5. Контактные взаимодействия между половыми клетками
Контакт сперматозоида с мембраной яйцеклетки приводит к активации половых клеток. Реакция активации связана со сложными морфологическими, биохимическими и физико-химическими изменениями в половых клетках. Активация мужской половой клетки, в первую очередь связана с акросомной реакцией, а женской - с кортикальной реакцией. Акросомная реакция характеризуется быстрыми изменениями в акросомном аппарате головки сперматозоида, сопровождающимися высвобождением заключенных в ней спермолизинов и выбрасыванием акросомной нити в сторону поверхности яйца. Рассмотрим общую схему акросомной реакции у представителей разных групп морских беспозвоночных - иглокожих, кольчатых червей, двустворчатых моллюсков, кишечно-дышащих и др. На вершине головки сперматозоида, плазматическая мембрана и, прилежащая к ней часть мембраны акросомного пузырька, растворяются (лизируются). Свободные края обеих мембран сливаются между собой в единую мембрану. Из обнажившейся акросомы выходят спермолизины в окружающую среду и приводят к растворению яйцевых оболочек в месте контакта со сперматозоидом. После этого внутренняя мембрана акросмного аппарата выпячивается наружу и образует вырост в виде трубочки ( акросомная нить). Акросомная нить удлиняется, проходит через разрыхленную область дополнительных яйцевых оболочек и вступает в контакт, с плазматической мембраной яйцеклетки. В области контакта акросомной нити с поверхностью яйца плазматические мембраны сливаются и содержимое акросомной трубочки (нити) соединяется с цитоплазмой яйцеклетки. В результате слияния мембран образуется цитоплазматический мостик. Чуть позже по цитоплазматическому мостику в цитоплазму яйца перейдут ядро и центриоль сперматозоида. Акросомная реакция завершается встраиванием мембраны сперматозоида в мембрану яйцеклетки. С этого момента сперматозоид и яйцеклетка являются уже единой клеткой (Рис.7, 8, 9.).
Рис.7. Акросомная реакция сперматозоида: А - В - слияние наружной мембраны акросомы и мембранысперматозоида. Излияние содержимого акросомного пузырька; 1 - мембрана акросомы; 2 - мембрана сперматозоида; 3 - глобулярный актин; 4 - ферменты акросомы; Г - Д - полимеризация актина и образование акросомного выроста; 5 - биндин; 6 - вырост акросомы; 7 - актиновые микрофиломенты; 8 - ядро сперматозоида. ( по Голиченкову)
При общем сходстве акросомной реакции, у этих животных между ними имеются и определенные различия. Так, у иглокожих в отличие у червей и моллюсков в акросомном аппарате не содержатся литические ферменты. У большинства изученных животных образуется одна акросомная нить, а у некоторых червей - несколько таких нитей.
При оплодотворении у позвоночных животных также происходит акросомная реакция. У низших позвоночных (миноги, и осетровые рыбы), она во многом сходна с акрсомной реакцией спермиев беспозвоночных животных.
У акуловых рыб, рептилий и птиц, яйца которых одеты плотными оболочками, соединение гамет происходит раньше, чем эти оболочки сформируются. У этих животных акросома продолжает выполнять свою первоначальную роль и, хорошо развита. Акросомная реакция у млекопитающих отличается от такой реакции у ьеспозвоночных и низших позвоночных. В спермии млекопитающих акросомная реакция протекает без образования акросомного выроста, Приблизившись к поверхности яйца, спермий сливается с его плазматической мембраной боковой поверхностью головки. У насекомых и высших рыб соединение половых клеток происходит после того, как полностью образуются плотные дополнительные яйцевые оболочки. В этих случаях сперматозоид проникает в яйцо через микропиллярные каналы и соединение гамет происходит без участия акросомы.
