Двойное оплодотворение у растений. Как происходит зачание? Пламенное оплодотворение еще больше

Оплодотворение представляет собой процесс слияние половых клеток представителей разных полов, то есть яйцеклетки и сперматозоида .

Непосредственно оплодотворение

В результате естественного полового акта сперма попадает во влагалище , но его кислотная среда не позволяет сперматозоидам прожить более 2-х часов. Зато самые быстрые из них все же успевают добраться до матки через ее шейку. Слизь, которая наполняет шейку матки, является хорошим барьером для опасных микроорганизмов, но таким же барьером она может оказаться и для сперматозоидов. В случаях, когда такой слизи слишком много или ее консистенция не является нормальной, даже может иметь место (шеечный фактор). По мнению некоторых специалистов, в матку должно попасть не менее 10 млн. мужских половых клеток.

Те сперматозоиды, которые успешно прошли через шейку, попадают в фаллопиевы трубы , откуда они против направления течения жидкости направляются в яичники .

Само оплодотворение, то есть слияние клеток, происходит в отделе фаллопиевых труд, которые находится в максимальной близости к яичникам. Но тут тоже не все так просто: для слияния с яйцеклеткой необходимо преодолеть несколько оболочек, этот процесс называют «пенетрация» , в него входит также и само слияние. Именно первый сперматозоид, который доберется до второй оболочки, скорее всего, и сольется со яйцеклеткой.

Поверхность яйцеклетки и сперматозоида покрыта специальными рецепторами, которые обеспечивают их слияние. После оплодотворения некоторые части сперматозоида остаются внутри яйцеклетки. Практически сразу в последней начинает возникать кортикальная реакция , которая заключается в высвобождении специальных гранул в наружную среду, в результате этого ни один сперматозоид уже не сможет произвести оплодотворение. Такой механизм получил название «блок полиспермии» , обычно он начинается в течение нескольких минут.

В крайне редких случаях может возникать ситуация, когда две мужские половые клетки смогли одновременно проникнуть в яйцеклетку. В таком случае развивается триплоидный эмбрион , который обычно развивается с нарушением хромосом. Обычно в течение нескольких дней такие эмбрионы погибают, но бывают случаи, когда они имплантируются в матку, тогда такая . Вопреки бытующему мифу, одновременное слияние яйцеклетки с двумя сперматозоидами не приводит к появлению на свет близнецов.

Когда произошло слияние, образуется зигота , то есть одноклеточная, первая стадия развития эмбриона, которая продолжается не более 30 часов. Далее начинается формирование ядер, происходит объединение материнских и отцовских хромосом за счет сложных реакций и биологических процессов.

Дробление

Когда яйцеклетка оплодотворена, она начинает свое движение в сторону матки за счет сокращений мышц трубы. Следующим процессом за образованием зиготы идет процесс дробления – миотического деления , размер зародыша не увеличивается, клетки делятся, но лишь становятся более мелкими. Размер эмбриона на этой стадии не превышает 130 мкм. Данный процесс длится около трех дней, клетки эмбриона остаются одинаковыми. Они не находят взаимодействия между собой, и лишь благодаря оболочке находятся вместе. В случае повреждения такой оболочки может образоваться несколько генетически идентичных эмбрионов, и тогда уже развиваются однояйцевые близнецы.

Уникальная особенность цветковых растений - двойное оплодотворение.

В завязь покрытосеменных растений проникает два спермия, один из них сливается с яйцеклеткой, дав начало диплоидному зародышу. Другой соединяется с центральной диплоидной клеткой. Образуется триплоидная клетка, из которой возникнет эндосперм - питательный материал для развивающегося зародыша ( рис. 77). Этот процесс, характерный для всех покрытосеменных, открыт в конце прошлого века С.Г. Навашиным и получил название двойного оплодотворения. Значение двойного оплодотворения, по- видимому, заключается в том, что обеспечивается активное развитие питательной ткани уже после оплодотворения. Поэтому семяпочка у покрытосеменных не запасает питательных веществ впрок и, следовательно, развивается гораздо быстрее, чем у многих других растений, например у голосеменных.

