И у яиц всех других животных при оплодотворении

 

происходят специфичные для каждого вида организмов процессы изменения протоплазмы. Вскоре после проникновения сперматозоида в яйцо морского ежа Paracentrotus llvidus пигментированный слой прото­плазмы (а пигмент у ооцита распределен относительно однородно во всем поверхностном слое цитоплазмы) приходит в состояние возбуждения, происходит быстрое передвижение участков цито­плазмы, так что ниже экватора образуется отчетливое пигменти­рованное «кольцо». Процесс этот начинается в месте вхождения сперматозоида в яйцо.

О больших физико-химических изменениях, происходящих во всем яйце, свидетельствуют и передвижения в цитоплазме яйца как собственного ядра, так и проникшего сперматозоида, точнее — его головки и шейки. При вхождении сперматозоида впереди оказыва­ется головка, а затем шейка, где локализована центросома. Близ­лежащая цитоплазма яйца изменяется, возникают лучи уплотнен­ной цитоплазмы, в связи с чем головка сперматозоида перемеща­ется так, что впереди оказывается центросома. Вместе с движени­ем головки сперматозоида происходит и движение ядра яйцеклет­ки. Нельзя думать, что эти движения хаотичны. Наоборот, можно говорить о закономерной «тропе оплодотворения». По мере дви­жения ядер навстречу друг другу происходит изменение их орга­низации. Наиболее характерным признаком при преобразовании ядер в пронуклеусы считается начало репликации в них ДНК-В конце концов оба пронуклеуса приходят в соприкосновение, и наступает их соединение

Слияния женского и мужского ядер (их хромосом) не происходит.

А. С. Гинзбург (1967)

 

считал, что у яиц осетровых и лососевых рыб, а также и у морского ежа блокирование полиспермии — это одноактный процесс, основанный на секреции содержимого корти­кальных телец, так как блокирование проникновения спермиев в ооплазму совпадает по времени с процессом выделения содер­жимого кортикальных гранул.

Как видим, существуют разные мнения по этому вопросу. Сле­дует думать, что механизм блокирования у яиц разных животных различен. Приведем еще один пример кортикальной реакции, изу­ченной А. С. Гинзбург и Т. А. Детлаф (1960—1962) на яйцах осет­ровых рыб.

Электронно-микроскопическое изучение оплодотворенных яиц дало возможность определить, что уже через 5 с после осеменения яиц севрюги содержимое кортикальных гранул начинает изливаться под оболочку, но весь процесс секреции растягивается до 2 мин. На поверхности яйца образуется тонкий слой выделенного содер­жимого кортикальных гранул. Этот слой обусловливает разобще­ние поверхности яйца от оболочки; перивителлиновое пространст­во в это время еще неразличимо в световом микроскопе. Расши­рение перивителлинового пространства происходит путем выделения гидрофильных коллоидальных веществ из цитоплазмы анимальной области яйца.

Как видим на примере яиц морских ежей и осетровых рыб, кор­тикальным гранулам принадлежит большая роль. Это установлено исследованиями на яйцах многих других животных. Различают в связи с разной консистенцией содержимого кортикальные грану­лы и кортикальные альвеолы. Электронно-микроскопические иссле­дования яиц осетра и севрюги показали, что кортикальные грану­лы имеют разную форму и размеры (от 0,3—0,5 до 5 мкм). Рас­полагаются они в непосредственном контакте с клеточной оболочкой. Кортикальные альвеолы, обнаруженные у 5—6 , видов костис­тых рыб, представляют тельца более крупные — до 35 мкм в диа­метре. Интересно, что строение кортикальных альвеол видоспеци-фично. Основными компонентами кортикальных гранул и альвеол являются полисахариды, по-видимому, связанные с белками. Мем­браны кортикальных альвеол костистых рыб содержат лициды.

В связи с бурно протекающими при оплодотворении процесса­ми в кортикальном слое происходят энергичные изменения в со­стоянии всего яйца. У яиц амфибий на стороне, противоположной месту вхождения сперматозоида, в области экватора происходит видимое изменение в пигментации: пигмент отступает внутрь, и эта часть поверхности яйца становится более светлой (серой, если пиг­мент был черным, или желтоватой, если пигмент бурый), представ­ляя серый серп или серый полумесяц.

Очевидно, что такие преобразования не могли бы наступить без специфических биохимических процессов, без перемещения цито­плазмы, вызванного проникновением сперматозоида. При оплодотворении изменяется состояние всего яйца. Процессы эти изучены недостаточно даже у таких излюбленных эмбриологами объектов, как амфибии. Так, имеют еще место споры о механизме образова­ния «серого серпа».

ОБОЛОЧКА ОПЛОДОТВОРЕНИЯ. БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ЯЙЦЕ ПОСЛЕ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ

На поверхности яйца в связи с проникновением сперматозоида происходят две группы связанных между собой процессов: физико-химические изменения поверхностного слоя цитоплазмы и образо* вание оболочки оплодотворения. Особенно хорошо изучены эти процессы Ж. Рунстрёмом (1950—1963) и Л. Ротшильдом (1956) на яйцах морских ежей.

