Гаметогенез: образование половых клеток

В 1677 году голландец Антони ван Левенгук, шлифовавший линзы и разглядывавший в них всё подряд, впервые увидел в микроскоп сперматозоиды — подвижные «зверьки» с хвостиками. Открытие немедленно породило спор, который длился полтора века и сегодня кажется забавным, но в своё время был совершенно серьёзным.

Преформисты считали, что организм не развивается, а лишь разворачивается из уже готового крошечного зачатка. И тут они разделились на два лагеря.

Анималькулисты (от «анималькулюс» — зверёк) утверждали, что готовый человечек сидит в сперматозоиде, а мать лишь даёт ему место и питание. В 1695 году Никола Гартсёкер опубликовал знаменитый рисунок: свернувшийся человечек внутри головки сперматозоида. Рисунок был не наблюдением, а предположением, но вошёл во все учебники истории биологии.

Овисты держались противоположного: зачаток сидит в яйце, а сперматозоид только запускает развитие. У этой версии было неудобное следствие — «вложенность»: если зародыш готов заранее, то внутри него готов зародыш следующего поколения, и так далее. Получалось, что в яичниках праматери были заложены все поколения человечества сразу.

Чем кончился спор. В 1827 году Карл Бэр обнаружил яйцеклетку млекопитающих — у собаки, а затем и у человека. Стало ясно, что обе стороны владеют лишь половиной правды: в оплодотворении участвуют две клетки, и ни одна из них не содержит готового организма. Бэр же сформулировал закон зародышевого сходства и стал основателем эмбриологии.

Что взять из этой истории. Во-первых, сам вывод: организм не развёрнут заранее, он развивается, и развитие идёт от общего к частному. Во-вторых, причину, по которой спор так затянулся: обе гаметы крайне непохожи друг на друга, и это неравенство требует объяснения. Им мы сейчас и займёмся.

Сперматозоид человека — одна из самых мелких клеток тела. Яйцеклетка — одна из самых крупных, её видно почти невооружённым глазом. Разница в объёме огромна. Это не случайность, а разделение задач, и объяснить его требуется в развёрнутых ответах.

Задача сперматозоида — добраться. Всё, что мешает движению, из него убрано: цитоплазмы почти нет, запасных веществ нет, форма обтекаемая. Зато есть три вещи, необходимые для работы: — ядро с гаплоидным набором хромосом — единственный ценный груз; — акросома — видоизменённый комплекс Гольджи на переднем конце, пузырёк с ферментами, растворяющими оболочки яйцеклетки; — митохондрии, собранные в шейке спиралью вокруг основания жгутика: они дают АТФ для его биения. Мотор поставлен прямо у винта — иначе энергию пришлось бы гнать через всю клетку.

Задача яйцеклетки — обеспечить старт. После оплодотворения зигота начинает делиться немедленно, и на первых порах зародыш ничего не ест и почти ничего не синтезирует заново. Всё нужное должно лежать внутри заранее: — запас питательных веществ (желток); — запас рибосом, информационных РНК и белков, чтобы первые деления шли без работы собственных генов зародыша; — оболочки, защищающие зародыш и не пропускающие второй сперматозоид после оплодотворения; — и, конечно, ядро с гаплоидным набором.

Отсюда и разница в количестве. Дорогую клетку нельзя производить миллионами: у женщины созревает примерно одна яйцеклетка в месяц. Дешёвую клетку выгодно производить в огромном числе, потому что до цели дойдут единицы: у мужчины образуются сотни миллионов сперматозоидов.

И ещё одно следствие, которое спрашивают. Митохондрии зародыш получает почти исключительно от матери: в яйцеклетке их десятки тысяч, а немногие проникшие митохондрии сперматозоида разрушаются. Поэтому митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии — на этом построены и генеалогические исследования, и наследование митохондриальных болезней только от матери.

