Химия и ее роль в развитии естественнонаучных знаний

У большинства низших животных гаметы вырабатываются в течение  всей жизни, у высших — только в  период половой активности, с момента  полового созревания до затухания деятельности желез в старости.

Половые клетки в своем  развитии претерпевают ряд сложных  преобразований. Процесс формирования мужских половых клеток называется сперматогенез, женских — оогенез.

Сперматогенез и строение мужских гамет у высших животных. Сперматогенез происходит в мужских  половых железах — семенниках. Семенник высших животных состоит из семенных канальцев. В каждом канальце можно обнаружить отдельные зоны, в которых клетки расположены  концентрическими кругами. В каждой зоне клетки находятся на соответствующих  стадиях развития. Сперматогенез  складывается из четырех периодов: размножения, роста, созревания и формирования .

По периферии семенного  канальца располагается зона размножения. Клетки этой зоны называются сперматогониями. Они усиленно делятся митозом, благодаря чему увеличивается их количество и сам семенник. Период интенсивного деления сперма-то гониев называется периодом размножения.

После наступления половой  зрелости некоторые сперматогонии перемещаются в следующую зону — зону роста, расположенную ближе к просвету канальца. Здесь клетки увеличиваются в размерах за счет возрастания количества цитоплазмы и превращаются в сперматоциты первого порядка (период роста).

Третий период развития мужских  гамет называется периодом созревания. В это время сперматоциты первого  порядка делятся мейозом. После  первого деления образуется два  сперматоцита второго порядка, а  после второго — четыре сперматиды, имеющие овальную форму и значительно меньшие размеры. Сперматиды перемещаются в зону, ближайшую к просвету канальца (зона формирования). Здесь сперматиды изменяют свою форму и превращаются в зрелые сперматозоиды, которые затем выносятся из семенников по семявыносящим путям.

В семенниках формируется  огромное количество сперматозоидов. Так, при каждом половом акте у  человека наружу выносится около 200 млн. сперматозоидов.

Форма мужских гамет у  разных видов животных различна. Наиболее типичны для высших животных сперматозоиды, имеющие головку, шейку и длинный  хвост, служащий для активного передвижения. Именно такое строение имеют сперматозоиды  человека. Ширина их овальной головки 1,5—2 мкм, длина хвоста — около 60 мкм. Головка содержит ядро и незначительное количество цитоплазмы с органеллами. На переднем конце головки расположена  акросома, представляющая собой видоизмененный аппарат Гольджи. В ней содержатся ферменты, растворяющие оболочку яйцеклетки при оплодотворении. В шейке находятся центриоли и митохондрия.

Сперматозоиды не имеют запасов  питательных веществ и обычно быстро погибают. Однако у некоторых  животных, например у пчел, они обладают большой жизнеспособностью и  сохраняются живыми в течение  нескольких лет, находясь в специальном  органе самки — семяприемнике.

Оогенез н строение яйцеклеток у высших животных. Оогенез происходит в особых железах — яичниках —и включает три периода: размножение, рост и созревание. Период формирования здесь отсутствует.

В период размножения интенсивно делятся предшественники половых  клеток — оогонии. У млекопитающих этот период заканчивается еще до рождения. К этому времени формируется около 30 тыс. оогониев, которые сохраняются долгие годы без изменения. С наступлением половой зрелости отдельные оогонии периодически вступают в период роста. Клетки увеличиваются, в них накапливается желток — образуются ооциты первого порядка. Каждый ооцит окружается мелкими фолликулярными клетками, обеспечивающими его питание. Затем образуется зрелый ооцит (Граафов пузырек), подходящий к поверхности яичника. Стенка его разрывается, и ооцит первого порядка попадает в брюшную полость и далее в маточную трубу. Ооциты первого порядка вступают в период созревания — они делятся, но в отличие от аналогичного процесса при сперматогенезе здесь образуются клетки, не равные по размерам: при первом делении созревания ооразуется один ооцит второго порядка и маленькое первое направительное тельце, при втором делении — зрелая яйцеклетка и второе направительное тельце. Такое неравномерное распределение цитоплазмы обеспечивает яйцеклетке получение значительного количества питательных веществ, которые затем используются при развитии зародыша .

