Каждую минуту жизнь на земле процветает благодаря уникальному свойству организмов – размножаться.
Несмотря на многообразие процессов размножения, их можно свести к двум формам: бесполому и половому. Бесполый путь размножения характерен для организмов низшего порядка – одноклеточных растений, одноклеточных животных, вирусов. Некоторым живым организмам присущи как половое, так и бесполое способы размножения. Например, многие растения могут размножаться черенками (отводками), клубнями и в то же время семенами (половая форма).
Для человека характерен только половой способ размножения, при котором новый организм развивается из клетки, образующейся от слияния двух половых клеток – женской и мужской.
Основа размножения вида
В зарождении нового существа участвуют всего две половые клетки. Зато какие! Без них продолжение рода невозможно.
Они называются половыми клетками или гаметами (от греч. gametes – супруг). Гаметы человека – разной половой принадлежности. Женские половые гаметы образуются в яичниках, и их называют яйцеклетками. Мужские половые клетки образуются в семенниках и их называют сперматозоидами. Половые клетки появляются в организме задолго до наступления половой зрелости. Впервые они обнаруживаются у двухнедельного зародыша.
Особенностью является то, что половые клетки в зародыше формируются в процессе развития в одном месте, а половые железы – в другом. И перед половыми клетками стоит реальное испытание – добраться до половых желез и заселить их. Справиться с этой задачей им помогает специальное движение, которое присуще простейшим, например амебам. Перемещая ток цитоплазмы в одну сторону своей клетки, они образуют «ложные ножки» и таким образом двигаются. Тот же механизм передвижения и у половых клеток. Кроме того, попадая иногда в ток крови, половые клетки не теряются и «подъезжают» к яичникам – месту своего дальнейшего постоянного жительства.
Митоз и мейоз – в чем различие?
После того как половые клетки заселили гонаду (половую железу), их количество значительно возрастает за счет деления. На этом этапе они мало чем отличаются от обычных соматических (телесных) клеток и содержат одинаковый с ними набор хромосом – 46.
Хромосомы (хромо – цвет; soma – тело) – самовоспроизводящиеся структуры, постоянно присутствующие в ядрах живых клеток. Число, размеры и форма хромосом – кариотип – строго специфичны для каждого вида. Каждая хромосома состоит из пары хромонем. Хромонема – структурный элемент хромосомы в неделящихся клетке, находится в спиральном состоянии и представляет собой нуклеопротеидные (белковые) нити, содержащие дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).
Рис. 10. Строение метафазной хромосомы.
1. Центромера. 2. Молекула ДНК. 3. Две хромонемы.
В ДНК содержится вся информация о строении и развитии организма. Таким образом, роль хромосом очень важна. Они передают по наследству свойства организма. Кроме одинакового количества хромосом половые клетки имеют с соматическими (обычными, телесными клетками) и одинаковый тип деления. Это деление называется митозом.
Митоз – это равнонаследственное деление, когда из подобного получается подобное.
Перед каждым моментом деления количество молекул ДНК в пределах одной хромосомы удваивается. И далее получаются две клетки – материнская и дочерняя, полностью идентичные друг другу, с одинаковым двойным набором хромосом.
Рис. 11. Схема митоза.
Так делятся все соматические (телесные) клетки: клетки кожи, глаз, языка, печени и так далее.
Однако половые клетки – это особые, элитные клетки. Ведь именно они отвечают за воспроизводство вида и его чистоту. Эти клетки строго стоят на страже наследственности, знают, кто «свой», а кто «чужой». Не будь такой строгости, не было бы в природе красоты и гармонии. Например, посадили перед окном в саду розу. И опылялась бы эта роза любой пыльцой, и воспринимала бы ее как свою родную. Через год вместо куста роз выросло бы непонятное растение – то ли лютик в розе, то ли одуванчик в лютике.
Чтобы правильно работать и воспроизводить похожее на родителей потомство, половые клетки должны содержать половинный набор хромосом – 23. В противном случае после слияния гамет клетки имели бы не 46, а уже 92 и далее 184 хромосомы. Получается, что любой вид воспроизводил бы не самого себя, а каждый раз совершенно новое, не известное природе существо.