Активация яйца. Кортикальная реакция. После того, как мужская половая клетка прикрепится к поверхности яйца и ее акросомная нить вступит в контакт с поверхностью ооплазмы, происходит активация яйцеклетки. Активация яйца связана со сложными изменениями самых разных сторон его деятельности. Наиболее ярким внешним проявлением активации являются изменения поверхностного слоя ооплазмы, получившие название кортикальной реакции (Рис. 8).
Рис.8. Кортикальная реакция в яйце морского ежа: А-приближение спермия к яйцу; Б-Г-последовательные стадии кортикальной реакции; показаны волна выделения содержимого кортикальных гранул, распространяющаяся от места проникновения спермия, отделение оболочки и образование перивителлинового пространства, формирование гиалтнового слоя; гс-гиалиновый слой; жожелточная о болочка кг-кортикальная гранула; оболочка оплодотворения пм-плазматическая мембрана; пп-перивителлиновое пространст- во, заполненное перивителлиновой жидкостью (по Гинзбург)
Рассмотрим последовательные стадии кортикальной реакции на примере наиболее полно, изученных яйцеклеток морского ежа. Кортикальная реакция начинается с того, что мембрана, ограничивающая каждую кортикальную гранулу, слипается с плазматической мембраной яйца. В этом месте гранулы открываются, и их содержимое изливается в желточную оболочку. Процесс секреции содержимого кортикальных гранул начинается от места прикрепления сперматозоида и волнообразно распространяется во все стороны до тех пор, пока не охватит всю поверхность яйца. Часть выделенного содержимого кортикальных гранул оводняется и растворяется, образуя перивителлиновую жидкость, которая оттесняет желточную оболочку от плазмолеммы яйца, приводя к увеличению объема перивителлинового пространства. Другая часть содержимого кортикальных гранул сливается с желточной оболочкой, которая при этом утолщается и преобразуется в оболочку оплодотворения. Часть кортикальных гранул, не участвующих в образовании оболочки оплодотворения, превращаются в плотный слой, называемый гиалиновым слоем, расположенным над плазматической мембраной. После того, как сформируется оболочка оплодотворения, другие сперматозоиды лишаются возможности проникнуть в ооплазму яйца. В последние годы был изучен химический состав содержимого кортикальных гранул. Показано, что содержимое кортикальных гранул содержит следующие вещества: а) протеолитический фермент (актеллиновая деламиназа), разрывающий связи между клеточной оболочкой и плазматической мембраной яйца; б) протеолетический фермент (сперм-рецепторная гидролаза), который освобождает осевшую на желточной оболочке сперму; в) гликопротеид, втягивающий воду в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной, вызывая их расслоение; г) фактор, способствующий образованию оболочки оплодотворения; д) структурный белок гиалин, участвующий в образовании гиалинового слоя. Каково биологическое значение кортикальной реакции? Во-первых, кортикальная реакция является тем механизмом, который защищает яйцо от проникновения сверхчисленных сперматозоидов. Во-вторых, образующаяся в результате кортикальной реакции перивителлиновая жидкость, служит специфической средой, в которой протекает развитие зародыша. При активации яйца наблюдаются и другие изменения самых разных сторон его деятельности. Во-первых, снижается тормоз, который блокировал мейоз и, ядерные преобразования продолжаются с той самой стадии, на которой они остановились к моменту выхода яйца из яичника. Во-вторых, наблюдается серия биохимических изменений, сопровождаемых усилением углеводного обмена, повышением синтеза липидов и белков. В-третьих, резко возрастает проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия и калия.