У цветковых растений имеется ряд особенностей образования половых клеток и оплодотворения. Оплодотворению у них предшествует образование сильно редуцированного гаплоидного поколения - гаметофитов . После оплодотворения прорастание пыльцы цветковых растений начинается с разбухания зерна и образования пыльцевой трубки , которая прорывает спородерму в более тонком ее месте - так называемой апертуре. Кончик пыльцевой трубки выделяет специальные вещества, размягчающие ткани рыльца и столбика , в которые внедряется пыльцевая трубка. По мере роста пыльцевой трубки в нее переходят ядро вегетативной клетки и оба спермия . В огромном большинстве случаев пыльцевая трубка проникает в мегаспорангий ( нуцеллус) через микропиле семязачатка , реже - иным образом. Проникнув в зародышевый мешок , пыльцевая трубка разрывается, и ее содержимое изливается внутрь. Один из спермиев сливается с яйцеклеткой, и образуется диплоидная зигота, дающая затем начало зародышу . Второй спермий сливается со вторичным ядром, располагающимся в центре зародышевого мешка , что приводит к образованию триплоидного ядра, развивающегося затем в триплоидный эндосперм. Весь этот процесс получил название двойного оплодотворения. Он был впервые описан в 1898 г. выдающимся русским цитологом и эмбриологом С.Г.Навашиным. Прочие клетки зародышевого мешка - антиподы и синергиды в оплодотворении не участвуют и довольно быстро разрушаются.

Биологический смысл двойного оплодотворения весьма велик. В отличие от голосеменных , где довольно мощный гаплоидный эндосперм развивается независимо от процесса оплодотворения, у покрытосеменных триплоидный эндосперм образуется лишь в случае оплодотворения. С учетом гигантского числа поколений этим достигается существенная экономия энергетических ресурсов. Увеличение же уровня плоидности эндосперма до 3n, по-видимому, способствует более быстрому росту этой полиплоидной ткани по сравнению с диплоидными тканями спорофита .

Взаимодействие пыльцевой трубки гаметофита с тканями спорофита - сложный процесс, регулируемый химическими веществами. Так, выяснилось, что если промыть пыльцу дистиллированной водой, она теряет способность к прорастанию. Если сконцентрировать полученный раствор и обработать концентратом пыльцу, она вновь станет полноценной. После прорастания рост пыльцевой трубки контролируется тканями пестика. Например, у хлопчатника рост трубки до яйцеклетки занимает 12-18 ч, но уже через 6 ч можно установить, к какой семяпочке направляется пыльцевая трубка: в этой семяпочке начинается разрушение особой клетки - синергиды . Как растение направляет рост трубки в нужную сторону и каким образом синергида узнает о ее приближении, пока еще не известно.

Во многих случаях у цветковых растений существует "запрет" на самоопыление: спорофит "узнает" своего мужского гаметофита и не разрешает ему участвовать в оплодотворении. В некоторых случаях при этом собственная пыльца не прорастает на рыльце пестика. В большинстве же случаев рост пыльцевой трубки начинается, но затем останавливается и она не достигает яйцеклетки. Например, у первоцвета весеннего еще Ч.Дарвин обнаружил две формы цветков - длинностолбиковые (с длинным столбиком и короткими тычинками) и короткостолбиковые (столбик короткий, тычиночные нити длинные). У короткостолбиковых растений пыльца почти вдвое крупнее, а клетки сосочков рыльца мелкие. Все эти признаки контролируются группой тесно сцепленных генов.

Опыление эффективно только при переносе пыльцы с одной формы на другую. За распознавание своей пыльцы отвечают молекулы-рецепторы, представляющие собой сложные комплексы белков с углеводами. Показано, что растения дикой капусты , которые не вырабатывают в тканях рыльца молекул рецептора, могут самоопыляться. У нормальных растений рецепторы появляются на рыльце за день до открытия цветка. Если раскрыть бутон и нанести на него собственную пыльцу за два дня до распускания, то оплодотворение произойдет, а если за один день до распускания - то нет.

Интересно, что в некоторых случаях самонесовместимость пыльцы у растений определяется серией множественных аллелей одного гена, сходно с несовместимостью при пересадках тканей у животных. Эти аллели обозначаются буквой S, и число их в популяции может достигать десятков и даже сотен. Если, например, генотип производящего яйцеклетки растения - s1s2, а производящего пыльцу - s2s3, то прорастать при перекрестном опылении будут только 50% пылинок - те, что несут аллель s3. При наличии десятков аллелей большая часть пыльцы при перекрестном опылении нормально прорастает, а самоопыление полностью предотвращается.