В месте проникновения сперматозоида незамедлительно начи­наются физико-химические изменения, распространяющиеся бы­строй волной по всей поверхности яйца. В течение двух секунд по­сле соприкосновения со сперматозоидом происходят биохимические процессы, видимым выражением которых является исчезновение кортикальных гранул. В результате экзоцитоза содержимое кор­тикальных гранул (производных комплекса Гольджи) присоеди­няется к материалу желточной оболочки, а одевающие их мембра­ны оказываются в составе плазматической мембраны яйца. Так возникает оболочка оплодотворения. Процесс формирования этой оболочки протекает быстро и завершается уже в первую минуту. Схема образования оболочки оплодотворения в яйце морского ежа представлена. Часть кортикальных гранул, не участвую­щих в образовании оболочки оплодотворения, превращается в тон­кую гиалиновую мембрану. Образующаяся оболочка оплодотворе­ния отделяется от поверхности цитоплазмы, вместе с чем возника­ет заполненное жидкостью перивителлиновое пространство.

После образования оболочки оплодотворения другие спермато­зоиды не могут проникать в яйцо. Так обстоит дело у яиц некото­рых кишечнополостных, аннелид, иглокожих, костистых рыб, лягу­шек.

Механизм предотвращения полиспермии изучался многими, особенно на яйцах морских ежей. Согласно данным Л. Ротшильда и М. М. Сванна (1951—1956) имеет место двухфазное блокирова­ние полиспермии: в первые 1—2 с после установления контакта между оплодотворяющим сперматозоидом и яйцом по поверхно­сти яйца распространяются какие-то невидимые изменения, кото­рые делают ее менее доступной для других сперматозоидов. Затем следует вторая фаза полного блокирования: видимые изменения кортикального слоя яйца, после завершения которых яйца стано­вятся полностью непроницаемыми для сперматозоидов.

Ж, Рунстрём (1957) и другие предполагали, что основное пре­пятствие для^проникновения дополнительных сперматозоидов у яиц морских ежей обусловлено влиянием студенистой оболочки яйца на спермин и образованием на поверхности яйца гиалинового слоя.

Эксперименты показывают, что для актива­ции яйца

 

к развитию не обязательно проникно­вение спермия в яйцо. Требуется лишь «пуско­вой механизм», возникающий при начальных (только что описанных) процессах взаимодей­

ствия спермия с яйцом. Для побуждения яйца к развитию и для оплодотворения не требуется проникновения всего спермия. Нередко хвосто­вая часть его остается вне яйца. Активация  яйца (но не истинное оплодотворение) может произойти, если экспериментатор оттянет микро­пипеткой сперматозоид только что начинающий проникать в яйцо. Дробление может начаться. Если же ввести в яйцо сперматозоид с помощью микропипетки и тем самым не допустить возниковения процессов, совершающихся нормально в поверхностных частях яйца при его контакте со сперматозоидом, активации яйца не про­исходит. Эти и другие многочисленные наблюдения говорят в поль­зу важной роли процессов, совершающихся при оплодотворении в кортикальных (поверхностных) структурах яйца.

При соприкосновении с яйцом или с «яичной водой»

 

(в которой находились яйца) сперматозоид быстро претерпевает изменения. Оболочка акросом разрушается, и выбрасывается тонкая упругая акросомная нить. У сперматозоидов морских ежей она всего около 1 мкм длиной, а у морских звезд — до 25 мкм, у осетра — 5— 8 мкм.

Электронная микроскопия позволила выявить ту структуру акросомного аппарата у спермиев морских ежей и моллюсков, ко­торая в первую очередь реагирует на близость яйца или его обо­лочек, воспринимает воздействия, вызывающие акросомную реак­цию. Это — тончайший слой плотного материала, лежащего непо­средственно под плазматической мембраной в апикальной части спермиев.

Акросомная нить, возникающая у сперматозоида еще до кон­такта его с яйцом, проникает через студенистую оболочку яйца, а затем и через желточную. В связи с этим образуется «конус» оплодотворения, форма которого может меняться от довольно пра­вильного конуса, расположенного вокруг акросомной нити, до псев-доподиеподобных выростов. По мере проникновения головки спер­матозоида акросомная нить постепенно исчезает. Далеко не у всех животных сперматозоиды имеют такой акросомный аппарат с акросомными нитями. Акросомных нитей может и не быть. Осо­бенности организации спермиев связаны со строением яйцевых клеток, в частности с тем, имеются ли микропилярные каналы в оболочке яиц. Так, у костистых рыб в процессе сопряженной эволюции строения сперматозоидов и яиц произошла, вероятно, редукция, утрата акросомы. У яиц костистых рыб спермий в глуби­не микропилярного канала вступает в непосредственный контакт с ооплазмой; при этом акросома, являющаяся орудием для преодо­ления барьера между гаметами, утрачивает свое значение-(А. С. Гинзбург, 1967).

Все высказанные ранее предположения о гамонах и о гиалуро-нидазе сохраняют свое значение и при толковании электронно-ми* кроскопических фотографий. На рис. 24 видно, что уже через 5 ми» после осеменения яйца аннелиды Hydroides hexagonum участок желточной оболочки оказывается лизированным, акросомная нить исчезает и начальная часть головки сперматозоида уже проникает в цитоплазму яйца.

При изучении оплодотворения у млекопитающих найдено, что акросома кроме гиалуронидазы содержит протеолитические ферменты типа трипсина, способные разрушать фолликулярные клетки и блестящую оболочку. Это установлено в опытах in vitro.

