Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 30. Статеві клітини і життєві цикли

Статеві клітини мають гаплоїдний набір хромосом

Як ми з’ясували в попередньому параграфі, необхідною умовою здійснення статевого розмноження в багатьох еукаріотичних організмів є мейоз. Він здебільшого веде до утворення гаплоїдних клітин. Ці клітини можуть потім зливатися одна з одною в процесі запліднення. Багато одноклітинних організмів (наприклад, хламідомонада) більшу частину свого життєвого циклу існують у вигляді таких гаплоїдних клітин. Вони розмножуються шляхом мітозу з утворенням ідентичних гаплоїдних клітин (набір хромосом у процесі мітозу не змінюється: у результаті мітозу гаплоїдної клітини утворюються дві ідентичні гаплоїдні клітини), але за потреби можуть зливатись одна з одною з утворенням диплоїдної клітини, що вступає в мейоз і завершує цикл (рис. 30.1).

До розгляду життєвих циклів різних живих організмів ми ще повернемося наприкінці параграфа. А зараз зосередимо нашу увагу на життєвому циклі людини. Людина, як і більшість ссавців, розмножується переважно статевим шляхом1. Усі клітини нашого тіла ди- чи поліплоїдні й утворюються в результаті мітотичних поділів. У процесі мейозу в людини утворюються особливі гаплоїдні клітини, призначені лише для здійснення процесу запліднення. Їх називають статевими клітинами, або гаметами. У людини два типи гамет: рухливі чоловічі — сперматозоїди та нерухливі жіночі — яйцеклітини. Будову яйцеклітини та сперматозоїда зображено на рисунку 30.2.

Статеві клітини людини спеціалізовані для виконання своїх функцій. У сперматозоїді практично немає цитоплазми — увесь корисний об’єм займає ядро, що розташоване в голівці. Інша частина клітини слугує для руху: це джгутик — двигун, що несе сперматозоїд назустріч яйцеклітині, і проміжна частина, що містить величезну спіральну мітохондрію, яка виробляє АТФ для забезпечення джгутика енергією. У передній частині голівки сперматозоїда міститься акросома. Це видозмінений комплекс Гольджі, що містить ферменти, потрібні для розщеплення радіальної корони яйцеклітини перед заплідненням. А яйцеклітина, навпаки, нерухлива й містить багато цитоплазми, яку буде використано для побудови перших клітин майбутнього ембріона. Дозріла яйцеклітина оточена супутніми клітинами — фолікулярними клітинами, які обслуговують її. Фолікулярні клітини утворюють довкола яйцеклітини шар, що має красиву назву — радіальна корона.

Рис. 30.1. Мітоз, мейоз і запліднення в життєвому циклі хламідомонади

1. Гаплоїдні клітини живуть і розмножуються шляхом мітозу. 2. Несприятливий фактор довкілля стимулює утворення гамет. 3. Гамети протилежної «статі» зливаються. 4. Утворюється диплоїдна зигота з міцною оболонкою. 5. Зигота ділиться шляхом мейозу, утворюючи чотири гаплоїдні зооспори.

1 Формування однояйцевих близнюків можна розглядати як нестатеве розмноження ембріона на ранніх стадіях розвитку. У людини це доволі рідкісне явище, але в деяких тварин, наприклад у дев’ятисмугого броненосця, відбувається регулярно.

Рис. 30.2. Будова гамет

А. Сперматозоїд. Б. Яйцеклітина. 1. Голівка. 2. Шийка. 3. Мітохондріом. 4. Ядро. 5. Акросома. 6. Хвіст (Джгутик). 7. Радіальна корона. 8. Цитоплазма.

У людини перебіг процесів утворення сперматозоїдів і яйцеклітин має низку відмінностей (рис. 30.3). Під час формування сперматозоїдів усі чотири гаплоїдні клітини, що утворилися в результаті мейозу, стають сперматозоїдами. Під час формування яйцеклітини лише одна клітина стає яйцеклітиною, а решта — полярними тільцями, що в заплідненні участі не беруть. У чоловіка утворення сперматозоїдів і мейоз починаються в процесі статевого дозрівання, а потім відбувається постійно. У жінок усе дещо складніше. Річ у тім, що мейоз у жінок починається ще на ембріональних стадіях розвитку, але потім «завмирає» в профазі мейозу І. Періодично в статевозрілої жінки мейоз «розморожується» й веде до утворення яйцеклітини та трьох полярних тілець.

