Оплодотворение — это процесс слияния половых клеток, завершающийся объединением их генетического материала. Образующаяся в результате оплодотворения диплоидная клетка — зигота — представляет собой начальный этап развития нового организма.
Процесс оплодотворения складывается из трех последовательных фаз:
• дистантного взаимодействия и сближения гамет;
• контактного взаимодействия гамет и активизации яйцеклетки;
• слияния гамет, или сингамии.
Сближение сперматозоида с яйцеклеткой обеспечивается совокупностью неспецифических факторов, повышающих вероятность их встречи и взаимодействия. К ним относят скоординированность наступления готовности к оплодотворению у самца и самки, поведение самцов и самок, обеспечивающее совокупление и осеменение, избыточную продукцию сперматозоидов, крупные размеры яйцеклетки, а также вырабатываемые яйцеклетками и сперматозоидами химические вещества, способствующие сближению и взаимодействию половых клеток. Эти вещества, называемые гамонами (гормоны гамет), с одной стороны, активируют движение сперматозоидов, а с другой — их склеивание. В движении сперматозоидов млекопитающих по верхним отделам яйцевода существенное значение имеет явление реотаксиса: их способности двигаться против встречного течения жидкости в маточных трубах.
У млекопитающих большое значение имеет пребывание сперматозоидов в половых путях самки, в результате чего происходит капаци-тация спермиев — приобретение ими оплодотворяющей способности. Сразу после попадания в половые пути самки спермии неспособны к проникновению в яйцеклетки. Под действием веществ секрета женских половых путей с плазмолеммы спермия в области акросомы удаляются гликопротеины и протеины семенной плазмы, которые блокируют активные центры рецепторных молекул плазмолеммы спермия, узнающие поверхность женской половой клетки. Кроме того, молекулы альбуминов, находящиеся в женском половом тракте, связываются с холестерином клеточной мембраны сперматозоидов. Это приводит к дестабилизации плазмолеммы спермия и его акросомальной мембраны, что облегчает последующее высвобождение ферментов акросом. Было обнаружено также, что в процессе капацитации изменяются свойства поверхности сперматозоидов, например ее заряд. Кроме того, происходят изменение подвижности (гиперактивация) сперматозоидов и активация акросомальных ферментов. У человека капацитация длится около 7 ч.
В фазе контактного взаимодействия спермий разрушает оболочки яйцеклетки (у млекопитающих — лучистый венец, прозрачную оболочку) и цитоплазматическую мембрану овоцита вследствие акросомной реакции. При контакте с оболочкой женской половой клетки под действием ее активирующих веществ (одно из которых — фертилизин), инициируется активное поступление катионов кальция в головку спермия. В результате происходят очаговые слияния клеточной и акросомальной мембран сперматозоида и их частичное разрушение. Через образовавшиеся микроотверстия выделяются ферменты спермия — гиалуронидаза, пенетраза и другие, которые разобщают контакты между клетками лучистого венца, а также между ними и овоцитом. Акросомальный фермент акрозин разрушает участок блестящей оболочки женской половой клетки, и спермий проникает в околожелточное пространство. В месте соприкосновения головки спермия с плазмолеммой овоцита происходят слияние и последующее разрушение мембран женской и мужской гамет. Через образующийся вследствие этого цитоплазматический мостик цитоплазмы обеих гамет объединяются. Затем в цитоплазму яйца переходят ядро и центриоль сперматозоида, а мембрана сперматозоида встраивается в мембрану яйцеклетки. Хвостовая часть сперматозоида либо остается снаружи, либо тоже входит в яйцо, но потом отделяется и рассасывается, не играя какой-либо роли в дальнейшем развитии.
Через участок мембраны сперматозоида в цитоплазму яйцеклетки начинают активно поступать ионы натрия, вследствие чего мембранный потенциал овоцита резко меняется, и женская половая клетка становится невосприимчивой к контактам с другими спермиями — быстрый блок полиспермии. Приток ионов натрия обусловливает высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо и увеличение его содержания в цитоплазме яйцеклетки, которое распространяется в виде волны от точки соприкосновения гамет. Вслед за этим начинается кортикальная реакция: мембраны кортикальных гранул сливаются с мембраной яйцеклетки и высвобождающиеся из них протеолитические ферменты попадают в околожелточное пространство. Под влиянием ферментов оболочка яйца уплотняется, утолщается, теряет рецепторные белки к сперматозоидам и превращается в оболочку оплодотворения. Кроме того, выделяемый из кортикальных гранул гликопротеид способствуют отслойке желточной оболочки от плазмолеммы яйцеклетки. В результате всего перечисленного проникновение других спермиев становится невозможным — медленный блок полиспермии. У млекопитающих
кортикальная реакция не вызывает образования оболочки оплодотворения, но суть ее та же.