А. Колвин и Л. Колвин в 1955 и 1956 гг. обнаружили, что яйца реагируют только после того, как акросомные нити вступают в не­посредственный контакт с мембраной яйца и с лежащей под ней цитоплазмой. А. Тайлер (1959) представляет процесс оплодотво­рения как «пиноцитоз», под которым подразумевается поглощение клетками жидких веществ из внешней сре­ды (рис. 26). Подобные представления воз­никали еще в начале нашего столетия. Дейст­вительно, сходство с фагоцитозом или пиноцито-зом большое (возникновение «воспринимающе­го» бугорка, проникновение акросомы и погру­жение в цитоплазму яйца спермия), но схема

Тайлера не отражает данных электронной мик­роскопии и цитохимии, согласно которым проис­ходят сложные взаимоотношения между мем­бранами яйца и спермия, локальный лизис жел­точной оболочки и т. п.

ПРОНИКНОВЕНИЕ СПЕРМАТОЗОИДА В ЯЙЦО. АКРОСОМНЫЙ АППАРАТ

Сформированные яйцевые клетки имеют разнообразные поверхно­стно расположенные структуры, через которые сперматозоид про­никает при оплодотворении. Это прежде всего оболочки, которые есть, за редкими исключениями, у всех животных.

Как же происходит проникновение сперматозоидов через эти оболочки? У некоторых яиц проникновение сперматозоида проис­ходит только через особое «отверстие» микропиле — маленький участок первичной или вторичной оболочки, где не произошло обычное формирование структуры, свойственной всей поверхности (рис. 23). Это тот участок поверхности ооцита, через который про­никают питательные вещества. С прекращением питания на завер­шающих стадиях роста ооцита одна из клеток фолликула остает­ся в тесном соединении с поверхностью ооцита и отмирает после полного сформирования яйца. Конечно, и в случае наличия микро­пиле сперматозоиду требуется преодолевать «барьер», так как ми­кропиле не представляет собой полого канала.

Методы электронной микроскопии позволили выявить у спер­матозоидов морских звезд, некоторых моллюсков, аннелид, кругло-ротых, осетровых рыб и других животных акросомную реакцию. В доэлектронно-микроскопическую эпоху предполагали возможность «прободающего» действия начальной части головки сперма­тозоида — перфоратория («прободатель»). Нет оснований отри­цать значение механического действия головки сперматозоида (если учесть, что у некоторых сперматозоидов происходит одно­временно и вращательное, и поступательное движение). Электрон-яо-микроскопическая техника и цитохимия позволили, однако, уста­новить, что механизм проникновения сперматозоида в яйцо пред­ставляет сложную цепь морфологических и химических явлений.

То, что считали перфораторием, на самом деле представляет у сперматозоидов многих животных сложное образование — акро-сомную область спермия Эта область ограничена мембраной, изолирующей акросомный пузырек от ядерной области. В центральной части пузырька находится округлое тело — акро-сомная гранула. Апикальный конец ее доходит до вершины головки сперматозоида. Видны не описываемые здесь детали строения акросомной области. Формирование акросом в ходе спер­матогенеза изучено у многих животных. В частности, Э. Францен е 1956 г. у немертин, полихет, иглокожих и других животных вы­яснил роль элементов аппарата Гольджи в формировании акросомы.

И. И. Соколовская (1947)

 

в опытах на кроликах доказала, что оплодотворения не происходит, если при осеменении самки вносит­ся менее 1000 сперматозоидов. Но оно не может состояться и в том случае, если в половых путях оказывается избыточное количество сперматозоидов (более 100 000 000). Это связывают с недостатком гиалуронидазы в первом случае и с ее избытком во втором, т. е. с недостаточным или избыточным количеством лизирующих суб­станций.

Факт влияния «яичной воды» на спермий подтвержден и элек­тронно-микроскопическими исследованиями. На рис. 22 видна часть сперматозоида Нemicentrotus pulcherrimus, обработанного «яичной водой». Произошли резкие изменения: набухание спер-мия, выбрасывание акросомной нити.

В новейших исследованиях все большее внимание привлекает характеристика поверхности взаимодействующих гамет. Так, у ас-цидий показано избирательное взаимодействие спермиев с поверх­ностью яйцеклетки, предшествующее акросомной реакции. «Узна­вание» нужных спермиев происходит благодаря наличию специ­альных гликопротеиновых молекул в оболочке яйца — рецепторов, с которыми взаимодействуют поверхностные молекулы головки спермия (А. Монрой, Ф. Розати, 1979).

При оплодотворении яиц, выметываемых гидромедузами, спер­мий всегда входит в яйцо на анимальном полюсе, что связано со спецификой оболочки в этом районе.

Свойства поверхности яйца, обусловливающие взаимодействие со спермием, проявляются в процессе созревания и оплодотворения (С. Р; Миллер, 1981). В начале второго мейотического деления в плазматической мембране яйца возникают рецепторные зоны, от^ ветственные за узнавание поверхности спермия. После отделения второго направительного тела эти зоны концентрируются в районе анимального полюса. В этом процессе принимают участие микро­трубочки.

Условно можно выделить следующие группы веществ, участву­ющих в осеменении и оплодотворении: 1) собственно гамоны — вещества, повышающие подвижность сперматозоидов; они видо-специфичны; 2) гликопротеины — вещества, обеспечивающие взаимодействие со специфическими поверхностными рецепторами и вы­зывающие агглютинацию спермиев; 3) лизины — лизирующие ве­щества, выделяемые при акросомной реакции.

ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ЯИЦ И СПЕРМАТОЗОИДОВ НА РАССТОЯНИИ И ПРИ КОНТАКТЕ

Давно уже многие эмбриологи отмечали влияние каких-то химиче­ских веществ, выделяемых яйцом, на находящиеся от него на рас­стоянии сперматозоиды. Ф. Р. Лилли (1912—1921) убедился в том, что морская вода, в которой оказались зрелые яйцевые клетки морского ежа («яичная вода»), может вызывать усиление подвиж­ности сперматозоидов и их последующую агглютинацию. Вероятно, те же химические вещества влияют возбуждающе на самцов и вызывают нерест. Такие свойства «яичной воды» описаны не толь­ко для ежей, но и для многих других животных: морских звезд, моллюсков, круглоротых (Lampetra fluviatilis), рыб и амфибий. Имеются данные о хемотаксическом, «притягивающем» влиянии «яичной воды» на сперматозоиды.

Продуцируемые яйцами специфические вещества, без которых невозможно оплодотворение, Ф. Р. Лилли (1919) назвал фертили-эином. Эти вещества присутствуют на поверхности яйца и могут также находиться в яйцевых оболочках. Считают, что фертили-зин — это гликопротеин или мукополисахарид. Как протеин он содержит аминокислоты, а как полисахарид имеет молекулы одно­го или более моносахаридов — глюкозу, фруктозу или галактозу. И аминокислоты, и моносахариды неодинаковы у разных видов животных, так что различны и фертилизины. Молекулярная масса одного из фертилизинов около 300 000.

Предполагается, что в поверхностном слое цитоплазмы сперма­тозоидов содержатся особые вещества — антифертилизины. Это кислые протеины с молекулярной массой около 10 000. А. Тайлер (1958) рассматривает систему фертилизин — антифертилизин как систему антиген — антитело и считает, что они подходят друг к другу, как это принято образно говорить в иммунохимии, как «ключ» к «замку».

Гипотетические вещества, продуцируемые яйцами и спермато­зоидами или содержащиеся в поверхностных слоях цитоплазмы, по инициативе М. Гартмана (1940) многие эмбриологи называют гамонами (гормонами гамет), причем гиногамоны (гормоны яйце­клеток) вырабатываются яйцами, андрогамоны (гормоны мужских половых клеток) — сперматозоидами. Яйцо содержит гиногамон I, активирующий движение сперматозоидов, и гиногамон II, или фер­тилизин, агглютинирующий их. Сперматозоиды содержат также не менее двух андрогамонов: андрогамон I, по-видимому, парализует подвижность сперматозоидов, а андрогамон II растворяет оболоч­ку яйца. Последний называют нередко лизином, и отождествляют с энзимом гиалуронидазои, несомненно играющей важную роль "в оплодотворении: этот энзим разжижает студенистые вещества. Влияние гиалуронидазы на мукополисахарид — гиалуроновую' кислоту давно констатировали микробиологи при анализе прони­цаемости микробов сквозь ткани многоклеточных животных. Пред­полагают, что гиалуронидаза может играть важную роль в про­никновении сперматозоидов между клетками фолликулярного эпи­телия, которые у яиц некоторых млекопитающих оказываются в большом количестве на поверхности зрелого яйца.

МОНО- И ПОЛИСПЕРМИЯ

Для оплодотворения яйца требуется один сперматозоид. Происходит соединение его ядра с ядром яйцеклетки, и начинается развитие организма. Это — мюноспермия. Но еще в прошлом столетии были известны случаи полиспёрмШ. По данным С. Рюккерта (1890), при оплодотворении яиц голубя в цитоплазму проникают 15—25 спер­матозоидов. Доказано, что при моноспермии проникновение в яйцо «лишних» сперматозоидов вызывает уродства в развитии. Так, если в яйцо лягушки проникает несколько сперматозоидов, то с его ядром сливается, однако, ядро только одного сперматозоида. При­внесенные с другими спермиями центросомы образуют также цент­ры дробления, вследствие чего вместо нормального дробления яйцо уродливо дробится сразу на несколько бластомеров. Развивающийся зародыш оказывается нежизнеспособным. Большинство эмбриологов (например, А. С. Гинзбург, 1963; на основании работ на осетровых) убеждены в том, что для многих животных полиспермия вредна, в норме после проникновения од­ного сперматозоида возникает «барьер» против проникновения других сперматозоидов, изменяются поверхностные слои цитоплаз­мы и образуется оболочка оплодотворения (см. об этом далее).

А. С. Гинзбург (1967), подводя итоги многочисленным наблю­дениям, утверждает, в частности, что оплодотворение у осетровых рыб осуществляется по типу моноспермии, но в экспериментальных условиях можно добиться полиспермного оплодотворения. В этом случае оплодотворение носит явно патологический характер. Гинз­бург наблюдала одновременное проникновение через разные ми-кропилярные каналы нескольких — до четырех—сперматозоидов. Ядра проникших спермиев соединяются с женским пронуклеосом. При первом делении дробления в полиспермных яйцах возникают многополюсные митозы, и анимальная область яйца обычно разде­ляется сразу на 3, 4 и большее число бластомеров. При выращи­вании 200 зародышей, развивавшихся из полиспермных яиц осетра и севрюги, было установлено, что все они развиваются уродливо. Около половины их погибает еще до достижения стадии вылуп-ления.

Эти интересные факты, конечно, не противоречат тому, что у не­которых животных безусловно установлена полиспермия как зако­номерное явление: у некоторых членистоногих—насекомых и пауко­образных, брюхоногих моллюсков, хордовых (акулообразных и хи­меровых рыб), хвостатых амфибий, рептилий и птиц.