Двойное оплодотворение Цветковых растений – это процесс, в результате которого один из спермиев, идущих по пыльцевой трубке, сливается с яйцеклеткой, а другой – с центральной клеткой. В результате слияния спермия с яйцеклеткой образуется диплоидный зародыш - будущий спорофит. Центральная клетка уже имеет диплоидный набор хромосом, так как она образовалась после слияния двух из первоначальных восьми клеток зародышевого мешка. После слияния со спермием образуется триплоидная клетка, которая дает начало эндосперму.

У Голосемянных один из спермиев, идущих по пыльцевой трубке, погибает, а другой оплодотворяет яйцеклетку с образованием зародыша. Эндосперм же в данном случае представляет собой гаметофит и гомологичен заростку Папоротникообразных. Следовательно, эндосперм Голосемянных гаплоиден.

Чтобы понять, какие преимущества имеет триплоидный эндосперм над гаплоидным, разбересначала, что такое эндосперм и какие у него функции. Эндосперм – это запасающая ткань семени растений, в которой откладываются питательные вещества для дальнейшего развития и прорастания семени. Он представлен тонкостенными крупными клетками часто неправильной формы, заполненными крахмалом и белками. Функции эндосперма неразнообразны. Первая и главная функция эндосперма – это питательная. Возможно также участие в прорастании семени.

В пользу того, что триплоидный эндосперм является эффективнее гаплоидного, говорит тот факт, что гаплоидный эндосперм Голосемянных образовался «вторично» в ходе эволюции. Ведь у них эндосперм – это остаток женского гаметофита, который у Папоротникообразных был зеленым и прекрасно фотосинтезировал. У них эндосперм сформировался в ходе эволюции как необходимость запасного вместилища в семени. У Покрытосемянных двойное оплодотворение, видимо, образовалось как-то сразу, потому что никаких родственных связей и похожих на триплоидный эндосперм структур у кого-нибудь еще не обнаружено.

Первое и очевидное преимущество триплоидного эндосперма над гаплоидным в проявлении мутаций. Если в генах гаплоидного эндосперма происходит мутация, то она обязательно проявится. А это может привести к недостаточному выполнению функций или даже к редукции эндосперма. В результате семя не разовьется вообще, или растение будет слаборазвитым. В триплоидном же эндосперме рецессивная мутация проявляться не будет. Следовательно, в триплоидном эндосперме по сравнению с гаплоидным увеличивается вероятность нормального развития семени даже при наличии мутаций. Кроме того, если хромосомный набор в клетке 3 n , то интенсивность транскрипции и, соответственно, трансляции и биосинтеза белка в клетке в три раза выше, чем в таковой же с гаплоидным набором хромосом. С интенсивностью транскрипции косвенно связано и участие эндосперма в прорастании семени. Как известно, прорастание инициируется множеством факторов таких, как кратковременное воздействие низких температур, для некоторых семян воздействие света и т. д. Но непосредственно перед прорастанием клетки начинают интенсивно поглощать воду, клетки зародыша набухают и растягиваются. Для процессов прорастания растению нужно много энергии и необходимы ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков. Под воздействием воды в клетках зародыша активируются гиббереллины, они транспортируются в тонкий верхний слой живых клеток эндосперма (алейроновый слой), где сразу же начинают синтезироваться амилазы и протеазы. В соответствии с выше сказанным предположением о скорости транскрипции в триплоидных клетках нужное количество ферментов выработается быстрее, чем в гаплоидных, и процесс прорастания будет идти интенсивнее.

Рассмотрим, есть ли предпосылки усложнения процесса оплодотворения и появления тройного оплодотворения. Раз оплодотворение тройное, значит, спермиев должно быть три. Один должен сливаться с яйцеклеткой с образованием зародыша. Слияние двух остальных спермиев с разными структурами просто не целесообразно, так как семени нужно образование двух структур в ходе оплодотворения: зародыша и запасающей ткани (в данном случае эндосперма). Тогда получается, что оставшиеся 2 спермия должны оба слиться с центральной клеткой, и получится тетраплоидный эндосперм. Механизм этого сложно представить. Либо два спермия должны по очереди слиться с центральной клеткой, что маловероятно, потому что после оплодотворения одним спермием сразу включаются механизмы блокирования оплодотворения другим спермием. Либо 2 спермия должны слиться заранее в пыльцевой трубке, что в общем-то тоже трудно себе представить. Кроме того, в результате такого оплодотворения образуется диплоидный зародыш и тетраплоидный эндосперм, а это равносильно гаплоидному зародышу и диплоидному эндосперму. При дальнейшем увеличении плоидности эндосперма будут возникать проблемы с расхождением хромосом, сильно возрастет частота мутаций, возникнет проблема размещения хромосом в ядре. Следовательно, предпосылок к усложнению процесса оплодотворения нет.

