Зависимость строения яйцеклетки от условий развития зародыша
Яйцеклетки млекопитающих неподвижны и имеют значительно большие размеры, чем спермии. Это обусловлено и большей массой цитоплазмы, и, главным образом, наличием запасного питательного материала в виде желтка (дейтоплазмы). Этот материал представлен желточными гранулами и пластинками. Состоит из белков, фосфолипидов и нейтральных жиров. Желток может находиться в цитоплазме яйцеклетки или быть обособленным от цитоплазмы, образуется в печени и других органах и через кровь поступает в ооцит.
У домашних животных диаметр яйцеклетки без прозрачной оболочки колеблется от 0,11 до 0,15 мкм и мало зависит от размеров тела. Яйцеклетка коровы имеет диаметр около 115 мкм, толщина прозрачной оболочки 15-30 мкм и общий диаметр клетки составляет 165 мкм. Яйцеклетка овцы несколько больше - соответственно 112-125, 9-16 и 167 мкм. Яйцеклетка свиньи имеет диаметр 130 мкм, толщина прозрачной оболочки - 5 мкм.
Яйцеклетка, вышедшая из фолликула, вскоре погибает, если не будет оплодотворена. Уже в период прохождения истмической части яйцепровода цитоплазма в ядре клетки распадается на отдельные фрагменты, и после размягчения прозрачной оболочки постепенно рассасывается. Происходит это уже в матке, куда неоплодотворенные яйцеклетки попадают примерно в то же время, когда и оплодотворенные. У кобыл оплодотворенные клетки остаются в яйцепроводах, где подвергаются медленной (в течение нескольких недель или даже месяцев) цитоплазматической дегенерации. У этого вида животных развивающийся зародыш оказывает, по-видимому, более мощное эндокринное (или иное) влияние на функцию яйцепроводов, что позволяет ему проникнуть в матку, тогда как неоплодотворенная клетка туда не проходит. Продолжительность жизни яйцеклетки коровы составляет 10-12 ч, овцы - 12-15 ч, лошади - 8-10 ч, свиньи - 6-156 ч. В течение этого периода яйцеклетка может быть оплодотворена, но чаще способность к оплодотворению сохраняется более короткое время и обычно не превышает 6 ч.
По мнению Ф.И. Осташко и др., яйцеклетка млекопитающих сохраняет способность к оплодотворению in vitro 4-5 суток оплодотворение их возможно не только в яйцепроводе, но и роге матки.
Оплодотворение - физиологический процесс, в результате которого происходит объединение генетического материала яйцеклетки и спермия и образования новой клетки (зиготы) с диплоидным набором хромосом.
Во время продвижения яйцеклетки по яйцепроводу в начале его ампулярной части вследствие беспорядочного движения спермиев происходит встреча их с яйцеклеткой и оплодотворение.
Наступление оплодотворения зависит от числа присутствующих спермиев, а также биологической полноценности обеих гамет.
У некоторых млекопитающих яйцеклетка окружена фолликулярными клетками (лучистым венцом). Эти клетки склеены между собой материалом, имеющем в своем составе гиалуроновую кислоту. Под влиянием фермента гиалуронидазы фолликулярные клетки довольно быстро рассасываются уже в воронке яйцевода. Гиалуронидаза содержится в плазме спермы (акросоме). Особенно много фермента содержится в семенниках и сперме кролика. Функции гиалуронидазы при оплодотворении заключается в том, что она позволяет отдельным спермиям пройти между фолликулярными клетками и достичь яйца. Для этого не требуется разрушения всего лучистого венца, хотя полное обнажение клетки важно и необходимо для продвижения ее по яйцепроводу, но оно может произойти и без участия спермиев.
Следует отметить, что данный процесс не имеет видимой специфичности. Это послужило поводом использовать фермент гиалуронидазу для повышения оплодотворяемости путем добавления ее в сперму. Однако результаты испытаний противоречивы.
Лучистый венец хорошо выражен у яйцеклетки свиней, значительно слабее - у коров. Клетки венца могут направлять спермий, когда он проходит между ними, и подводить его к яйцеклетке. Определенную роль в соединении гамет играют гормоны оплодотворения (гамоны). Известно четыре гамона. Два из них (гипогамоны) выделены из яйцеклетки.
