Оплодотворение

Оплодотворение представляет собой объединение генетического материала отцовского происхождения, содержащегося в ядре сперматозоида, с генетическим материалом материнского происхождения, содержащегося в ядре яйцеклетки, с дальнейшим формированием первичного ядра эмбриона.

Во всех организмах сущность оплодотворения, по сути, это слияние наследственного материала из двух разных половых клеток или гамет, каждая из которых несет половину числа хромосом типичных для данного вида. Наиболее примитивная форма оплодотворения, обнаруженная в микроорганизмах и простейших, состоит из обмена генетическим материалом между двумя клетками.

Первым важным событием в оплодотворении является слияние мембран двух гамет и в результате формирования канала, что позволяет генетическому материалу мигрировать из одной клетки в другую. У развитых растений механизм оплодотворения представляет собой опыление, в результате которого пыльца переносится на рыльце пестика, образуемая вегетативная клетка достигает завязи, где далее подвергается развитию. У развитых животных оплодотворение обычно сопровождается проникновением единственного сперматозоида в яйцеклетку. Результатом оплодотворения является клетка (зигота), способная к делению и образованию новых клеток для формирования эмбриона и тела человека в последующем.

Слияния двух гамет инициирует некоторые процессы в яйцеклетке. Одним из них является изменение мембраны яйцеклетки. Мембрана становится непроницаемой с тем, чтобы в яйцеклетку могло проникнуть не более одного сперматозоида. У видов, где в яйцеклетку попадет более одного сперматозоида (полиспермия), фактически ядро только одного сперматозоида сливается с ядром яйцеклетки. Важным процессом после оплодотворения яйцеклетки является активация яйцеклетки, которая запускает механизм дальнейшего деления клеток. Активация, однако, не всегда требует пенетрации сперматозоида. Например, в процессе партеногенеза, при котором оплодотворения не происходит, активация яйца достигается при воздействии некоторых физических и химических агентов. Путем партеногенеза размножаются беспозвоночные, такие как тля, пчелы, и др.

Гаметы

Гаметы – уникальные вид клеток, отличные от всех других видов клеток человеческого организма. В норме, каждая клетка человеческого тела содержит двадцать три пары хромосом (общим количеством 46 хромосом). Зрелые яйцеклетки и сперматозоиды содержат только одну копию каждой хромосомы (общим количеством 23 хромосомы). Во время оплодотворения происходит слияние двух гамет, при этом образуется зигота с набором из 46 хромосом, необходимых для развития эмбрион. Таким образом, плод получает по половине генетического материала от каждого родителя, что делает будущий организм уникальным. Процесс, при котором генетический материал сокращается в два раза, носит название мейоз.

Овуляция и эякуляция

Сперматозоиды и яйцеклетки отличаются не только от других клеток, но они также отличаются и друг от друга. При рождении женщины в ее организме уже содержатся все яйцеклетки, которые постепенно будут созревать в течение ее жизни. При рождении, хромосомы этих яйцеклеток находятся в фазе начинающегося мейоза (мейоза I) и будут оставаться неактивными до начала менструального цикла в период полового созревания. На 13-14 день менструального цикла специфические гормоны инициируют продолжение мейоза в одной яйцеклетке каждый месяц.

В период овуляции яйцеклетка, заключенная в двойную, защищающую ее оболочку, мигрирует из яичника. Наружный слой, яйценосный холмик, cumulus oophorus, состоит из клеток, называемых кучевыми клетками, и внутренний слой, блестящая оболочка (zona pellucida), состоит из студенистого материала, в состав которого входит белок и сахар. После выхода из яичника, яйцеклетка проделывает путь в полости маточной трубы (фаллопиевой трубе). В фаллопиевых трубах яйцеклетка доступна к оплодотворению лишь около нескольких дней (3-4 дня), поэтому сперматозоид должен достичь яйцеклетки в этот период, или в противном случае оплодотворение яйцеклетки не произойдет.