В точке наивысшего наслаждения при любовном слиянии двух тел происходит чудо — зарождается новая жизнь. В половые пути женщины изливается семенная жидкость, содержащая около 3 млн. сперматозоидов. Среда, в которой находятся сперматозоиды, кроме питательных свойств, обладает также уникальной способностью понижать кислотность влагалища. Благодаря этому, сперматозоиды спокойно выживают в организме женщины до 9 дней, терпеливо поджидая созревания яйцеклетки.

В свою очередь, в организме женщины так же все приспособлено для зачатия: в ответ на половой акт происходит выброс очередной яйцеклетки (поэтому беременность может наступить практически в любой день менструального цикла). Выработка яичниками гормона прогестерона повышается, что подготавливает слизистую оболочку матки к приему зародыша.

Процесс оплодотворения и прикрепления яйцеклетки:
а - выход яйцеклетки из яичника и эякуляция; б - оплодотворение; в - прикрепление яйцеклетки к матке и ее деление; г - развитие оплодотворенной яйцеклетки в эмбрион.

Оплодотворение яйцеклетки происходит в маточной трубе (рис. б). Зрелую яйцеклетку окружают множество сперматозоидов, каждый из которых стремится проникнуть в нее, но это удается только одному (в редких случаях двум, трем). Головка сперматозоида попадает внутрь яйцеклетки, а его хвостик, выполнив свою функцию - обеспечение движения, отпадает. В этот момент поверхность яйцеклетки меняется, закрывая доступ другим сперматозоидам.

Вот тут и начинается настоящее чудо - зарождение новой жизни - деление единой клетки с двумя ядрами, образовавшейся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки. В процессе деления на 2-4-8-16-32-64 клетки, зародыш продвигается по направлению к матке, куда он попадает на 11-12 день после зачатия.

В этот период зародыш делится на две неравные части: большую, из которой образуется тельце будущего ребенка, и меньшую, образующую плаценту - орган дыхания, кровообращения, выделения и питания зародыша. Эта последняя часть плодного яйца прикрепляется к матке и углубляется в ее слизистую оболочку на 3-4 см. Отдельные клетки пробуриваются сквозь слизистую, достигая контакта с сосудами матки. Таким образом осуществляется связь сосудов плаценты с сосудами матери.

Мальчик или девочка?

Пол зачатого малыша определяется в момент оплодотворения и зависит от того, какой сперматозоид оказался в яйцеклетке - носитель женского или мужского типа. При слиянии двух клеток, мужской и женской, зародыш наследует гены (определенные свойства): от матери - из ее яйцеклетки, от отца - из сперматозоида.

Мне часто задают вопрос, можно ли спланировать пол будущего малыша. Бытует мнение, что если половой акт был до овуляции, то будет девочка, а если после овуляции - то мальчик. Или, если во время беременности есть те или иные продукты, то родится ребенок желаемого пола. На самом деле этот метод планирования пола ни что иное, как "бабушкины выдумки".

Планирование пола ребенка - это очень трудный и дорогостоящий процесс; в "домашних условиях" сделать это невозможно. Пол можно спланировать только при искусственном оплодотворении , при электронной микроскопии сперматозоидов, или при определении половых хромосом: Х или Y. В остальных ситуациях все зависит только от случая.

Глупо так же предположение, будто в том, что всегда рождаются только девочки или мальчики, виновата женщина. Современной наукой давно доказано, что на половую принадлежность детей оказывает влияние только мужчина.

Впервые законы наследственности точно сформулировал Грегор Мендель в конце XIX века. Носителями наследственности у растений, животных и людей являются так называемые наследственные тельца — хромосомы . В каждой клетке человека содержится 46 хромосом: 44 обычные и 2 половые.

Хромосомная схема человека:

Женщина = 44+XX;
Мужчина = 44+XY.

Когда сперматозоид проникает в яйцеклетку, происходит важное деление, в результате которого половина хромосом отбрасывается:

Яйцеклетка 44+XX (после деления 22+X);
Сперматозоид 44+XY (после деления 22+X или 22+Y).

Процесс оплодотворения и определения пола происходит следующим образом:

Яйцеклетка + Сперматозоид
(22+X) + (22+X) = 44+XX(зародыш девочки);
(22+X) + (22+Y) = 44+XY(зародыш мальчика).