Природа создает красивые и гармоничные формы. И мы привыкли их видеть, ощущать, воспевать в песнях и стихах. Если это олень, то должна быть легкая, грациозная поступь, голова с умными, влажными глазами и красиво разветвленными рогами. Если это орел, то должно быть парение над миром, ощущение свободы и легкости. Если это люди, то должны быть ладные, стройные, с певучими, полетными звуками голоса, с излучающими любовь и доброту сердцами…
Поэтому мудрая природа придумала верный ход. Она создала специальный способ деления клеток – это мейоз (от греч. меiosis – уменьшение).
В результате мейоза диплоидный (двойной) набор хромосом становится гаплоидным (одиночным).
Другими словами, соматические (телесные) клетки имеют диплоидный набор хромосом – 46, яйцеклетка и сперматозоид – гаплоидный, 23 хромосомы. При оплодотворении две половые клетки сливаются и гармония восстанавливается – новая клетка имеет те же 46 хромосом, определяющих принадлежность вида.
Рис. 12. Схема мейоза
Итак, сущность митоза – появление идентичных клеток (материнской и дочерней) с набором хромосом – 46.
Сущность мейоза – только для половых клеток! – появление дочерних клеток с половинным набором хромосом – 23.
Есть еще одно различие.
Мейоз состоит из следующих друг за другом делений. Перед первым делением ДНК в составе хромосом удваивается. В результате первого деления число хромосом уменьшается до половинного, но каждая из них остается пока еще двойной. Чтобы получить половинное количество набора хромосом перед вторым делением, удвоения хромосом не происходит, и образуются дочерние клетки с половинным набором хромосом. Так формируются половые клетки. Дойдя до конца второй фазы деления, они больше не делятся – из одной диплоидной клетки, прошедшей мейоз, получаются четыре половинные.
Мейоз женских и мужских половых клеток (сходство и различия)
Процесс образования сперматозоидов отличен от образования яйцеклеток.
В сперматозоиде из одной диплоидной материнской клетки получаются четыре равноценные половинные, которые и сформируются в четыре сперматозоида (А).
Мейоз при образовании женских половых клеток – асимметричен (Б). Яйцеклеткой станет лишь одна клетка.
Остальные клетки называются полярными тельцами и в оплодотворении участия не принимают. Постепенно они подвергаются разрушению.
Кроме того, мейоз в сперматогенезе (у мужской особи) и мейоз в оогенезе (у женской особи) происходят в различные периоды индивидуального развития организмов.
Рис. 13 Схема мейоза в сперматогенезе (А) и оогенезе (Б). 1 – сперматозоиды, 2 – редукционные (полярные) тельца, 3 – яйцеклетка
В мужском организме первичные половые клетки (они еще не прошли стадию мейоза и содержат, как и соматические клетки, двойной набор хромосом – 46), оказавшись в половой железе, в скором времени (еще до рождения мальчика) прекращают делиться. Очень важно, что именно эти клетки с наступлением полового созревания образуют популяцию стволовых мужских половых клеток (помним, что пока они диплоидные). Это фонд, откуда постоянно, путем мейоза, образуются в течение жизни сперматозоиды. По мере расходования во время половых актов, стволовая популяция возобновляет их запас. За период половой активности мужчины у него формируются сотни миллиардов сперматозоидов.
Формирование женских половых клеток происходит иначе. Будущие яйцеклетки (диплоидные, двойные по хромосомному набору) заселяют половую железу и начинают активно делиться митозом. К пятому месяцу внутриутробного развития девочки их количество достигает 6–7 миллионов. На этом этапе клетки перестают размножаться и начинается их массовая гибель. В яичниках новорожденной девочки их остается только 1–2 миллиона, а к семилетнему возрасту – примерно 300 тысяч. Но и это еще не конец. Если считать, что при усредненном, 28-дневном месячном цикле развития яйцеклетки созревает только одна яйцеклетка (приблизительно 97–98 % случаев), то при простом подсчете становится понятным, что за всю жизнь образуются лишь 400–500 гамет (половых клеток). Причину столь массовой гибели яйцеклеток в оогенезе (в женском организме) и значение такого факта для особи ученые пока еще объяснить не могут.
Рассмотрим еще одно различие в формировании мужских и женских половых клеток.