Хотя полиспермия свойственна сравнительно небольшому числу животных, представляет большой интерес изучение ее физиологи­ческого и эмбриологического значения. Имеется ли корреляция между типом оплодотворения и строением оболочек яиц? По мне­нию А. С. Гинзбург (1967), корреляции нет: полиспермия наблюда­ется как у яиц, оболочки которых легко преодолеваются спермия-ми, так и у яиц с оболочками, не проницаемыми для спермиев и снабженными микропилярньши каналами (насекомые). Моноспер-мия имеет место у многих таких животных, яйцевые клетки кото­рых проницаемы для сперматозоидов в любой точке поверхности яйца, например у иглокожих, млекопитающих и др.

Процессы осеменения

 

являясь объектом многочисленных зо­ологических и физиологических исследований, во многих случаях, однако, изучены недостаточно. При наружном осеменении многих водных беспозвоночных (переднежаберных моллюсков, актиний, иглокожих) яйца и спермин выбрасываются в воду лишь тогда, когда самец и самка приближаются друг к другу, что зависит, не­сомненно, от влияний друг на друга на расстоянии благодаря про­дукции возбуждающих химических веществ, и благодаря особым рецепторам, свойственным самцам и самкам. Более чем у 40 видов актиний, моллюсков, немертин и других животных обнаружено, что сначала самец отдает сперму и уже затем возбужденная «спермовой средой» самка выталкивает свои яйца.

Интересные примеры «химических взаимоотношений» между самцом и самкой можно наблюдать у актиний. Половозрелые сам­ки актинии Sagartia troglodytes перемещаются по направлению к отдающему сперматозоиды самцу. Это движение прекращается, когда педальные диски приходят в тесный контакт. Тела животных образуют почти замкнутый свод, под которым происходит слияние выделенных в воду сперматозоидов и яиц. После этого самцы и самки отъединяются, а масса оплодотворенных яиц растекается.

У другого вида актиний — Halcampa duodecimoirrata самец и самка также возбуждают друг друга на расстоянии, по-видимому, химическими (а может быть, и физическими) факторами, но пере­мещения их не происходит. Они сильно вытягиваются в базиапи-кальном направлении. Самец отдает сперматозоиды в воду, а сам­ка при этом наклоняется им навстречу.

После процессов осеменения следуют процессы оплодотворения.

ОСЕМЕНЕНИЕ

Совокупность явлений, благодаря которым происходит контакт между женскими и мужскими половыми клетками, называется осе­менением. Приспособления у организмов и у половых клеток, обес­печивающих этот процесс, разнообразны у разных видов живот­ных. В случаях надужиоза\.осеменения сперматозоиды и яйца вы­деляются во внешнюю среду, например у большинства водных животных. При внутреннем осеменении, благодаря копулятивным органам и согласованному поведению самца и самки, сперматозоиды вводятся в половые пути самки. Выбрасывание самцом семенной жидкости со сперматозоидами — эйякуляция — представляет сложный акт, обусловленный, особенно у млекопитающих и чело­века, специальным строением и функциями мужского полового органа, мускулатуры семявыносящего протока, строением влага­лища, системой безусловных и условных рефлексов. Сколь разно­образны явления, сопровождающие встречу мужских и женских половых клеток, можно судить по ряду примеров.

Для некоторых пиявок характерно кожное осеменение, при ко­тором сперматозоиды во время спаривания прикрепляются к гипо­дерме тела на спинной стороне, затем они проникают между клет­ками гиподермы в полость тела и в матку сквозь ее стенки. У сала­мандр при очень сложном взаимном поведении самца и самки откладывается сперматофор (мешочек с большим количеством спер­матозоидов). Самка помещает сперматофор в свою клетку, где впоследствии сперматозоиды освобождаются и оплодотворяют яйцеклетки.

При гермафродитизме (когда у одного и того же индивидуума имеются и яичники и семенники) в редких случаях происходит са­моосеменение (например, у паразитических ленточных червей), большей частью происходит осеменение одной особью другой (на­пример, у дождевых червей). У некоторых гермафродитов разви­тие и функционирование семенников и яичников происходит в раз­ное время, так что один и тот же индивидуум при копуляции ока­зывается то самцом, то самкой.

Копуляция, как правило, достаточно надежно (а у многих жи­вотных совершенно гарантированно) обеспечивает оплодотворение. Например, у всех заднежаберных, высших переднежаберных, голо­воногих моллюсков в результате копуляции оплодотворение происходит в 100% случаев. У многих немертин самки и самцы откла­дывают яйца и сперматозоиды в общую слизистую массу, что так­же гарантирует оплодотворение.

дозародышевый период

Как видим, благодаря прогрессу физики и химии современные эмбриологи изучают «начало» индивидуального развития — доза-родышевый период — формирование яйцевых клеток и спермато­зоидов с принципиально новых позиций.

Еще в 1935 г. Э. С. Бауэр обосновал необходимость термоди­намических подходов в исследованиях закономерностей онтогене­за, вплоть до явлений старения, продолжительности жизни инди­видуума.

На основании экспериментальных данных изучения интенсив­ности дыхания и содержания АТФ в онтогенезе вьюна А. И. Зо-тин, Н. Д. Озернюк утверждают, что на ранних стадиях оогенеза в период малого роста ооцитов происходит омоложение системы. В конечном счете все процессы онтогенеза, включая и старение, обусловлены генотипически. Однако только прогресс современной физики и химии позволяет основательно ставить исследования по выяснению морфофизиологических механизмов, определяющих вы­сокие морфогенетические потенции зиготы или иных репродуктив­ных тел, т. е. выяснить, за счет каких энергетических источников становится возможной реализация тех или иных этапов морфоге-нетического процесса.