После достижения спермиев прозрачной оболочки следует видоспецифическая реакция, которая приводит к прочной связи половых клеток. Сродство определенных фракций белков из плазматических мембран спермиев и прозрачной оболочки яйца, по-видимому, имеет решающее значение в прикреплении к ней. Вскоре после этого спермий по узкому извилистому пути быстро проникает через эту оболочку. При этом отделяется и утрачивается на поверхности прозрачной оболочки пузырчатая акросомная и плазматическая мембрана спермия. Головка спермия попадает в околожелточные пространства и вскоре соприкасается с желточной оболочкой. После этого прозрачная оболочка становится малочувствительной к другим спермиям. Вот почему у ряда видов (хомяк, собака, овца, лошадь и др.) число проникших через прозрачную оболочку спермиев невелико. У других животных (крольчиха, корова, свинья и др.) ответная реакция прозрачной оболочки замедленная или совсем не проявляется и в околожелточное пространство могут попасть десятки и даже сотни спермиев.
После контакта спермия с желточной оболочкой яйцеклетки, когда произойдет слияние их плазматических мембран (у ряда видов под желточной оболочкой находится вторая оболочка - плазматическая мембрана), начинается кортикальная реакция. Кортикальные зерна, расположенные в поверхностном слое цитоплазмы яйцеклетки вздуваются, затем их оболочки вместе с плазматической мембраной гаметы разрываются. В пространстве между ее поверхностью и желточной оболочкой изливается содержимое этих гранул (зерен), которое содержит протеолитический фермент. Он разрушает связи желточной оболочки с другими спермиями, что предотвращает полиспермию. Кортикальная реакция распространяется по поверхности яйцеклетки волнообразно в течение 10-20 с. У некоторых видов в процессе кортикальной реакции желточная оболочка и приподнимается над поверхностью яйцеклетки, образуя перивителиновое пространство. На внутренней поверхности оболочки накапливаются тонким слоем вещества, освобождающиеся из гранул. В результате желточная оболочка уплотняется, и ее называют оболочкой оплодотворения.
После соприкосновения спермия с желточной оболочкой происходит образование второго полярного тельца, и ооцит второго порядка превращается в зрелую яйцеклетку. Затем спермий полностью погружается в цитоплазму клетки. Входит он не перпендикулярно, а по касательной по отношению к желточной оболочке. После вхождения в яйцеклетку головка спермия набухает, теряет форму и оболочку и становится едва заметной, ядерный материал выходит из нее и вскоре появляются в виде мелких точек ядрышки. Они постепенно соединяются и образуют больше, круглые частицы, которые включаются в мужской пронуклеус, который окружен ядерной оболочкой.
Так же происходит образование женского пронуклеуса. После второго редуцированного деления ядро яйцеклетки разрывается, и его содержимое смешивается с цитоплазмой. Материал хромосом превращается в раздробленную зернистую массу. Затем образуются ядрышки, которые вскоре окружаются оболочкой. Образуется женский пронуклеус. Эти изменения наступают в течение часа после проникновения спермия.
Слияние пронуклеусов (сингамия) является конечной стадией оплодотворения. После сближения в центре клетки пронуклеусы уменьшаются в величине, исчезают сначала ядрышки, затем ядерные оболочки. Появляются две группы хромосом, которые движутся навстречу друг другу, и в стадии метафазы происходит их слияние (соединение ядер клеток при конъюгации). Почти непосредственно за этим следует анафаза и телофаза первого деления мейоза.
В отдельных случаях в яйцеклетке оказываются два или даже три спермия (полиспермия). В результате образуется три или четыре пронуклеуса. Возможность оплодотворения несколькими спермиями возникает, когда второй спермий проникает через прозрачную оболочку в точке, диаметрально противоположной к точке первоначального проникновения. Но если осеменение проведено в оптимальное время, то яйцепроводы и оболочки яйцеклетки, действуя совместно, сводят до минимума возможность одновременного достижения поверхности яйцеклетки двумя жизнеспособными спермиями. При старении яйцеклетки создаются условия для полиспермии.
Деление, рост и дифференцировка оплодотворенного яйца, в результате которых образуется такая сложная и совершенная система, как взрослое животное или растение, это, несомненно, одно из самых удивительных биологических явлений. В каждом новом организме с необычайной точностью воспроизводятся все детали строения взрослого организма, а многие органы даже начинают функционировать еще в период своего формирования. Процессы дробления яйца, образования бластулы и гаструляция происходят в самых общих чертах одинаково почти у всех многоклеточных животных. Дальнейшее развитие может протекать совершенно по-разному у животных, принадлежащих к разным типам, но довольно сходно у родственных между собой форм.
Развитие новой особи начинается с образования яйцеклеток и сперматозоидов у представителей родительского поколения. В процессе гаметогенеза в результате мейоза число хромосом в гаметах уменьшается вдвое - происходит переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное; поэтому гены, которые окажутся объединенными в новых особях и будут управлять их развитием, отбираются случайно. Яйцеклетка растет и накапливает в своей цитоплазме разнообразные вещества, за счет которых будет существовать оплодотворенное яйцо на ранних сроках развития. Сперматозоид созревает и превращается из сферической клетки в гамету, приспособленную к активному движению, что дает ей возможность приблизиться к яйцу и оплодотворить его.