6. События, происходящие в яйце после проникновения сперматозоида
После того, как плазматическая мембрана акросомной нити спермия сливается с плазматической мембраной яйца, спермий утрачивает свою подвижность и его вовлечение внутрь яйца происходит благодаря действию сил, исходящих из активированного яйца. Обычно сперматозоид втягивается в ооплазму вместе с хвостом, но иногда хвостовой отдел отбрасывается. Однако и в тех случаях, когда жгутик проникает в яйцо, он отбрасывается и рассасывается. Высоко-конденсированное ядро сперматозоида начинает набухать, хроматин разрыхляется и ядро превращается в своеобразную структуру, называемым мужским пронуклеусом. Аналогичные изменения происходят и в ядре яйцеклетки, в результате чего образуется женский пронуклеус. В период формирования пронуклеусов, вдоль хромосом происходит репликация ДНК. В дальнейшем пронуклеусы начинают перемещаться к центру яйцеклетки. Ядерные оболочки, окружающие каждого из пронуклеусов разрушаются, пронуклеусы сближаются и происходит кариогамия. Кариогамия - это последняя стадия оплодотворения. При объединении пронуклеусов образуется ядро с диплоидным набором хромосом. Затем хромосомы занимают экваториальное положение, и наступает первое деление зиготы.
7. Ооплазматическая сегрегация
После проникновения сперматозоида начинаются интенсивные перемещения цитоплазмы яйцеклетки (ооплазмы). При этом происходит расслоение, отмешивание различных составных частей ооплазмы, что обозначается как ооплазматическая сегрегация. В ходе этого процесса намечаются основные элементы пространственной организации зародыша. Поэтому данный этап развития называют также проморфогенезом: имеется в виду, что в это время как бы расставляются вехи для будущих морфогенетических процессов.
8. Моно- и полиспермия
Проникновение в яйцеклетку одного сперматозоида, получило название, физиологической моноспермии. Моноспермия присуща всем группам животных с наружным осеменением и многим животным с внутренним осеменением (тем, которые подобно, млекопитающим имеют яйцеклетки небольшого размера). У других животных, например, у некоторых членистоногих (насекомые), моллюсков (класс брюхоногих), хордовых (акулообразные рыбы, хвостатые амфибии, рептилии и птицы) в яйцеклетку проникает большое количество сперматозоидов. Такое явление получило название физиологической полиспермии. Однако и в этом случае с ядром яйцеклетки соединяется только ядро одного сперматозоида, тогда как остальные разрушаются (рис.9).
Рис. 9. Полиспермия у тритона А-проникновение спермиев в яйцо на стадии метафазы II деления созревания; Б-синхронные изменения семенных ядер, образование семенных звезд; В-жен- ское ядро соединяется с одним из семенных ядер; Г - Е-синкарион вступает в митоз, сверхчисленные семенные ядра оттесняются в вегетативное полушарие и дегенерируют. Цифры над изображением яиц - время после проникновения спермиев при температуре 23о ( по Гинзбург)
При физиологической моноспермии имеются особые механизмы защиты яйца от полиспермии. Первый механизм связан с изменением мембранного потенциала. Установлено, что в яйцеклетке лягушки, через несколько секунд, после контакта со сперматозоидом заряд мембраны изменяется от -28 до 8 мв и остается положительным в течение 20 мин. Такие же изменения мембранного потенциала были обнаружены в яйцеклетках морского ежа. Оказалось, что положительный заряд мембраны препятствует полиспермии. Другой широко распространенный механизм защиты яйца от проникновения сверхчисленных сперматозоидов связан с образованием оболочки оплодотворения и перивителлиновой жидкости.
9. Гиногенез и андрогенез
Гиногенез - явление сходное с партеногенезом и отличается от него тем, что при гиногенезе сперматозоиды участвуют как активаторы развития яйцеклетки, не внося свой генетический материал в яйцеклетку. Например, яйца серебряного карася могут быть стимулированы спермой сазана, плотвы, обыкновенного карася. Развитие зародыша осуществляется только за счет женского ядра. В популяциях гиногенетических животных встречаются только особи женского пола. Гиногенез обнаружен у круглых червей, серебряного карася и некоторых других животных. Гиногенетическое развитие можно вызвать искусственно, воздействуя на сперматозоиды рентгеновскими лучами, температурой и другими агентами.