В клетках тканей ДНК

 

находится преимущественно в ядре — в составе хромосом и ядрышка. Небольшое количество ДНК на­ходится в составе митохондрий. У зрелых яйцевых клеток внеядер-ная ДНК преобладает: находится в митохондриях (у яйцеклеток) и в желточных пластинках. Количество цитоплазматической ДНК в яйцах морских ежей приблизительно соответствует количеству ее у 16 диплоидных ядер. У яиц амфибий резерв ДНК эквивален­тен 5000—10 000 клеточных ядер.

Большая часть РНК — это рибосомальная (до 80—90%). Ме­сто ее синтеза — ядрышко. Транспортная РНК цитоплазмы состав­ляет около 10 %. Во время оогенеза синтезируются все РНК; па­раллельно осуществляется и синтез белков. Активный синтез иРНК происходит на хромосомах типа «ламповых щеток». Ин­формационная РНК (иРНК) запасается в цитоплазме яйца (ча­стицах) в информосомах (комплексах иРНК и белка), поэтому синтез белка может происходить некоторое время даже без ядра. Скорость синтеза РНК в ооцитах намного выше, чем в бластоме-рах дробящегося яйца. Зрелая яйцеклетка вьюна имеет значитель­ный запас рРНК, а количество иРНК относительно небольшое. У амфибий обнаружено, что рибосомальная РНК не синтезируется до гаструляции. Это означает, что весь синтез белка в ходе обра­зования зародыша, состоящего приблизительно из 30 000 клеток, осуществляется только при участии рибосом, образовавшихся в хо­де оогенеза. Морфологическим показателем синтеза рРНК «про запас» может быть или увеличение размера ядрышка ( в случае, если в ооците имеется одно гигантское ядрышко), или увеличение количества ядрышек, их амплификация. На стадии диплотены в кариоплазме ооцита у амфибий может оказаться несколько сот отдельных «свободноплавающих» ядрышек. В них синтез рРНК может происходить в 60 раз быстрее, чем в хромосомах.

Недостаточно исследований различных физических параметров в ходе оогенеза. Недавно стали появляться работы с использова­нием микроэлектродной техники: введения внутрь клетки тончай­шего микроэлектрода (заполненная электролитом пипетка диа­метром менее 1 мкм, что практически не повреждает клетку). Та­ким образом удается измерить разность электрических потенциа­лов между внутренней средой клетки и внешней средой — слабым раствором солей в воде. Эта методика позволяет прижизненно анализировать работу клеточных механизмов, которые регулиру­ют состав ионов и их концентрацию внутри клетки и обмен ионов клетки с окружающей средой. Этот обмен у многоклеточных орга­низмов опосредован высокопроницаемыми контактными мембрана­ми, которые содержат щелевые контакты — скопления белков-кон-нексонов. Последние образуют каналы диаметром около 2 нм, соединяющие цитоплазму контактирующих клеток. Через щелевые контакты проходят вещества с низкой молекулярной массой—ионы и молекулы не более 900 Д для клеточных мембран млекопита­ющих, 1500—2000 Д для насекомых. Изучение проницаемости для более крупных молекул, чем ионы, переносящих электрический ток и ответственных за явление электрической связи между клет­ками, делается при помощи внутриклеточных микроинъекций ве­щества с флуоресцентными метками (флуоресцеин, проционовый желтый, родамин и др.), которые могут быть обнаружены после фиксации и in vivo в ультрафиолетовом микроскопе.

Форма яйцеклетки и ее общая структурная организация

 

— это такие же специфические видовые признаки, как и признаки взрос­лых особей. От того, как организована яйцеклетка, а затем и зиго­та, зависят последовательность и характер начальных этапов развития. Окончательные структурно-биохимические перестройки совершаются в яйцеклетке после оплодотворения. Они приводят к сложным преобразованиям структур цитоплазмы, получившим название сегрегации цитоплазмы. В результате этих процессов в различных участках яйца оказываются локализованы особые фак­торы, специфически влияющие на функции ядер, репродуцирую­щихся в ходе дробления. К числу таких факторов относятся и половые детерминанты, о которых уже говорилось.

Много интересных вопросов возникло в эмбриологии в послед­ние десятилетия в связи с прогрессом физики и химии. Однако «начало» онтогенеза — дозародышевый период, формирование яйцевых клеток в химическом и биофизическом отношении изучено недостаточно, несмотря на большое число исследований в 60— 80-х годах о белках и нуклеиновых кислотах. Пока невозможно четко изложить биохимические и биофизические данные, касаю­щиеся гаметогенеза. Ограничимся изложением лишь некоторых.

Нельзя сделать бесспорные выводы, касающиеся вопросов об­мена веществ — ассимиляции и диссимиляции. Результаты иссле­дований разных авторов противоречивы. На основании биохимических исследований гаметогенеза у лягушек, морских ежей и рыбможно утверждать, что наиболее высокая интенсивность дыхания свойственна ооцитам на ранних стадиях оогенеза.