Сперматозоид человека — одна из самых мелких клеток тела, около 55 мкм в длину, из которых на головку приходится всего 5 мкм. В головке лежит ядро с гаплоидным набором и акросома — видоизменённый комплекс Гольджи с ферментами, растворяющими оболочки яйцеклетки. В шейке находятся центриоли и спираль митохондрий, дающих АТФ для движения жгутика. Цитоплазмы в сперматозоиде почти нет — он должен быть подвижным. Яйцеклетка человека, наоборот, крупнейшая клетка организма — около 130 мкм, неподвижная, с большим запасом питательных веществ и информационных РНК для первых делений зародыша. Именно поэтому в овогенезе цитоплазма делится неравномерно: если бы она делилась поровну, все четыре клетки оказались бы слишком бедными, чтобы прокормить зародыш. По количеству желтка яйцеклетки делят на изолецитальные (мало желтка, распределён равномерно — ланцетник, млекопитающие), телолецитальные (много желтка, смещён к одному полюсу — птицы, рептилии, земноводные) и центролецитальные (желток в центре — насекомые).

Это один из самых частых вопросов на экзамене, и отвечать на него надо механизмом, а не словами «мейоз даёт разнообразие».

Сначала — почему клеток четыре. Перед делением ДНК удваивается один раз, а делений происходит два. Значит, исходный удвоенный материал распределяется на четыре порции: 2n4c → два раза по n2c → четыре раза по nc. Один цикл удвоения и два цикла деления — отсюда и четвёрка, и уменьшение набора вдвое.

Теперь — почему они разные. Причина первая: независимое расхождение. В анафазе первого деления к полюсам расходятся гомологичные хромосомы целиком: одна из пары — к одному полюсу, вторая — к другому. Какая именно достанется какому полюсу, решается для каждой пары независимо. Если пар 23, вариантов распределения 2²³. Уже поэтому две получившиеся клетки почти наверняка несут разные наборы отцовских и материнских хромосом.

Причина вторая: кроссинговер. В профазе первого деления гомологичные хромосомы сближаются вплотную (конъюгируют) и обмениваются равными участками. После обмена каждая хромосома несёт куски и отцовского, и материнского происхождения. Значит, различаются уже не только наборы хромосом, но и сами хромосомы.

Причина третья: во втором делении расходятся сестринские хроматиды, а они после кроссинговера перестали быть одинаковыми. Поэтому четыре конечные клетки отличаются друг от друга, а не разбиваются на две пары близнецов.

Сравни с митозом. Там одно удвоение и одно деление, гомологичные хромосомы ведут себя независимо друг от друга и не конъюгируют, кроссинговера нет. Расходятся сестринские хроматиды — точные копии. Результат: две клетки, идентичные исходной и друг другу, с прежним набором 2n.

Формулировка, годная для ответа на экзамене. «В мейозе образуются четыре гаплоидные клетки, различающиеся генетически, потому что при удвоении ДНК один раз происходит два деления; в профазе I идёт кроссинговер, а в анафазе I гомологичные хромосомы расходятся независимо, что даёт разные комбинации отцовских и материнских хромосом». Три причины — три засчитанных элемента ответа.

Биологический смысл. Мейоз решает сразу две задачи. Первая — уменьшить набор вдвое, иначе при каждом оплодотворении число хромосом удваивалось бы и вид не сохранился бы. Вторая — перемешать гены, дав материал для естественного отбора. Одна и та же перестройка обслуживает и постоянство вида, и его изменчивость.

Мейоз у обоих полов идёт одинаково: два деления, четыре гаплоидные клетки. Но результат разный, и причина не в мейозе, а в распределении цитоплазмы.

Сперматогенез. Цитоплазма делится поровну, и все четыре клетки становятся полноценными сперматозоидами. Это выгодно: сперматозоиду не нужны запасы, ему нужно добраться и доставить ядро. Чем их больше, тем выше шанс оплодотворения.

