматидні). Інтерфаза після першого поділу дуже коротка (у деяких організмів у цей час навіть не формуються ядерні оболонки), синтез ДНК в цю інтерфазу не відбувається, і майже відразу настає другий мейотичний поділ. У результаті в кінці мейозу утворюються чотири клітини з половинним (гаплоїдним) набором хромосом.

У більшості організмів ці клітини згодом перетворюються на гамети (статеві клітини). Внаслідок  злиття чоловічої і жіночої статевих клітин з гаплоїдним набором утворюється зигота, в якій відновлюється диплоїдний набір хромосом. Отже, мейоз насамперед забезпечує підтримання сталості числа хромосом в усіх поколіннях організмів, які розмножуються статевим шляхом. Якби не було мейозу, то гамети містили б диплоїдний набір хромосом, а в зиготі кожного наступного покоління число хромосом збільшувалося б удвічі. Друга важлива функція мейозу полягає в тому, що під час його послідовних поділів відбувається перекомбінування генетичного матеріалу між утворюваними гаметами. В результаті виникає велика різноманітність комбінацій спадкових ознак у наступному поколінні організмів (див. "Основи генетики і селекції"). Мейоз — це універсальний процес, він характерний як для рослин, так і для тварин. У всіх живих істот він відбувається за єдиною схемою. Однак у різних груп організмів мейоз настає на різних етапах індивідуального розвитку. Так, у циклі розвитку багатьох водоростей і найпростіших переважає стадія з гаплоїдним числом хромосом. Вона є основною формою існування цих організмів, які І ЯРодукують гаплоїдні клітини (гамети). Відразу ж після запліднення й утворення диплоїдної зиготи відбувається мейоз і виникає нове покоління гаплоїдних організмів.

У багатьох груп рослин (мохи, папоротеподібні) мейоз пов’язаний із чергуванням стадій спорофіта  і гаметофіта 1. див. Ботаніка"). Спорофіт має диплоїдний набір хромосом І зазвичай може розмножуватися безстатевим шляом. На певному етапі розвитку в клітинах спорофіта відбується мейоз, у результаті чого утворюються гаплоїдні пори. Вони дають початок гаплоїдному статевому поколін рослин (гаметофіту). Гаметофіт продукує гамети, після злиття яких виникає зигота. З неї виникає нове покоління диплоїдного спорофіта.

У покритонасінних  рослин мейоз також передує утворенню  гаметофіта, але сам гаметофіт редукований до кількох клітин (у чоловічому — до трьох, у жіночому — до восьми), які містяться в тканинах квітки. У багатоклітинних тварин і людини, а також деяких водоростей і найпростіших основна, найтриваліша стадія життєвого циклу характеризується диплоїдним набором хромосом. Гаплоїдними у цих організмів є лише гамети і мейоз відбувається в процесі їх утворення (тобто в процесі гаметогенезу).

Розвиток яйцеклітин і сперматозоонів. Дозрівання і розвиток статевих клітин називають гаметогенезом. У клітинах організмів тварин і людини він відбувається в статевих залозах: яйцеклітини розвиваються в яєчниках, а сперматозоони — в сім'яниках (яєчках).

Процеси розвитку чоловічих статевих клітин (сперматогенез) і жіночих статевих клітин (оогенез) мають низку спільних ознак. І  в яєчнику, і в сім'яниках розрізняють  три різні ділянки: зону розмноження, зону росту і зону дозрівання статевих клітин. У першій зоні (розмноження) сперматогонії та оогонії (клітини — попередники сперматозоонів і яйцеклітин) розмножуються мітотичним шляхом і кількість ї'х збільшується.

У чоловіків мітотичний поділ сперматогоніїв розпочинається в період статевого дозрівання і триває упродовж Десятків років. У жінок поділ оогоніїв відбувається лише в ембріональний період їхнього життя і закінчується ще до їхнього народження. У тварин поділ цих клітин залежить від строків і періодів розмноження.

У другій зоні (зона росту) сперматогонії та оогонії перестають розмножуватись, починають рости і збільшуватись у розмірах, перетворюючись на первинні сперматоцити та ооцити. Особливо збільшуються розміри ооцитів. Наприклад, у жаб лінійні розміри ооцита в 2 тис. разів більші, ніж оогонія. Це пов'язано з тим, що в них нагромаджуються поживні речовини, необхідні для розвитку зародка. Найважливіші зміни з майбутніми статевими клітинами відбуваються в зоні дозрівання. Саме тут виявляються й істотні відмінності між спермато та оогенезом. Ооцити першого порядку в результаті першого мейозу перетворюються на дві неоднакові за розмірами клітини: ооцит другого порядку — велику клітину і так званий первинний полоцит (перше полярне, або напрямне, редукційне тільце) — малу. Таким чином зберігається максимальна маса цитоплазми, що потрібно для розвитку майбутнього організму; полярні тільця лише виносять з яйцеклітини надлишок хромосом. Під час другого мейозу вторинний ооцит утворює велику незрілу яйцеклітину і маленький вторинний полоцит (друге полярне тільце). Первинний полоцит також може поділитися ще на два полоцити. Отже, в результаті двох мейотичних поділів (мейозу) з одного первинного ооцита утворюються чотири клітини з гаплоїдним набором хромосом — незріла статева клітина (яка перетворюється на зрілу яйцеклітину) і три полоцити, які розсмоктуються і зникають.

Під час сперматогенезу первинний сперматоцит у зоні дозрівання також ділиться двічі шляхом мейозу. Однак при цьому утворюються чотири однакові гаплоїдні сперматиди, які внаслідок складних перетворень (зміна форми, розвиток хвоста) дають зрілі сперматозоони.

Запліднення —  це процес злиття ядер сперматозоона та яйцеклітини і відновлення диплоїдного набору хромосом. Запліднену яйцеклітину називають зиготою. Зигота утворюється лише в разі проникнення сперматозоона в яйцеклітину. Цей процес у різних організмів здійснюється порізному. У ссавців проникнення сперматозоона в яйцеклітину супроводжується розчиненням її оболонки за допомогою різних ферментів, які виділяє сперматозоон. У багатьох комах яйцеклітини мають щільну оболонку і сперматозоон проникає крізь невеликі отвори в ній. У деяких водяних організмів на поверхні яйцеклітини в місці контакту із сперматозооном утворюється невеликий сприймальний горбик, який згодом втягується всередину разом із сперматозооном. Зазвичай у цитоплазму яйцеклітини проникає лише головка сперматозоона з мітохондрією і центріолею, а хвіст залишається зовні. Оболонка головки розчиняється, ядро набухає до розмірів ядра яйцеклітини. Далі ядра зближуються і зливаються. Іноді в яйцеклітину одночасно проникає кілька сперматозоонів, проте ядро яйцеклітини зливається з ядром одного з них, а інші розсмоктуються. У зиготі всі хромосоми стають парними: в кожній парі гомологічних хромосом одна хромосома належить яйцеклітині, друга — сперматозоону. Це явище має велике значення для еволюції. Організм, що розвивається із зиготи, характеризується більшим діапазоном комбінованої мінливості, а звідси ширші можливості пристосування популяції до мінливих умов зовнішнього середовища за рахунок природного добору.