Внимательно проследим за цепочкой превращений. В сперматогенезе половые клетки, заселившие железу, делятся путем митоза, а в процесс деления мейозом вступают лишь в период полового созревания. Затем этот процесс мейоза в течение десятков лет повторяется много раз.
Женские же гаметы вступают в мейоз еще во время эмбрионального развития и практически все одновременно. Однако, вступив в мейоз, они доходят только до половины I фазы деления и застывают. Весь процесс как бы замораживается на очень длительное время – от 12–13 лет до 45–50 лет! Лишь с приходом половой зрелости будет снят «запрет» с мейоза, и то лишь в один месяц для одной яйцеклетки, в другой месяц для другой и так далее.
Однако сюрпризы мейоза в оогенезе этим не ограничиваются.
Существует еще один блок – перед завершением второго деления. Как поцелуй принца вернул спящую красавицу к жизни, так снять второй блок деления половой клетки может лишь сперматозоид в результате процесса оплодотворения.
Из 400–500 яйцеклеток, заблокированных на I этапе деления, дойти до II этапа и завершить его могут лишь немногие – только после оплодотворения. От того, сколько яйцеклеток завершают оплодотворение, зависит количество детей в семье.
Это все видовые блоки, охрана видовой принадлежности и неповторимости. Итак, первично сперматозоиды проходят контроль на видовую принадлежность, проходя через шейку матки, контактируя с ее ферментами, вторично – яйцеклетка распознает «своего», родного по генетической структуре сперматозоида и пропускает внутрь своей цитоплазмы. После этого яйцеклетка быстро завершает процесс мейоза с отделением полярного тельца, и только тогда происходит оплодотворение, то есть слияние отцовской и материнской половых клеток.
Лишний раз остается удивляться мудрости матушки-природы! Только гармония, только видовая принадлежность, а в результате – красота и порядок!
Когда мальчик, а когда девочка?
У человека в диплоидной (двойной по количеству хромосом) клетке – 46 хромосом, или 23 пары. Хромосомы с первой по 22 пару (их называют еще соматическими хромосомами или аутосомами) по внешнему виду одинаковы в каждой паре. Хромосомы же 23-й пары (их еще называют половыми) одинаковы только у женщины, а у мужчин они различны. Эти хромосомы обозначаются латинскими буквами Х и Y. У женщины 23-я пара хромосом будет обозначаться как ХХ, а у мужчин – XY. При дальнейшем мейозе в гаплоидном (половинном) наборе яйцеклетки будут половые хромосомы Х и Х, а сперматозоиды будут содержать в своем половинном наборе в одних клетках – Х хромосомы, а в других – Y-хромосомы. Основная функция половых хромосом – это определение пола особи. Именно от сперматозоида будет зависеть пол ребенка. Отец ребенка определяет его пол.
Если яйцеклетку оплодотворит Х-спермий, то будет девочка: Х + Х → ХХ ♀, если Y-спермий, то мальчик: Х + Y → XY ♂.
Рис. 13. Девочка – мальчик
«Рыцарь» с острой шпагой
Образование и созревание сперматозоидов, мужских половых клеток, происходит в мужской половой железе – семеннике, в многочисленных канальцах. Процессы эти начинаются с периода полового созревания и продолжаются до глубокой старости.
Рис. 15. Сперматозоид человека.
А – вид спереди, Б – вид сбоку; 1 – головка, 2 – шейка, 3 – промежуточный отдел, 4 – хвостик
Половым клеткам отводится особая роль – это сохранение вида. Поэтому и отношение природы к ним иное: строение не такое, как у всех клеток, питание особое, особый механизм размножения и передвижения. В целом – элита!
Сперматозоид имеет головку, шейку, промежуточный отдел и хвостик.
Ядро со всем наследственным отцовским материалом, упакованным очень компактно, находится в головке. В головке сперматозоида очень мало цитоплазмы. На переднем конце головки располагается акросома. Акросома сперматозоида – это острая шпага. С помощью ферментов, которые содержатся в ней в большом количестве, сперматозоид проходит этапы узнавания, преодолевает защитные барьеры шейки матки и яйцеклетки и полноценно участвует в оплодотворении.
За головкой располагается небольшая шейка, а далее идет промежуточный отдел, содержащий митохондрии. Эти клеточные структуры обеспечивают клетки энергией. Сперматозоиду приходится передвигаться, да с какой конкурентной скоростью! Вот где используется белковая, мясная пища! Хорошо, что мужчины не страдают диетоманией. Организм хорошо ориентирован на состав продуктов, чтобы производить полноценные видовые клетки в миллионных количествах.