Овогенез. Цитоплазма делится крайне неравномерно: почти всё достаётся одной клетке, а три другие получают полный набор хромосом и почти ничего больше. Эти три клетки называют направительными (полярными) тельцами, и они погибают. Полноценной яйцеклеткой становится одна.

Зачем такая несправедливость? Потому что задачи клеток противоположны. Яйцеклетка должна не двигаться, а кормить будущий зародыш: до имплантации (или до прорастания, если речь о яйце) он живёт только за счёт её запасов — желтка, рибосом, иРНК, митохондрий. Разделить эти запасы на четверых значило бы получить четыре нежизнеспособные клетки вместо одной жизнеспособной.

Отсюда и разница в размерах: яйцеклетка человека около 130 мкм и видна невооружённым глазом на пределе, а сперматозоид — одна из самых мелких клеток организма. У птиц разница ещё нагляднее: желток куриного яйца — это одна огромная яйцеклетка.

Второе важное отличие — во времени. Сперматогенез начинается с полового созревания и идёт непрерывно всю жизнь. Овогенез начинается ещё до рождения девочки и останавливается на профазе мейоза I на годы и десятилетия; деление завершается только при созревании конкретной яйцеклетки. Из этой остановки следует практический вывод, который спрашивают: чем старше женщина, тем дольше ооцит простоял в подвешенном состоянии и тем выше риск нерасхождения хромосом, то есть геномных мутаций у потомства.

И третье: у сперматогенеза есть четвёртая стадия — зона формирования, где округлая клетка превращается в подвижный сперматозоид с жгутиком. В овогенезе такой стадии нет.

Сперматогенез и овогенез различаются не только числом клеток, но и временем, и это различие даёт очень важные следствия.

У мужчины сперматогенез начинается с половым созреванием и идёт непрерывно: сперматогонии делятся митозом всю жизнь, каждый цикл образования сперматозоида занимает порядка двух-трёх месяцев. Поток клеток постоянно обновляется.

У женщины всё наоборот. Размножение клеток-предшественниц заканчивается ещё до рождения: к моменту появления на свет в яичниках заложены все ооциты, которые когда-либо будут, и новых не появится. Их около одного-двух миллионов, и дальше их число только убывает; до овуляции доживают за всю жизнь около четырёхсот.

Ещё важнее другое: эти ооциты уже вступили в мейоз и остановились в профазе первого деления. Они стоят на паузе годами. Первое деление завершается только перед овуляцией, а второе — вообще лишь после проникновения сперматозоида. Получается, что мейоз одной клетки растягивается на десятилетия.

Следствие, о котором спрашивают в вопросах по генетике человека. Чем дольше клетка стоит на паузе, тем выше вероятность сбоя при расхождении хромосом — нерасхождения. Именно поэтому риск рождения ребёнка с трисомией по 21-й хромосоме (синдром Дауна) заметно растёт с возрастом матери. Это не морализаторство, а прямое следствие устройства овогенеза, и на экзамене его надо уметь объяснить.

Второе следствие. Мутации, накопившиеся в делящихся клетках, чаще передаются по отцовской линии: у мужчины клетки-предшественники делятся всю жизнь, а каждое деление — это ещё одна возможность ошибки при репликации ДНК. У женщины делений уже не происходит.

Сравнение в одну строку. Сперматогенез: начинается поздно, идёт непрерывно, из одной клетки — четыре равноценные гаметы. Овогенез: начинается до рождения, идёт с длительными остановками, из одной клетки — одна гамета и три полярных тельца.

Задание 27 требует назвать набор хромосом и число молекул ДНК на разных стадиях. Таблицу можно вызубрить, но она вылетает из головы; лучше держать в уме три правила и выводить ответ на месте.

Правило 1. Буква n считает хромосомы, буква c — молекулы ДНК. 2n2c значит: хромосом двойной набор, каждая состоит из одной молекулы ДНК. 2n4c значит: хромосом по-прежнему двойной набор, но каждая уже удвоена и состоит из двух хроматид, то есть из двух молекул ДНК.