Рис. 30.3. Формування сперматозоїдів і яйцеклітини в результаті мейозу в людини

1. Сперматоцит. 2. Сперматиди. 3. Сперматозоїди. 4. Ооцит. 5. Полярні тільця. 6. Яйцеклітина.

Рис. 30.4. Різноманіття статевих клітин

А. Сперматозоїд рака. У сперматозоїда рака джгутика нема, проте він рухливий і має вінець із ниток, завдяки яким пересувається й шукає яйцеклітину. Б. Сперматозоїд щура. У багатьох гризунів голівка сперматозоїда вигнута у вигляді гачка. Такі сперматозоїди здатні зчіплятися один з одним та плисти разом. Це збільшує їхню швидкість і шанси дістатися яйцеклітини. В. Сперматозоїд гінкго. Сперматозоїд голонасінної рослини гінкго має кілька тисяч джгутиків, розташованих по спіралі. На відміну від нього, чоловічі гамети квіткових рослин позбавлені джгутиків чи інших рухомих структур. Г. Муха дрозофіла має найдовші сперматозоїди в природі — за довжини тіла, трохи більшої за 5 мм, довжина хвоста сперматозоїда становить майже 6 см! Вважають, що такий довгий хвіст заважає сперматозоїдам інших самців запліднити яйцеклітину: після парування самця та самиці сперматозоїди своїми хвостами просто перекривають доступ новим сперматозоїдам до яйцеклітин. Д. Яйце африканського страуса. Жовток пташиного яйця — це і є яйцеклітина. Либонь, це одна з найбільших яйцеклітин у світі.

Будова статевих клітин організмів дуже різна

Будова статевих клітин, особливо сперматозоїдів, дуже різноманітна в живих організмів. Наведемо лише кілька яскравих прикладів, що демонструють, наскільки дивовижну будову можуть мати клітини, що беруть участь у статевому розмноженні (рис. 30.4).

Запліднення потрібне для відновлення диплоїдного набору хромосом

Розглянемо процес злиття яйцеклітини й сперматозоїда в людини, який називають заплідненням. У процесі запліднення сперматозоїд підпливає до яйцеклітини, прикріплюється до її поверхні, завдяки чому відбувається злиття плазматичних мембран. Ядро сперматозоїда опиняється всередині цитоплазми яйцеклітини. Джгутик і мітохондрія при цьому відпадають (саме тому всі наші мітохондрії дісталися нам від матері, а не від батька). Після цього відбувається об’єднання хромосомних наборів сперматозоїда та яйцеклітини. Це супроводжується відновленням диплоїдного набору хромосом. Отриману клітину називають зиготою. Це перша клітина багатоклітинного організму, з якої шляхом мітотичних поділів утворюються решта клітин організму. Усі вони будуть генетично ідентичні одна одній та зиготі. Докладніше вивчити, як відбувається процес запліднення в людини, ви можете, переглянувши відео за посиланням.

Мейоз і запліднення відбуваються в різних організмів на різних етапах життєвого циклу

Як ми вже неодноразово згадували, для здійснення статевого розмноження більшості еукаріотів потрібне проходження двох процесів — мейозу та запліднення. Однак ці процеси можуть відбуватися на різних етапах життєвого циклу організмів. Про життєвий цикл людини й хламідомонади вже йшлося раніше. А зараз розглянемо ці та деякі інші життєві цикли докладніше.

Клітини людини більшу частину життєвого циклу мають диплоїдний набір хромосом (рис. 30.5, А). Ди- чи поліплоїдні клітини тіла утворюються в результаті мітозу. У ході мейозу утворюються спеціалізовані статеві клітини — сперматозоїди та яйцеклітини.

Рис. 30.5. Різноманіття життєвих циклів організмів зі статевим розмноженням

А. Людина. Б. Спірогіра. В. Папороть.

Ці клітини гаплоїдні, вони не діляться й слугують лише для запліднення. У результаті запліднення утворюється диплоїдна зигота, із якої розвивається весь багатоклітинний організм. Такий життєвий цикл властивий тваринам.