В результате контакта сперматозоида с яйцеклеткой происходит ее активация. Она заключается в сложных структурных и физико-химических изменениях. Начальный этап активации — описанная выше кортикальная реакция. У таких животных, как иглокожие, костистые рыбы и земноводные, изменения цитоплазмы яйцеклетки сопровождаются видимыми морфологическими перестройками. Эти явления получили название расслоения или сегрегации плазмы. Значение ее для дальнейшего эмбрионального развития будет рассмотрено ниже. У многих видов бесхвостых амфибий проникновение сперматозоида в яйцеклетку приводит к перемещению пигментных гранул ани-мального полюса, и против места проникновения спермия появляется слабо окрашенная серповидная область, называемая «серым серпом» (рис. 7.3).
Активация яйцеклетки завершается началом синтеза белка на трансляционном уровне, поскольку мРНК, тРНК, рибосомы и энергия были запасены еще в ово(оо)генезе. Активация яйцеклетки может начаться и протекать до конца без ядра сперматозоида и без ядра яйцеклетки, что доказано опытами по энуклеации зиготы.
Яйцеклетка в момент встречи со сперматозоидом обычно находится на одной из стадий мейоза, заблокированной с помощью специфического фактора. У большинства позвоночных этот блок осуществляется
Рис. 7.3. Сегрегация цитоплазмы яйца амфибий после проникновения спермия: 1 — анимальный полюс; 2 — вегетативный полюс; 3 — место внедрения сперматозоида; 4 — серый серп; 5 — направление перемещения цитоплазмы с пигментными гранулами
на стадии метафазы II; у многих беспозвоночных, а также у трех видов млекопитающих (лошади, собаки и лисицы) блок происходит на стадии диакинеза (профаза I). В большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйцеклетки вследствие оплодотворения. В то время как в яйцеклетке завершается мейоз, ядро сперматозоида, проникшее в нее, видоизменяется. Оно принимает вид интерфазного, а затем профаз-ного ядра. За это время удваивается ДНК, и количество наследственного материала в мужском пронуклеусе становится п2с, т.е. он содержит гаплоидный набор редуплицированных хромосом.
Ядро яйцеклетки, закончившее мейоз, превращается в женский пронуклеус, также приобретая п2с. Оба пронуклеуса проделывают сложные перемещения, затем сближаются и сливаются (синкарион), образуя общую метафазную пластинку. Это, собственно, и есть момент окончательного слияния гамет — сингамия. Первое митотическое деление зиготы приводит к образованию двух клеток зародыша (бласто-меров) с набором хромосом 2п2с в каждом.
В некоторых случаях развитие происходит без оплодотворения — партеногенез (от греч. партеное — девственница). В случае естественного партеногенеза развитие идет на основе цитоплазмы и пронуклеуса яйцеклетки. Особи, формирующиеся из яйцеклетки, имеют либо гаплоидный, либо диплоидный набор хромосом, так как срабатывает один из механизмов удвоения числа хромосом. В одних случаях в ходе мейоза женской половой клетки выпадает стадия редукции числа хромосом, и яйцеклетка получается с диплоидным пронуклеусом. В других случаях диплоидизация происходит во время первого деления дробления, при котором не происходит цитотомии.
Естественный партеногенез, как правило, не бывает единственным способом размножения вида. Он либо чередуется с нормальным половым размножением, либо встречается у отдельных рас. Естественный партеногенез обнаружен у летних поколений некоторых ракообразных и коловраток, у пчел, ос, ряда чешуекрылых. Среди позвоночных пар-теногенетическое размножение описано у трех рас скальной ящерицы Армении, состоящих из одних самок. 40\% яиц индеек, отложенных в отсутствие самца, могут начать развиваться, однако это развитие редко доходит до конца, чаще останавливается из-за возникающих аномалий. У других видов позвоночных естественное партеногенетическое размножение неизвестно.
Искусственный партеногенез возможен, по-видимому, у всех животных. Разработка методов партеногенетического развития — важ-
ная проблема в научном и прикладном отношениях. Большой вклад в эту проблему внесли отечественные исследователи А.А. Тихомиров, Б.Л. Астауров, В.А. Струнников. Обнаружено, что активация яйцеклетки сперматозоидом не является специфической. В качестве активирующих могут выступать многие физические и химические факторы. На тутовом шелкопряде было показано, что с помощью искусственного партеногенеза можно регулировать соотношение мужского и женского пола в популяции, получая большой экономический эффект.
Естественный партеногенез чаще всего случается при незавершенном оплодотворении, т.е. в тех случаях, когда имела место активация яйцеклетки, но ядро сперматозоида не участвовало в оплодотворении. В активированных яйцах используется информация только женского пронуклеуса. Такой вид партеногенеза называют гиногенезом. При искусственном партеногенезе можно удалить женский пронуклеус, и тогда развитие осуществится только за счет мужских пронуклеусов. Это ан-дрогенез. В специальных опытах на морских ежах было установлено, что потомки наследуют либо только признаки матери при гиногенезе, либо только признаки отца — при андрогенезе. Это указывает на то, что наследственные свойства особи определяются в основном ядром, а не цитоплазмой.