Зрелая яйцеклетка, как  и сперматозоид, содержит в себе половинное число хромосом, так как  в период созревания ооциты первого  порядка претерпевают мейоз. Яйцеклетки чаще всего имеют сферическую  форму. Они обычно значительно крупнее  соматических клеток. Яйцеклетка человека, например, имеет в диаметре 150—200 мкм. Особенно больших размеров достигают  яйцеклетки животных, эмбриональное  развитие которых происходит вне  тела матери (яйца птиц, рептилий, амфибий  и рыб).

В яйцеклетках содержится ряд веществ, необходимых для  формирования зародыша. В первую очередь  это питательный материал — желток. В зависимости от количества желтка и характера его распределения  различают несколько типов яйцеклеток.

Яйцеклетки покрыты оболочками. По происхождению оболочки делят  на первичные, вторичные и третичные. Первичная оболочка яйцеклетки является производной цитоплазмы и называется желточной оболочкой. Ее наличие характерно для яйцеклеток всех животных. Вторичные оболочки образуются за счет деятельности клеток, питающих яйцеклетку. Вторичная оболочка характерна, например, для членистоногих (хитиновая оболочка). Третичные оболочки возникают в результате деятельности желез половых путей. К третичным относятся скорлуповая, подскорлуповая и белковая оболочки яиц птиц и пресмыкающихся, студенистая оболочка яйцеклеток земноводных.

Оболочки выполняют защитные функции, обеспечивают обмен веществ  с окружающей средой, а у плацентарных служат для внедрения зародыша в  стенку матки.

Процесс, обусловливающий  встречу мужских и женских  половых клеток у животных, называется осеменением. Различают наружное и  внутреннее осеменение.

При наружном осеменении, характерном  для большинства водных животных, сперматозоиды и яйцеклетки выделяются в воду, где и происходит их слияние. Для такого осеменения не обязательна  непосредственная встреча мужских  и женских особей, но необходимо большое количество гамет, так как  большая часть их гибнет.

Внутреннее осеменение характерно для обитателей суши, где отсутствуют  условия для сохранения и встречи  гамет во внешней среде. При таком  типе осеменения сперматозоиды вводятся в половые пути самки. У самцов для этого обычно имеются специальные  совокупительные органы. Внутреннее осеменение характерно для всех наземных позвоночных (рептилий, птиц, млекопитающих), а также червей, пауков и насекомых.

При достижении сперматозоидами  яйцеклеток происходит процесс оплодотворения. Осуществляется он следующим образом. При контакте с яйцеклеткой акросома сперматозоида разрывается и ее содержимое высвобождается. Под воздействием ферментов акросомы оболочка яйцеклетки в месте контакта растворяется. Внутренняя поверхность акросомы вытягивается, и формируется акро-сомальный отросток, который проникает через растворенную зону яйцевых оболочек и сливается с мембраной яйцеклетки. В этом месте из цитоплазмы образуется воспринимающий бугорок. Он захватывает ядро, центриоли и митохондрии сперматозоида и увлекает их внутрь яйцеклетки. Цитоплазматическая мембрана сперматозоида встраивается в мембрану яйцеклетки.

Проникновение сперматозоида  в яйцеклетку вызывает отслаивание  от яйцеклетки оболочки оплодотворения. Между ней и поверхностью яйцеклетки возникает пространство, заполненное  жидкостью. Образование оболочки оплодотворения препятствует проникновению других сперматозоидов в яйцеклетку.

Проникшее в цитоплазму яйцеклетки ядро сперматозоида набухает, достигает  величины ядра яйцеклетки. Ядра сближаются и сливаются. Этот момент и есть собственно оплодотворение. В результате из двух гамет образуется одна диплоидная зигота, т. е. восстанавливается диплоидный набор хромосом.

При оплодотворении в яйцеклетку обычно проникает один сперматозоид. Однако у насекомых, рыб, птиц и других животных в яйцеклетку может проникать  несколько сперматозоидов. Это явление  получило название полиспермии. При этом с ядром яйцеклетки сливается ядро только одного сперматозоида. Ядра других сперматозоидов разрушаются. Тем не менее для оплодотворения требуется участие многих сперматозоидов, так как они выделяют ферменты, обеспечивающие их проникновение в яйцеклетку. Если ферментов недостаточно, оплодотворение не наступает.