Значительно больше биохимических работ по вопросам угле­водного обмена на различных стадиях оогенеза. У большинства животных в ходе оогенеза накапливаются резервные углеводы, главным образом гликоген, интенсивное потребление которого и других резервных соединений происходит в начале эмбрионально­го развития. Вероятно, до этого, в конце оогенеза изменяются ре-гуляторные механизмы энзиматических процессов. Эмбриология, однако, не располагает необходимыми данными о ферментных си­стемах ооцитов у разных животных. На ооцитах вьюна обна­ружено, что имеет место увеличение всех ферментов углеводного обмена в процессе роста ооцитов,

Известно, какое значение придается в современных генетиче­ских теориях РНК и ДНК. Сообщим некоторые факты о них, ка­сающиеся гаметогенеза.

БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГАМЕТОГЕНЕЗА

Процессы созревания ооцита, как и другие стадии оогенеза, осу­ществляются под гормональным контролем. Так, например, гона-дотропный гормон у позвоночных животных, выделяемый в кровь самок, запускает процесс созревания ооцита, что было показано не только в экспериментах in vivo, но и in vitro при непосредствен­ном воздействии на изолированные фолликулы гонадотропными гормонами. Фолликулярный эпителий, реагируя на гонадотропный гормон, продуцирует стероидный гормон (прогестерон), который непосредственно влияет на ооцит. Вся совокупность описанных ра­нее событий, сопровождающих процесс созревания яйца,—это си­стемные, взаимосвязанные события, затрагивающие как организ-менные интегративные системы (функционирование нейрогормо-нальных систем), так и внутриклеточные процессы, совершающие­ся на молекулярном уровне и связанные с функционированием генома разных типов клеток и с транспортами биологически ак­тивных веществ внутри клетки и в циркуляторных системах целого организма.

В настоящее время выявлены факторы, участвующие в осуще­ствлении различных моментов созревания. Так, например, в начале созревания в цитоплазме ооцита появляется фактор, вызывающий дезорганизацию оболочки ядра. Появление этого фактора по-ви­димому связано с активностью прогестерона. Затем появляется фактор, вызывающий конденсацию хромосом, фактор, способству­ющий образованию пронуклеусов, и ряд других. Таким образом внутри ооцита осуществляется скоординированная последователь­ность структурно-биохимических процессов, в реализации которых участвуют и ядро и цитоплазма. Различная последовательность событий созревания и оплодотворения также обусловлена появле­нием биологически активных веществ, блокирующих тот или иной этап мейоза.

Выход яйцеклеток из яичников в яйцеводы и их откладка во внешнюю среду или задержка в соответствующих отделах поло­вых путей самки при внутреннем осеменении — это также гормо­нально зависимые процессы. Благодаря раскрытию многих интим­ных механизмов этих процессов в настоящее время удается успеш­но управлять репродуктивной функцией у рыб и сельскохозяйст­венных животных.

Сформированная яйцеклетка всегда поляризована. Полярность проявляется не только в градиентном распределении различных по размерам и структурно-биохимическим характеристикам жел­точных включений, не только в положении ядра, но и в органи­зации кортикального слоя и цитоскелета, а также в распределении других цитоплазматических компонентов.

После непродолжительной интерфазы

 

наступает профаза вто­рого мейотического деления. Второе деление мейоза по форме напоминает митоз и не сопровождается изменением числового соста­ва хромосом, в связи с чем его называют эквационным или уравнительным делением. Однако оно принципиально отличаете» от митоза тем, что отходящие к двум клеткам из состава каждой хромосомы хроматиды могут быть не идентичны по генетическим свойствам вследствие происшедшего кроссинговера.

В целом в ходе делений мейоза перекомбинация генетического материала осуществляется дважды: при первом делении в связи с расхождением к каждому из полюсов веретена части материнских и части отцовских хромосом, при втором — вследствие расхожде­ния разнокачественных по генетическому составу хроматид.

Все сложные преобразования хромосомного аппарата клетки, сопровождающие мейоз, имеют два важнейших следствий:

1. Редукцию числа хромосом и соответственно количества ДНК в ядре половых клеток.

2. Перекомбинацию генетического материала между форми­рующимися клетками, увеличивающую резерв наследственной из­менчивости будущего потомства.

На рис. 21 дана схема мейоза. Для большей простоты приво­дится случай, когда в оогонии или сперматогонии имеются только две пары гомологичных хромосом.

При сперматогенезе оба мейотических деления равномерные и в результате получаются четыре одинакового размера клетки — сперматиды, впоследствии преобразующиеся в сперматозоиды (см. рис. 12). Они содержат гаплоидный набор хромосом. Мейоти-ческие деления ооцита неравномерны, и в результате образуются одно целое яйцо с гаплоидным набором хромосом и три маленьких редукционных, или полярных, дегенерирующих тельца

Различают несколько стадий (или фаз) жизненного цикла клетки, или онтогении клетки. Вслед за делением наступает пост-митотическая (пресинтетическая) фаза Gj. Затем следуют фаза синтеза S, во время которой происходит редупликация ДНК, пост­синтетическая (премитотическая) стадия G₂ и, наконец, послед­ний этап онтогении клетки, обусловленный предыдущим развити­ем,— митоз М.

Соотношение во времени между фазами онтогении клетки мо­жет меняться при различных состояниях тканей и организма.

Вопросы о значении этих изменений в явлениях специализации клеток, в нормальной жизни тканей и органов далеки от ясности, однако, несомненно, они заслуживают большого внимания эмбрио­логов.