Правило 2. Удвоение ДНК меняет только c. В интерфазе, в синтетическом периоде, каждая хромосома удваивается, но остаётся одной хромосомой с двумя хроматидами. Поэтому 2n2c превращается в 2n4c: число хромосом не изменилось, число молекул ДНК удвоилось. Это самое частое место ошибки.

Правило 3. Деление меняет и n, и c — но по-разному в разных делениях. В первом делении мейоза расходятся целые хромосомы из пары, поэтому 2n4c даёт две клетки по n2c: хромосом стало вдвое меньше, и ДНК тоже. Во втором делении расходятся хроматиды, поэтому n2c даёт nc: хромосом столько же, а ДНК вдвое меньше.

Пройдём по зонам гаметогенеза. — Зона размножения: клетки делятся митозом, набор 2n2c, после удвоения 2n4c, после деления снова 2n2c. — Зона роста: деления нет, клетка растёт и накапливает вещества, ДНК уже удвоена — 2n4c. Это стадия сперматоцита I порядка и ооцита I порядка. — Зона созревания, после первого деления: n2c. Сперматоциты II порядка, ооцит II порядка и первое полярное тельце. — Зона созревания, после второго деления: nc. Сперматиды, яйцеклетка и полярные тельца. — Зона формирования (только у самцов): сперматида превращается в сперматозоид, деления нет, набор остаётся nc.

Проверка ответа. В гамете всегда nc. Если у тебя в яйцеклетке получилось n2c, значит, ты остановился на ооците II порядка — а он завершает второе деление только после проникновения сперматозоида. Кстати, именно поэтому в организме женщины полноценной яйцеклетки в готовом виде обычно и нет: овулирует ооцит II порядка.

Оба процесса опираются на мейоз, и именно поэтому их путают. Разведём их по трём признакам.

Что получается. У животных мейоз даёт гаметы: клетки, которые сами по себе организма не дают и обязаны слиться. У растений мейоз даёт споры: клетки, которые прорастают самостоятельно, без всякого слияния.

Где в цикле стоит мейоз. У животных — при образовании гамет, прямо перед оплодотворением. У растений — при образовании спор, и между мейозом и оплодотворением успевает вырасти целое поколение, гаметофит. Гаметы у растений образуются митозом, потому что гаметофит уже гаплоиден и делить набор ему незачем.

Чем это оборачивается на практике. У животных весь организм диплоиден, гаплоидны только гаметы. У растений чередуются два самостоятельных поколения — диплоидный спорофит и гаплоидный гаметофит.

Почему это спрашивают. Потому что на этом ломаются задачи на подсчёт хромосом. Спросили «какой набор в клетках листа папоротника» — лист принадлежит спорофиту, значит, 2n. Спросили про заросток — это гаметофит, значит, n. Спросили про спору — она образовалась мейозом, значит, n. Спросили про сперматозоид животного — мейоз, значит, n; про клетку его печени — 2n.

Единственное правило, которое надо держать в голове: найди, после чего образовалась клетка. После мейоза — гаплоидна. После митоза — такая же, как та, из которой получилась.

Откуда. Гаметогенез стоит на мейозе из модуля о делении клетки: все четыре зоны — это, по сути, обёртка вокруг двух мейотических делений. И на прошлом уроке: половое размножение требует гамет, а гаметы надо где-то взять.

Куда. Дальше — оплодотворение: две гаплоидные гаметы сливаются, и восстанавливается диплоидный набор. Устройство сперматозоида объяснит, как он проникает в яйцеклетку; запасы яйцеклетки объяснят, почему первые деления зародыша идут без питания извне. А в генетике всё, что мы сказали про независимое расхождение и кроссинговер, превратится в законы Менделя и в сцепленное наследование: расщепление признаков у потомства — это и есть видимое проявление того, что происходило в зоне созревания.