Созревшие сперматозоиды поступают в семявыводящие протоки, смешиваются с их секретом, секретом предстательной железы и секретом еще нескольких слизистых желез.
В семявыводящих протоках сперматозоиды живут тихо. Бурную активность и скорость передвижения они приобретают лишь после того, как попадают в половые пути женщины. Передвигается сперматозоид за счет биений хвоста, или жгутика. Скорость движения 2–3 миллиметра в минуту и за 2–3 часа они проходят расстояние 25–30 см. Эта величина превышает их собственные размеры приблизительно в 80 000 раз!
Способны к оплодотворению они в течение 3–4 суток, иногда до 6 после семяизвержения, сохраняясь в половых путях женщины. Дождавшись овуляции, сперматозоиды оплодотворяют яйцеклетку. К оплодотворению яйцеклетка способна только в течение суток (12–24 часа). После указанного времени яйцеклетка начинает стареть, оболочка ее утолщается, и попытка сперматозоидов проникнуть внутрь яйцеклетки успеха не имеет. Со временем сперматозоиды стареют и погибают.
Собственно сперматогенез (от стволовой клетки до сформировавшегося сперматозоида, поступившего в семявыводящие протоки) длится 72 дня. Поэтому важно помнить, что при планировании беременности необходимо выждать не менее 2,5 месяца после употребления сильнодействующих лекарственных препаратов (антибиотики, гормоны).
У мужчин гаметы постоянно находятся в разных стадиях развития, и способность к полноценному семяизвержению и оплодотворению возможна чаще, чем через 2,5 месяца.
«Принцесса» в лучистом венце
Женская половая клетка – яйцеклетка – образуется в женской половой железе – яичнике. Молодые яйцеклетки расположены в ткани яичника. Очень рано их начинают окружать фолликулярные, или вспомогательные клетки. Яйцеклетку вместе с фолликулярными клетками называют фолликулом (от лат. folliculus – мешочек). По мере созревания яйцеклетки фолликул увеличивается, внутри его образуется полость, заполненная жидкостью.
Фолликул с практически зрелой яйцеклеткой часто называют граафовым пузырьком – в честь голландского анатома XVII века Р. де Граафа, впервые описавшего это образование. В результате разрыва граафова пузырька происходит овуляция. Выход яйцеклетки при 28-дневном усредненном менструальном цикле происходит где-то на 10 – 14-й день. Яйцеклетка попадает в брюшную полость, а фолликул остается в яичнике и превращается во внутреннюю железу, желтое тело, называемое так за желтый пигмент, который накапливается в клетках.
Желтое тело продуцирует гормон второй фазы менструального цикла – прогестерон. Вышедшая из яичника яйцеклетка покрыта специальной блестящей оболочкой.
Блестящая оболочка играет очень важную роль в процессе оплодотворения. Ее функция – распознать «свой» – «чужой» сперматозоид и сохранить чистоту вида. Кроме того, пропустив один сперматозоид в покои яйцеклетки, блестящая оболочка препятствует проникновению других конкурентов на оплодотворение…
Этим исключается возникновение плодов с дополнительным набором хромосом, которые ведут к уродству и патологическим комбинациям, несовместимыми с жизнью.
Рис. 16. Яйцеклетка вскоре после овуляции.
1 – блестящая оболочка, 2 – лучистый венец, образованный фолликулярными клетками
После оплодотворения блестящая оболочка, как строгая воспитательница, упорядочивает дробление клеток раннего зародыша – бластомеров.
Только что овулировавшая яйцеклетка окружена фолликулярными клетками и желатинообразной массой (лучистым венцом), вышедшими вместе с ней из граафова пузырька. Это тоже природное приспособление, обеспечивающее целесообразность: бахромкам воронки маточной трубы удобнее захватить большой конгломерат клеток, чем одну яйцеклетку.
Яйцеклетка полностью освобождается от «сопровождения» (фолликулярных клеток и желатинообразной субстанции) только в маточной трубе под воздействием фермента гиалуронидазы, выделяемого сперматозоидами.