У нитчастої водорості спірогіри (її ви можете регулярно бачити в прісних водоймах, вона утворює тонкі зелені нитки, що нагадують волосся) клітини більшу частину життєвого циклу мають гаплоїдний набір хромосом (рис. 30.5, Б). Саме з гаплоїдних клітин побудовано її нитки. Ці гаплоїдні клітини діляться мітозом, утворюючи собі подібних. У спірогіри немає спеціалізованих статевих клітин, проте клітини сусідніх ниток можуть зливатися одна з одною. Такий процес має назву кон’югація й, по суті, є заплідненням. Після кон’югації утворюється диплоїдна зигота, яка ділиться мейозом з утворенням чотирьох гаплоїдних клітин. Ці гаплоїдні клітини ділитимуться мітозом, утворюючи нові нитки спірогіри.

Чи не найскладніші життєві цикли у вищих рослин. Розглянемо життєвий цикл папороті (рис. 30.5, В). Власне, зелена рослина, яку ми можемо спостерігати в лісі, диплоїдна. Але на нижньому боці листя папороті відбувається процес мейозу, що веде до утворення гаплоїдних спор. Ці спори розносяться вітром. Якщо спора потрапляє у вологий ґрунт, то вона береться до мітотичних поділів. У результаті цих поділів формується багатоклітинна пластинка — заросток. Усі клітини заростка гаплоїдні. Заросток здатний утворювати спеціалізовані гамети, але робить він це шляхом мітозу, а не мейозу. У результаті злиття гамет утворюється диплоїдна зигота, із якої розів’ється відома нам рослина. Таким чином, у життєвому циклі папороті відбувається чергування двох багатоклітинних поколінь: диплоїдного, що утворює спори шляхом мейозу, і гаплоїдного, що утворює гамети шляхом мітозу. Такий життєвий цикл характерний для вищих рослин, тільки співвідношення фаз життєвого циклу сильно варіюється.

У багатьох організмів розвиток від моменту виникнення (при заплідненні чи при відокремленні від батьківського організму) до закінчення існування включає два етапи: ембріональний і постембріональний. На першому з них відбувається розвиток від зиготи до народження (вилуплення, проростання), а на другому — власне існування та розмноження.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Якщо клітина хлібопекарських дріжджів ділиться мейозом, то це означає, що

  • А вона мала диплоїдний набір хромосом
  • Б вона мала гаплоїдний набір хромосом
  • В утвориться зигота
  • Г вона брунькуватиметься
  • Д вона незабаром загине

2. Мейоз для утворення сперматозоїдів у людини відбувається, починаючи з періоду

  • А ембріонального розвитку
  • Б ембріонального розвитку, а потім періодично припиняється
  • В статевого дозрівання
  • Г статевого дозрівання, а потім періодично припиняється
  • Д постембріонального розвитку

3. Для утворення зиготи в людини необхідним є

  • А проникнення ядра яйцеклітини до сперматозоїда
  • Б мітотичний поділ сперматозоїдів
  • В злиття плазматичних мембран гамет
  • Г проникнення джгутика сперматозоїда в яйцеклітину
  • Д злиття двох ядер сперматозоїдів з одним ядром яйцеклітини

4. У папоротей гаплоїдною клітиною є

  • А клітина стебла зеленої рослини
  • Б спора
  • В зигота
  • Г клітина спорангія, де утворюються спори
  • Д клітина кореневища папороті

5. Нервові клітини мозку генетично ідентичні

  • А сперматозоїдам
  • Б яйцеклітині
  • В зиготі
  • Г материнській яйцеклітині
  • Д батьківським сперматозоїдам

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чому в людини в результаті мейозу утворюються три полярні тільця й лише одна яйцеклітина?

7. Який хромосомний набір і чому мають клітини хламідомонади, що утворюються в результаті мітозу?

8. Які особливості будови сперматозоїда вказують на те, що він призначений лише для запліднення?

9. Як має відбуватися життєвий цикл диплоїдного організму з диплоїдними гаметами?

10. У чому схожість і відмінність життєвих циклів спірогіри та папороті?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Деякі сперматозоїди, наприклад, у квіткових рослин, не мають рухомих структур. А як же вони дістаються до яйцеклітини?

12. Чому організми різних статей у ссавців утворюють різну кількість гамет: самець — багато, а самиця — мало?

13. Чому всередину яйцеклітини проникає лише один сперматозоїд? Як забезпечується таке обмеження?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14. У чому відмінність між однояйцевими та різнояйцевими близнюками? Який варіант трапляється в людини частіше й чому?

15. Як змінюється співвідношення тривалості та розмірів гаплоїдної й диплоїдної фаз у вищих рослин різних груп?