В природе встречаются два типа размножения живых организмов — бесполое и половое.
Бесполое размножение характеризуется тем, что дочерние клетки по содержанию наследственной информации, морфологическим, анатомическим и физиологическим особенностям полностью идентичны родительским (см. разделы «Ботаника» и «Зоология»).
Половое размножение характеризуется обменом генетической информации между женскими и мужскими особями. Такой обмен осуществляется несколькими способами:
- образованием цитоплазматических мостиков, по которым мужская хромосома передвигается в женскую клетку (характерно для прокариотов);
- конъюгацией — временным соединением и обменом участками хромосом (встречается у вирусов, бактерий, инфузорий и др.);
- образованием особых гаплоидных половых клеток — гамет (характерно для большинства эукариотов). У разных видов животных и растений половые клетки имеют различные размеры, форму, строение и развитие.
Развитие половых клеток и оплодотворение у животных. Яйцеклетки (женские половые клетки) у животных неподвижны, имеют округлую форму, покрыты двумя оболочками — желточной и белковой и содержат запасные питательные вещества, необходимые для развития зародыша. Сперматозоиды (мужские половые клетки) значительно меньше яйцеклеток, они подвижны, имеют форму длинной нити, состоящей из головки, шейки и хвостика. Головка несколько расширена, в ней расположено ядро, передний конец ее заострен.
В шейке находится центриоль, а хвостик по строению напоминает жгутик и является органоидом движения. Развиваются половые клетки в половых железах — яичниках и семенниках. В них различают 3 зоны:
- в зоне размножения первичные клетки многократно делятся путем митоза;
- в зоне роста исходные клетки усиленно растут, особенно при образовании яйцеклеток;
- в зоне созревания происходит два своеобразных деления, в результате которых в семенниках образуются четыре равные по размеру гаплоидные (n) клетки, каждая из которых превращается в сперматозоид, а в яичниках образуются также четыре гаплоидные клетки, из которых только одна, крупная, превращается в яйцеклетку а три мелкие (направительные тельца) гибнут.
Мейоз — это деление в зоне созревания половых клеток, сопровождающееся уменьшением числа хромосом вдвое (цв. табл. XIII). Он состоит из двух специфических, последовательно идущих делений, имеющих те же фазы, что и митоз. Однако, как показано в таблице, продолжительность отдельных фаз и происходящие в них процессы значительно отличаются от митоза.
Эти отличия в основном состоят в следующем. В мейозе профаза I более продолжительна. В ней происходит конъюгация гомологичных хромосом и обмен генетической информацией. В анафазе I центромеры, скрепляющие хроматиды, не делятся, а к полюсам отходит одна из гомологичных хромосом. Интерфаза перед вторым делением очень короткая, в ней ДНК не синтезируется. Клетки (гаметы), образующиеся в результате двух мейотических делений, содержат гаплоидный (одинарный) набор хромосом.
|
Фаза |
Митоз |
Мейоз |
|
|
I деление |
II. деление |
||
|
Интерфаза |
Набор хромосом (2 n). идет интенсивный синтез белков, АТФ и других органических веществ. Удваиваются хромосомы, каждая оказывается состоящей из двух сестринских хроматид, скрепленных общей центромерой |
Набор хромосом 2 n. Наблюдаются те же процессы, что и в митозе; но более продолжительна, особенно при образовании яйцеклеток |
Набор хромосом гаплоидный (n). Синтез органических веществ отсутствует |
|
Профаза |
Не продолжительна, происходит спирализация хромосом, исчезают ядерная оболочка, ядрышко, образуется веретено деления |
Более длительна. В начале фазы те же процессы, что в митозе. Кроме того, происходит конъюгация хромосом, при которой гомологичные хромосомы сближаются по всей длине и скручиваются. При этом может происходить обмен генетической информацией (перекрест хромосом). Затем хромосомы расходятся |
Короткая, те же процессы, что в митозе, но при n хромосом |
|
Метафаза |
Происходит дальнейшая спирализация хромосом, их центромеры располагаются по экватору |
Происходят процессы, аналогичные тем, что в митозе |
Происходит то же, что в митозе, но при n хромосом |
|
Анафаза |
Центромеры, скреплявшие сестринские хроматиды, делятся; каждая из них становится новой хромосомой и отходит к противоположным полюсам |
Центромеры не делятся. К противоположным полюсам отходит одна из гомологичных хромосом, состоящая из двух хроматид, скрепленных общей центромерой |
Происходит тоже, что в митозе, но при n хромосом |
|
Телофаза |
Делится цитоплазма, образуются 2 дочерние клетки, каждая с диплоидным набором хромосом. Исчезает веретено деления, формируются ядрышки |
Длится недолго. Гомологичные хромосомы попадают в разные клетки с гаплоидным набором. Цитоплазма делится не всегда |
Делится цитоплазма. После двух мейотических делений образуются 4 клетки с гаплоидным набором хромосом |
Оплодотворение представляет собой процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида, при котором восстанавливается диплоидный набор хромосом. Оплодотворенная яйцеклетка называется зиготой.
Развитие половых клеток и оплодотворение у цветковых растений происходит в цветке. Мужские половые клетки созревают в пыльнике. В нем содержится множество диплоидных клеток, каждая из которых делится путем мейоза и образует 4 гаплоидных пыльцевых зерна. Каждое пыльцевое зерно делится путем митоза и образует 2 клетки — вегетативную и генеративную. Генеративная клетка еще раз делится путем митоза и образует 2 сперматозоида. Таким образом, созревшее пыльцевое зерно содержит три клетки — 1 вегетативную и 2 сперматозоида.
Женские половые клетки развиваются в семяпочке. Одна из ее клеток делится путем Мейоза и образует 4 гаплоидные клетки. Из них одна еще трижды делится путем митоза и образует 8 гаплоидных ядер зародышевого мешка, в котором 4 ядра располагаются на одном конце, а 4 — на другом. Затем от каждого конца в центр зародышевого мешка мигрирует по одному ядру; сливаясь, они образуют диплоидное ядро зародышевого мешка. Одна из 3 гаплоидных клеток, расположенных у пыльцевхода, является яйцеклеткой.
При оплодотворении пыльцевое зерно, попав на рыльце пестика, прорастает за счет своей вегетативной клетки, образуя пыльцевую трубку. В ней находятся 2 сперматозоида. Проникая в зародышевый мешок через пыльцевход, один сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, а второй — диплоидное ядро зародышевого мешка. Этот процесс получил название двойного оплодотворения. Его открыл русский ботаник Сергей Гаврилович Навашин в 1898 г. В дальнейшем из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш, а из триплоидного ядра — питательная ткань — эндосперм.