Таинство оплодотворения
Явление очень трогательное и волнующее – зарождение новой жизни! Ученых этот вопрос интересовал всегда. Первым, кому удалось описать сам процесс оплодотворения, был швейцарский ученый Г. Фоль, живший в последней четверти XIX века. Объектами его исследования были морские звезды, у которых оплодотворение идет в наружной среде. Открытие Г. Фоля побудило других ученых заняться изучением механизма оплодотворения, в том числе и у человека.
Как же происходит оплодотворение у человека?
Сперма мужчины (клетки и жидкие компоненты) имеет слабощелочную реакцию, поскольку сперматозоиды способны двигаться только в такой среде. В верхней же трети влагалища, куда попадают сперматозоиды во время полового акта, имеется слабокислая среда. Однако семенная жидкость, в состав которой входят секреты нескольких желез, изменяют кислотность среды женщины до нужной величины. Поток сперматозоидов (а за один раз их выбрасывается до 200–300 миллионов) устремляется к шейке матки.
В период овуляции слизь, вырабатываемая железами шейки матки, из плотной и вязкой становится жидкой и прозрачной, напоминающей сырой куриный белок. Если же во время полового акта произошел оргазм, то сама слизистая пробка шейки матки, как щупальца осьминога, выбрасывается вперед, захватывает большое количество сперматозоидов и втягивает их в шейку матки.
Выброс сперматозоидов идет миллионами, а достигают яйцеклетки только сотни. Проникает в яйцеклетку и вовсе один, но самый лучший. Все зависит от скорости продвижения сперматозоидов, от их энергетического потенциала (клетки-митохондрии, расположенные в промежуточном отделе спермия, отвечают за выработку энергии).
Очень важный процесс происходит со сперматозоидом во время его продвижения в шейке матки и по маточной трубе. Этот процесс называется капацитацией (от лат. capacitas – способность) – приобретение сперматозоидом способности к оплодотворению.
Механизм капацитации очень сложен. Это комплекс последовательных биохимических изменений на мембране и в цитоплазме сперматозоида, приводящий к активации акросомальной реакции и способствующей приобретению сперматозоидом сверхактивной подвижности. В результате активации акросомальной реакции повышается способность сперматозоида проникать через ткани (в нашем случае через оболочку яйцеклетки). Кроме того, с поверхности сперматозоида удаляются особые вещества, препятствующие оплодотворению.
Сперматозоиды, проходя через слизистую ферментную систему шейки матки, отмываются от семенной жидкости, удаляется фактор преждевременной капацитации, и чистенький, готовенький сперматозоид держит путь через матку, маточную трубу к ее верхней трети, где и происходит оплодотворение.
Капацитация произошла, сперматозоиды достигли верхней трети трубы и ждут, когда произойдет процесс активации, то есть усилится акросомная реакция. Акросома представляет собой богатый ферментами органоид. Располагается акросома на переднем конце сперматозоида, непосредственно под мембраной.
Сперматозоид прикрепляется к блестящей оболочке яйцеклетки и начинает выделять акросомные ферменты. Они разрушают оболочку яйцеклетки, и мужская гамета получает возможность войти и добраться до плазматической мембраны яйцеклетки. Затем происходит собственно оплодотворение: мембрана сперматозоида сливается с мембраной яйцеклетки и отцовский генетический материал проникает в яйцеклетку.
Вот и все. Конец таинства…
Надо заметить, что сперматозоид, прикрепившийся к мембране яйцеклетки, пусть даже он будет самым сильным и быстрым, один ничего не сможет сделать. Яйцеклетка перед оплодотворением похожа на конфету «Рафаэлло». Яйцеклетка вся усеяна сперматозоидами. И только их совместными усилиями преодолевается ферментный барьер оболочки яйцеклетки и одному, действительно самому быстрому и сильному сперматозоиду удается проникнуть в спальню принцессы.
Как только мембрана счастливого сперматозоида начинает сливаться с мембраной яйцеклетки, их свойства тут же начинают меняться. Мембрана яйцеклетки становится невосприимчивой к другим сперматозоидам. Кроме того, она вырабатывает специальные ферменты, которые отделяют прикрепившиеся к ней до этого другие сперматозоиды.
