Гаметогенез
Гаметогенез — образование и созревание мужских и женских половых клеток у животных. Он включает размножение исходных клеток, их рост и мейоз, благодаря которому число хромосом уменьшается вдвое.
Общая схема гаметогенеза
Гаметы развиваются из особых диплоидных клеток зародышевого пути. В начале клетки многократно делятся митозом, увеличивая их число. Затем часть клеток растёт, удваивает ДНК и вступает в мейоз. После двух последовательных делений образуются гаплоидные клетки, содержащие по одному хромосомному набору.
Гаметогенез — процесс образования и созревания гамет. Мужская разновидность называется сперматогенезом, женская — овогенезом.
Основные этапы можно представить так:
- 1 — Митотические деления исходных клеток; набор обычно диплоидный.
- 2 — Клетка увеличивается, удваивает ДНК и подготавливается к мейозу.
- 3 — Мейоз I и мейоз II; формируются гаплоидные клетки.
- 4 — Клетки приобретают строение зрелых сперматозоидов или яйцеклетки.
Если исходная клетка имеет \(2n\) хромосом, то после мейоза гаметы содержат \(n\) хромосом. При оплодотворении два гаплоидных набора объединяются и восстанавливают диплоидный набор зиготы.
Важно различать число хромосом и число молекул ДНК. Перед мейозом происходит репликация ДНК: число хромосом не меняется, но каждая хромосома становится двухроматидной. В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, а в мейозе II — сестринские хроматиды.
Сперматогенез
Сперматогенез происходит в семенниках, в извитых семенных канальцах. Он начинается после наступления половой зрелости и у большинства животных может идти практически непрерывно.
| Стадия | Клетка | Что происходит |
|---|---|---|
| Размножение | Сперматогонии | Митоз; клетки диплоидные, \(2n\). |
| Рост | Сперматоцит I порядка | Рост и удвоение ДНК; клетка готова к мейозу. |
| Созревание | Сперматоциты II порядка и сперматиды | Мейоз I и мейоз II; образуются четыре гаплоидные клетки. |
| Формирование | Сперматозоиды | Сперматиды превращаются в подвижные зрелые гаметы. |
Из одного первичного сперматоцита после мейоза обычно образуются четыре равноценные сперматиды. При их формировании ядро уплотняется, цитоплазмы становится мало, возникает жгутик для движения, а митохондрии располагаются в средней части. Зрелый сперматозоид состоит из головки, шейки, средней части и хвоста. В головке находятся ядро и акросома, содержащая ферменты для проникновения через оболочки яйцеклетки.
Результат сперматогенеза: одна исходная клетка мейоза даёт четыре сперматозоида. Все они имеют гаплоидный набор, но могут нести разные комбинации аллелей из-за независимого расхождения хромосом и кроссинговера.
Овогенез
Овогенез происходит в яичниках. В отличие от сперматогенеза, он начинается ещё до рождения, протекает циклично и сопровождается неравномерным распределением цитоплазмы между дочерними клетками.
| Стадия | Клетка | Особенности |
|---|---|---|
| Размножение | Овогонии | Митотические деления; формируется запас клеток. |
| Рост | Овоцит I порядка | Сильное увеличение клетки, накопление питательных веществ, удвоение ДНК. |
| Созревание | Овоцит II порядка и первое полярное тельце | После мейоза I цитоплазма делится неравномерно. |
| Завершение созревания | Яйцеклетка и полярные тельца | Мейоз II обычно завершается после оплодотворения. |
Из одного овоцита I порядка образуется одна крупная яйцеклетка и обычно три маленьких полярных тельца. Почти вся цитоплазма, органоиды и запас питательных веществ остаются в яйцеклетке. Полярные тельца получают хромосомный материал, но участвуют в развитии организма незначительно и обычно дегенерируют.
При сперматогенезе деление цитоплазмы относительно равномерное: образуются четыре гаметы. При овогенезе деление неравномерное: образуется одна функциональная яйцеклетка и полярные тельца.
Сколько функциональных гамет обычно образуется из одного овоцита I порядка?
Изменение хромосомного набора
Задания часто проверяют, как меняются число хромосом и количество ДНК на разных стадиях. Обозначение \(2n2c\) означает диплоидный набор хромосом и одну молекулу ДНК на каждую хромосому. После репликации состояние клетки — \(2n4c\): число хромосом прежнее, но каждая состоит из двух хроматид.
| Состояние клетки | Хромосомный набор | Количество ДНК |
|---|---|---|
| До репликации | \(2n\) | \(2c\) |
| После репликации, перед мейозом I | \(2n\) | \(4c\) |
| После мейоза I | \(n\) | \(2c\) |
| После мейоза II | \(n\) | \(c\) |
В мейозе I число хромосом уменьшается вдвое, потому что к полюсам расходятся гомологичные хромосомы. В мейозе II число хромосом не изменяется: разделяются хроматиды, и каждая из них становится самостоятельной хромосомой.
У животного диплоидный набор \(2n=24\). Определим число хромосом и молекул ДНК в сперматоците I порядка после репликации, в сперматоците II порядка и в сперматозоиде.
Показать краткий ответ Ответ
| Клетка | Хромосомы | ДНК |
|---|---|---|
| Сперматоцит I после репликации | 24 | 4c |
| Сперматоцит II | 12 | 2c |
| Сперматозоид | 12 | c |
Биологическое значение гаметогенеза
- Мейоз поддерживает постоянство числа хромосом вида при половом размножении: гаметы гаплоидны, а зигота снова диплоидна.
- Кроссинговер и независимое расхождение хромосом создают генетическое разнообразие гамет.
- Неравномерное распределение цитоплазмы при овогенезе обеспечивает яйцеклетку запасами для первых этапов развития зародыша.
- Специализация сперматозоида делает возможными движение и доставку наследственного материала к яйцеклетке.
Не путайте: 1) после репликации число хромосом не удваивается; 2) после мейоза I хроматиды ещё соединены, поэтому ДНК в клетке больше, чем в зрелой гамете; 3) из одного овоцита образуются не четыре яйцеклетки, а одна функциональная яйцеклетка; 4) гамета — это зрелая половая клетка, а сперматоцит и овоцит являются промежуточными стадиями.
Сначала определите, какое деление произошло: мейоз I уменьшает число хромосом вдвое, мейоз II разделяет хроматиды. Затем отдельно посчитайте хромосомы и молекулы ДНК — это не одно и то же.
Проверь себя
Главное
- Гаметогенез включает размножение, рост, созревание и формирование половых клеток.
- Мейоз превращает диплоидную клетку \(2n\) в гаплоидные клетки \(n\).
- Сперматогенез даёт четыре функциональных сперматозоида из одной исходной клетки мейоза.
- Овогенез даёт одну крупную яйцеклетку и полярные тельца из-за неравномерного деления цитоплазмы.
- При решении задач отдельно учитывайте число хромосом и количество молекул ДНК.