Второй этап развития - оплодотворение яйца - начинается с различных процессов, обеспечивающих встречу родительских особей и одновременное выделение ими гамет, после чего сперматозоид проникает в яйцеклетку и наступает активация оплодотворенного яйца, которое начинает развиваться. Процесс активации иногда сопровождается значительными перемещениями различного органообразующего материала в цитоплазме яйца.
На третьем этапе развития оплодотворенное яйцо претерпевает ряд быстро следующих друг за другом митотических делений - так называемое дробление. В результате дробления получается либо сплошная масса клеток, либо полый клеточный шарик - бластула, полость которой (бластоцель) окружена одним слоем клеток - бластодермой. Во время дробления размеры эмбриона не увеличиваются, а образующиеся клетки (бластомеры) становятся с каждым делением все меньше. Поскольку энергию для процесса дробления доставляет расщепление гликогена и других питательных веществ, запасенных в цитоплазме яйца, общая масса бластулы (ее сухая масса) может даже уменьшиться по сравнению с массой неоплодотворенной яйцеклетки.
Четвертая стадия - гаструляция - приводит к образованию из однослойной бластодермы двух или нескольких слоев клеток, так называемых зародышевых листков. Тело высшего животного состоит из ряда различных тканей и органов, все они ведут свое происхождение от трех зародышевых листков: эктодермы, мезодермы и энтодермы. Из наружной эктодермы образуется эпидермис кожи и нервная система, внутренний слой - энтодерма - образует выстилку желудочно-кишечного тракта и пищеварительный железы, и, наконец, средний слой - мезодерма - дает начало мышцам, сосудистой системе, выстилке целомической полости, органам размножения и выделительной системе, а также костной и хрящевой ткани, из которых состоит скелет.
В процессе гаструляции часть бластодермы уходит вглубь и оказывается внутри той части бластодермы, которая остается на поверхности. Эта наружная часть становится эктодермой, а из ушедшего внутрь материала образуются энтодерма и мезодерма. Клетки будущих энтодермы и мезодермы могут погружаться вглубь в результате впячивания (инвагинации) одного участка бластодермы. Таким путем из простого клеточного шарика образуется мешочек с двойными стенками, называемый гаструлой; соответственно процесс его образования называется гаструляцией. Отделение мезодермы от энтодермы внутри гаструлы происходит у различных животных совершенно разными способами. Полость двустенной гаструлы, образовавшейся путем инвагинации, называется архентероном (полостью первичной кишки), а отверстие, ведущее из нее наружу, - бластопором.
Гастроцель (или часть его) становится полостью пищеварительного тракта. Бластопор превращается у кишечнополостных в ротовое отверстие, а у иглокожих и хордовых - в анальное отверстие. У моллюсков, кольчатых червей и членистоногих бластопор разделяется на два отверстия, одно из которых образует рот, а другое - анус. Средняя часть пищеварительного тракта образуется из энтодермы, на обоих его концах, ротовом и анальном, эктодерма впячивается внутрь и сливается с энтодермой. Таким образом, самый передний участок пищеварительного тракта (ротовая полость) и самый задний его участок, примыкающий к анальному отверстию, выстланы не энтодермой, а эктодермой.
Следующий этап развития - это органогенез, в процессе которого три зародышевых листка разделяются на массы клеток меньшего объема, предназначенные для построения различных органов и частей тела взрослого животного. Каждый орган закладывается в виде эмбрионального зачатка - группы клеток, обособленных от остальных клеток зародыша. За органогенезом следуют рост и дифференцировка клеток в зачатках отдельных органов, и в конце концов клетки приобретают те структурные, химические и физиологические особенности, благодаря которым они могут выполнять те или иные специфические функции, так что развивающийся организм становится способным к независимому существованию.
У некоторых животных молодой организм, вышедший из яйца, представляет собой миниатюрную копию взрослого животного, т.е. отличается от него только размерами; у других животных детеныш лишен некоторых органов, т.е. отличается от взрослого организма не только размерами, но и морфологией, и, наконец, иногда детеныш, вылупляющийся из яйца, обладает специальными органами, отсутствующими у взрослой формы, но необходимыми молодому организму в связи с его особым образом жизни. Такого рода молодой организм, называемый личинкой, может вести совершенно иной образ жизни, нежели взрослая форма. В конце концов личинка претерпевает метаморфоз и довольно существенно изменяется, и она превращается во взрослое животное. Во время метаморфоза специфические личиночные признаки исчезают, и появляются признаки, характерные для взрослой формы. И у молодых, и у взрослых животных организм с течением времени продолжает изменяться - происходит старение, которое также следует рассматривать как часть процесса развития.