Природа совершенна, только человек старается ее перехитрить, и сам же от этого страдает. Разные диеты, приводящие тело к истощению, большие физические нагрузки, эмоциональные всплески, которые испытывают современные бизнес-леди, гормональные дисфункции, воспалительные заболевания могут привести к сбою природных механизмов. И тогда возможно проникновение в яйцеклетку добавочных спермиев. В случае полиспермии оказывается резко измененным видовое количество хромосом, и зародыш погибает на самых ранних этапах развития. Даже одна лишняя хромосома приводит к тяжелым последствиям. Так, добавочная 21-я хромосома вызывает синдром Дауна (врожденное слабоумие).
Путешествие яйцеклетки
Оплодотворение происходит в верхней трети маточной трубы. В результате образуется зигота, которая в течение 2–3 суток продвигается по маточной трубе в сторону матки. Дойдя до матки, зародышевая клетка еще некоторое время, приблизительно 1,5–2 дня, перемещается по матке, ища место для имплантации, то есть прикрепления к стенке матки.
Вот зародышевая клетка вошла в матку женщины, у которой не было еще беременностей. Матка – как светлая комната: места много, кругом чисто и уютно. Хочешь, у окошечка садись, хочешь – на диване поваляйся. Красота!
Вот матка женщины, у которой уже были роды. Зародышевая клетка в первую очередь спешит к месту бывшей имплантации и спрашивает с замиранием сердца: «Как тут, все хорошо?» – «Да, классно! Здесь прекрасная мама, только иногда сердится и воспитывает, и папа – хороший, часто в цирк водит. Прикрепляйся рядом! Ах, и наговоримся же за долгих девять месяцев!»
Вот матка женщины, у которой были аборты. Тихо-тихо, на цыпочках зародышевая клетка обходит комнату. Разве это комната? Тюрьма какая-то. Стены серые и шероховатые, старая грязная паутина лохмотьями заполнила углы комнаты. Воздух затхлый, нет свежести и движения. Это что? Надписи! Как их много! Почитаем: «Здесь был Вася», «Здесь была Маша», «Здесь был Коля». «Что это? Это же записки детей! О, сколько имен и нераскрытых судеб! Что же мне делать, куда бы пристроиться? Может, вообще лучше уйти? Где-то должен быть выход», – испуганно мечется по матке яйцеклетка и имплантируется, бедненькая, где-нибудь в самом низу. Что же произошло? Почему матка оказалась «говорящей»?
Оплодотворенная яйцеклетка, попав в матку, имплантировалась (прикрепилась) к одной из стенок, устроилась поудобнее и начала расти, заявляя маме о своем присутствии в виде задержки менструаций, появления недомогания, сонливости, тошноты. И вдруг решение мамы – аборт! Принятие такого стрессового для организма решения, период подготовки к операции, волнения, сомнения, изменяют биохимический состав крови. Это чувствует яйцеклетка и тоже начинает волноваться. Речь идет о ее жизни! А когда в ее храм начинают врываться железные инструменты, страшно чавкая и разрушая все вокруг, яйцеклетка понимает, что минуты ее жизни сочтены. Из последних сил она оставляет «запись» (имеется в виду «запись» на тонком, энергетическом уровне) на стенке матки. Новая яйцеклетка, попадая в матку, плавает от стенки к стенке, считывает эту информацию и в конце концов прикрепляется где-нибудь внизу, ближе к выходу, чтобы в случае чего выход был близко. Добавим сюда еще и неполноценный гормональный фон, и хроническое воспаление – и получаем такие патологии беременности, как предлежание плаценты (полное или частичное перекрытие внутреннего зева шейки матки растущей плацентой) и низкую плацентацию, которые сопровождаются угрозами прерывания беременности, кровянистыми выделениями, недостаточным питанием плода и задержкой его роста. В таких ситуациях женщине для сохранения беременности приходится назначать дополнительные лекарственные и нередко гормональные препараты. Как правило, при предлежании плаценты роды заканчиваются путем операции кесарева сечения, что является прямой угрозой жизни женщины и ее ребенка.
После того как зародышевая клетка после длительного путешествия найдет себе место для прикрепления, менее чем за двое суток полумиллиметровый зародыш погружается целиком в стенку матки. Вот и все. Теперь можно развиваться и расти. Начиная с третьего месяца беременности (с 12 недель) вплоть до родов зародыш называют плодом.