Андрогенез - явление противоположное гиногенезу. При андрогенезе развитие осуществляется за счет ядер сперматозоидов и цитоплазмы яйцеклетки. Андрогенез наблюдается в тех случаях, когда ядро яйцеклетки погибает, а в яйцеклетку проникает несколько спермиев. Ядра двух сперматозоидов объединяются, и образуется ядро с диплоидным набором хромосом. Естественный андрогенез обнаружен у тутового шелкопряда и паразитической осы. При андрогенезе образуются только самцы. Андрогенез может быть вызван и искусственно. Особую известность приобрели исследования Б.Л. Астаурова (1957) по искусственному андрогенезу у тутового шелкопряда, имеющие как теоретическое, так и практическое значение. Эти способом можно получить популяцию самцов тутового шелкопряда, коконы которых содержат на 25-30% шелка больше, чем коконы самок. Для получения андрогенетических особей, яйца тутового шелкопряда облучались большой дозой рентгеновских лучей, при этих условиях ядро разрушалось, а ооплазма не утрачивала жизнеспособности. После этого осуществляли искусственное осеменение. Два из многих, проникших в клетку сперматозоида сливались и давали начало ядру с диплоидным набором хромосом. Такое ядро и обеспечивало нормальное развитие.
10. Генетическое определение пола
Пол зародыша обычно обусловлен генотипически и зависит от сочетания половых хромосом в оплодотворенном яйце. При помощи половых хромосом регулируется численное равенство в природе. Для обозначения половых хромосом у большинства млекопитающих, некоторых амфибий(леопардовая лягушка) и насекомых (дрозофила) используют латинские буквы Х и У. Половые хромосомы самки обозначают ХХ (знак +), а половые хромосомы самца ХУ (знак >). В этом случае самцы продуцируют два типа сперматозоидов Х - или У - хромосомой. У самок же образуется один тип яиц с Х-хромосомой. Особи, образующие один тип половых клеток называются гомогаметными, а те особи, которые образуют два типа половых клеток - гетерогаметными, т.е. самки были гомогаметны, а самце - гетерогаметны. Если яйцо будет оплодотворено сперматозоидом с Х-хромосомой, из него разовьется самка, содержащая ХХ-хромосомы. Если же яйцо будет оплодотворено сперматозоидом с У-хромосомой, то из него образуется самец, содержащий ХУ-хромосомы. Таким образом, у перечисленных выше животных У-хромосома содержит гены, которые определяют мужской пол. У некоторых животных (бабочки, рыбы, птицы) гетерогеметен женский пол. В этом случае для обозначения половых хромосом используют другие буква - Z и W. Половые хромосомы самки обозначают буквами ZW, а половые хромосомы самца - ZZ. У этих животных самки продуцируют два типа яйцеклеток с Z или W-хромосомой., а самцы - один тип сперматозоидов с Z - хромосомой. В этих механизмах нет ничего принципиально различного, за исключением того, что гетерогаметны в одном случае самцы, а в другом самки. Полученные в последние годы экспериментальные данные показали, что гены, ответственные за определение пола, располагаются не только в половых хромосомах, но и в аутосомах. Тл обычно является результатом взаимодействия нескольких пар генов. Пол является полигенным признаком. Следует также отметить, что рассмотренный выше хромосомный механизм определения пола фиксирует лишь первичные признаки пола - строение половых желез, в то время как вторичные половые признаки при определенных условиях могут претерпевать обратное развитие, превращаясь в признаки противоположного пола. Решающую роль в этом играют половые гормоны.
Литература
Биология. Пособие для поступающих в вузы / А.Г. Мустафин, Ф.К. Лагнуев, Н.Г. Быстренина и др., под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2005. - 492 с.
Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология / Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор, под ред. Р. Сопера. - М.: Мир, 2004. - Т. 1. - 368 с.