Период синтеза ДНК, предшествующий первому мейотическо-му делению при развитии женских половых клеток у мышей, за­нимает 10—10,5 ч, т. е. более чем средняя продолжительность этой стадии в соматических клетках эмбрионов и взрослых животных.

Профаза мейоза в ооцитах млекопитающих может продолжать­ся в течение нескольких лет.

При сперматогенезе увеличивается продолжительность фазы синтеза ДНК. У первых генераций сперматогоний мыши .S-фаза имеет продолжительность 7—8 ч, в последней генерации — 14,5 ч.

У ооцитов в ходе диплотенной стадии

 

может наблюдаться та или иная степень деспирализации хромосом, особенно в случаях оогенеза солитарного типа («разрыхление» хромосом, образова­ние «ламповых щеток» и т. п.); такое состояние ядра может быть довольно длительным — охватывает весь период большого роста ооцита. Это свидетельствует об активизации ядерного аппарата и его участия в накоплении в яйцеклетке резерва нуклеиновых кис­лот и запасных веществ, необходимых для обеспечения начальных этапов эмбриогенеза. В случае алиментарного типа питания ооци­та, напротив, можно наблюдать явления, свидетельствующие об инактивации хромосомного аппарата ооцита — сильно спирали-зованные хромосомы в этом случае образуют клубок той или иной плотности — кариосферу. Как известно, при алиментарном типе питания важную роль в снабжении ооцита запасными веществами выполняют питающие клетки или фолликулярный эпителий яичника.

Диакинез отличается все большей степенью спирализации хро­мосом, все большим смещением хиазм к концевым участкам хро мосом (терминализация хиазм). Диакинез завершает профазу мейоза.

К началу метафазы первого мейотического деления исчезает ядерная мембрана, формируется веретено деления, по экватору которого располагаются биваленты, т. е. сдвоенные в результате конъюгации гомологичные хромосомы. В анафазе от каждого би­валента к полюсам веретена отходит по целой хромосоме, что при­водит к числовой редукции хромосом в ядрах образующихся кле­ток. Рассмотрим это на произвольном числовом примере: если диплоидное число хромосом 8, то при конъюгации гомоло­гичных хромосом образуются 4 бивалента, которые располагают­ся по экватору веретена первого деления мейоза; в анафазе этого деления одна хромосома из состава каждого бивалента отойдет к одной клетке, другая — к другой. Каждая из клеток, таким образом, получит по 4 хромосомы, что соответствует для взятого примера гаплоидному числу хромосом. Таким образом, произойдет числовая редукция хромосом. В связи со сказанным первое деле­ние мейоза принято называть редукционным или уменьшительным делением.

Расхождение хромосом к полюсам при первом мейотическом делении происходит таким образом, что тетрады делятся в плос­кости конъюгации (а не в плоскости продольного расщепления хромосом), значит, к полюсам расходятся диады разного проис­хождения: в одну клетку попадает диада отцовского происхожде­ния, а в другую — диада материнского происхождения.

На лептотенной стадии

 

(от лат. leptos — тонкий) в ядрах поло­вых клеток периода роста, т. е. ооцитов и сперматоцитов 1-го по­рядка, выявляется диплоидное число тонких в связи со слабой степенью спирализации хромосомных нитей. К концу лептонемы по длине хромосом начинают выявляться небольшие утолщения — хромомеры,' число, величина и расположение которых вдоль хро­мосомы специфичны для каждой пары гомологов.

Зиготенная стадия (zeugos — пара) состоит в конъюгации, т. е. в попарном соединении по длине гомологичных хромосом. Сбли­жение гомологичных хромосом происходит за счет взаимодействия комплементарных участков ДНК, которые выполняют здесь ме-хано-химическую функцию. Пары конъюгирующих хромосом назы­ваются бивалентами. Сдваивание хромосом в зиготенной стадии, как будет видно далее, подготавливает редукционное деление.

Пахитенная стадия (pachis — толстый) характеризуется завер­шением конъюгации гомологов; благодаря усиливающейся спира­лизации хромосомы в этот период происходит тесное взаимное закручивание хромосом в составе каждого бивалента. В конце этой стадии в составе каждой хромосомы, образующей бивалент, дела­ется различимой ее двухроматидная структура. С этого момента бивалент может быть назван тетрадой. Однако в действительности, и это доказано экпериментально, уже лептотенные хромосомы имеют двухроматидную структуру. Итак, две гомологичные хро­мосомы, конъюгируя, образуют бивалент, каждая из этих хромо­сом расщепляется на две хроматиды, в результате чего бивалент превращается уже в четырехнитчатую структуру — тетраду. Че-тырехнитчатое строение пахитенных хромосом отражает подготов­ленность хромосомного аппарата клетки к двум последующим мейотическим делениям, в результате которых каждая из образую­щих клеток получит по одному элементу из каждой тетрады.

На диплотенной стадии (diplos — двойной) начинается процесс расхождения, расталкивания и раскручивания гомологичных хро­мосом в составе каждого бивалента. При этом обнаруживается, что несестринские хроматиды в биваленте могут быть соединены между собой в одной или нескольких точках, образуя перекресты — хиазмы. Хиазмы являются следствием происходящего в предшест­вующий период профазы мейоза кроссинговера — обмена участка­ми между несестринскими хроматидами, происходящего в резуль­тате разрывов и воссоединений в соответствующих локусах хроматид. Кроссинговер, приводящий к обмену генетическим ма­териалом между хроматидами, служит одной из причин увеличения резерва наследственной изменчивости в потомстве при половом размножении.