При половом акте во время семяизвержения миллионы сперматозоидов попадают во влагалище. Далее через шейку матки и полость матки сперматозоиды (но уже значительно меньшая их часть, остальные погибают уже во влагалище) попадают в фаллопиевые трубы. Сперматозоиды могут жить в полости матки в течение трех дней. Каждый сперматозоид состоит из трех частей: головка, шейка и хвостик. Каждая из этих частей выполняет определенные функции. Головка сперматозоида включает ядро (содержащее гаплоидной набор хромосом), акросому (несущая литические ферменты, необходимые для растворения оболочки яйцеклетки), и внешнюю мембрану. В шейке содержится митохондрии, которые обеспечивают выработку энергии. Хвостик, выполняя циркулярные вращения, обеспечивает движение сперматозоида вперед.

Учитывая повреждения сперматозоидов на пути к яйцеклетке, а также то, что во влагалище присутствует агрессивная кислая среда, это является губительным для большинства сперматозоидов. В итоге, меньше одного процента сперматозоидов, попавших с эякулятом во влагалище, смогут достичь яйцеклетки. Существуют ситуации, когда проход сперматозоидов в матку заблокирован избытком слизи, покрывающей шейку матки, или же маточная труба не содержит яйцеклетки.

Для того чтобы сперматозоид смог оплодотворить яйцеклетку, он должен пройти процесс капацитации. Капацитация заключается в удалении из апикального тельца сперматозоида гликопротеиновой оболочки с тем, чтобы сперматозоид смог мигрировать сквозь “блестящую оболочку” (zona pellucida). Достигнув поверхности “блестящей оболочки”, сперматозоид выделяет ряд ферментов, которые растворяют “блестящую оболочку”. Как только головка сперматозоида проходит “блестящую оболочку”, она отрывается от остальной части сперматозоида и попадает в ядро яйцеклетки.

Очень важно, чтобы только один сперматозоид смог попасть в яйцеклетку. В случае если в яйцеклетку попадает более одного сперматозоида, такое состояние носит название полиспермия, и это губительно для зародыша. В редких случаях при полиспермии происходит выкидыш. В норме при прохождении сперматозоидом zona pellucida яйцеклетка выделяет ряд веществ, которые меняют свойства оболочки, таким образом, что она перестает быть проницаемой для других сперматозоидов.

После попадания сперматозоида в яйцеклетку происходит завершающее мейотическое деление. После чего хромосомы сперматозоида и яйцеклетки объединяются в одном ядре. Такая клетка становится зиготой, и это первая клетка нового человеческого организма.

Вариации оплодотворения

В некоторых случаях в яичниках созревает более одной яйцеклетки одновременно. Каждая яйцеклетка при этом способна быть оплодотворенной. В результате наступает многоплодная беременность. Учитывая, что плоды развиваются из разных сперматозоидов и яйцеклетки, они будут не похожи друг на друга фенотипически (внешне) и могут быть разных полов. Дети, рожденные при таком оплодотворении, будут называться двойняшками. В редких случаях, клетки одного и того же эмбриона разделяются и дают начало двум или более эмбрионам. Генетически такие эмбрионы будут идентичны, а значит и фенотипически при рождении они будут похожи. Дети, рожденные при таком варианте оплодотворения, называются близнецами.

Механизмы оплодотворения отличаются у различных животных. Оплодотворение не всегда происходят в организме животного. Так, например, морские ежи, прикрепленные к камням на дне океана, выделяют яйцеклетки и сперматозоидов прямо в воду. При таком механизме оплодотворения необходимо большое количество половых клеток (миллионы яйцеклеток и миллиарды сперматозоидов) для достаточного обеспечения продолжения рода. Многие другие животные океана также выделяют яйцеклетки и сперматозоидов непосредственно в воду. Однако, удивительно то, что яйцеклетка может быть оплодотворена только спермой одного и того же вида. Данное явление обеспечивается уникальным набором белков на поверхности яйцеклеток и сперматозоидов. Схожий механизм наблюдается и у половых клеток человека.

Сегодня наука и технологии шагнули далеко вперед. И яйцеклетка может быть оплодотворена вне маточных труб. Так при искусственном оплодотворении выполняется забор яйцеклеток у матери и сперматозоидов у отца будущего ребенка. Затем на чашке Петри в специальной среде выполняется инъекция яйцеклетки и ввод генетического материала сперматозоида в ее полость. Данная процедура выполняется под микроскопом. Оплодотворенная яйцеклетка помещается в матку, где продолжает свое развитие. Известно, что при таком виде оплодотворения чаще всего многоплодная беременность.