Введение

Соединение гамет противоположного пола в процессе полового размножения для образования зиготы – оплодотворение у животных и растений.

Оплодотворение, также известное как генеративное оплодотворение, сингамия и импрегнация, – это слияние гамет, приводящее к образованию зиготы и началу ее развития в новый организм или потомство. Хотя такие процессы, как осеменение или опыление, происходящие до слияния гамет, иногда неформально называют оплодотворением, технически это отдельные процессы. Цикл оплодотворения и развития новых особей называется половым размножением. Во время двойного оплодотворения у цветковых растений гаплоидная мужская гамета соединяется с двумя гаплоидными полярными ядрами, образуя триплоидное первичный эндосперм в процессе вегетативного оплодотворения.

История

В древности Аристотель представлял себе формирование новых особей как результат слияния мужских и женских жидкостей, при этом форма и функции возникали постепенно, в процессе, который он назвал эпигенезом. В 1784 году Спалланцани установил, что для образования зиготы у лягушек необходимо взаимодействие яйцеклетки самки и сперматозоида самца.

Эволюция

Эволюция оплодотворения связана с происхождением мейоза, поскольку оба являются частью полового размножения, возникшего у эукариот. Одна из гипотез утверждает, что мейоз произошел от митоза.

Оплодотворение растений

Гаметы, участвующие в оплодотворении растений, – это спермии (мужские) и яйцеклетки (женские). Различные группы растений используют разные механизмы, посредством которых гаметы, производимые мужскими и женскими гаметофитами, объединяются и оплодотворяются. У мхов и папоротниковых оплодотворение спермия и яйцеклетки происходит внутри архегония. У семенных растений мужской гаметофит формируется внутри пыльцевого зерна. После опыления пыльцевое зерно прорастает, и пыльцевая трубка растет, проникая в семязачаток через крошечное отверстие, называемое микропиле. Спермии переносятся из пыльцевого зерна через пыльцевую трубку в семязачаток, где происходит оплодотворение яйцеклетки. У цветковых растений из пыльцевой трубки высвобождаются два спермия, и происходит второе оплодотворение, в котором участвует второй спермий и центральная клетка семязачатка, являющаяся второй женской гаметой.

Растение пыльцевой трубки

В отличие от подвижной спермы животных, сперма большинства семенных растений неподвижна и полагается на пыльцевую трубку для доставки к семязачатку, где происходит высвобождение спермия. Пыльцевая трубка проникает в рыльце и удлиняется через внеклеточный матрикс столбика, прежде чем достичь завязи. Затем, по мере приближения к приёмнику, она прорывается через микропиле (отверстие в оболочке семязачатка) и "врывается" в зародышевый мешок, высвобождая спермии. Долгое время считалось, что рост пыльцевой трубки зависит от химических сигналов из пестика, однако механизмы этого процесса оставались неясными до 1995 года. Исследования на табаке выявили семейство гликопротеинов, известных как белки TTS, которые стимулируют рост пыльцевых трубок. Для сингамии с каждым семязачатком в плодах с множеством семян требуется несколько зерен пыльцы. Рост пыльцевой трубки контролируется вегетативной (или трубчатой) цитоплазмой. Пыльцевая трубка секретирует гидролитические ферменты, расщепляющие ткани материнского растения по мере продвижения трубки через рыльце и столбик; продукты расщепления служат источником питательных веществ для растущей пыльцевой трубки. В процессе роста пыльцевой трубки к завязи генеративное ядро делится, образуя два отдельных ядра спермия (с гаплоидным набором хромосом) – таким образом, растущая пыльцевая трубка содержит три отдельных ядра: два спермия и одно трубное. Спермии соединены между собой и демонстрируют диморфизм; у ряда растений крупный спермий также связан с трубным ядром, а соединенные спермии и трубное ядро формируют "мужскую зародышевую единицу". Двойное оплодотворение – это процесс, происходящий у покрытосеменных (цветковых) растений, при котором два спермия из каждой пыльцевой трубки оплодотворяют две клетки женского гаметофита (иногда называемого зародышевым мешком), находящегося внутри семязачатка. После проникновения пыльцевой трубки в гаметофит ядро пыльцевой трубки разрушается, и два спермия высвобождаются; одно из них оплодотворяет яйцеклетку (расположенную в нижней части гаметофита возле микропиле), формируя диплоидную (2n) зиготу. Именно в этот момент происходит оплодотворение; опыление и оплодотворение – это два отдельных процесса. Ядро другого спермия сливается с двумя гаплоидными полярными ядрами (содержащимися в центральной клетке) в центре гаметофита. В результате образуется триплоидная (3n) клетка. Эта триплоидная клетка делится митозом, формируя эндосперм – питательную ткань, находящуюся внутри семени. У многих растений развитие мякоти плода пропорционально проценту оплодотворенных семязачатков. Например, для формирования арбуза нормального размера и формы необходимо равномерно распределить около тысячи зерен пыльцы по трем лопастям рыльца.

Самоопыляние и пересечение

Взаимное опыление, или перекрестное опыление, и самоопыление представляют собой различные стратегии с различными преимуществами и издержками. По оценкам, 48,7% видов растений являются либо раздельнополыми, либо самонесовместимыми облигатными перекрестноопыляемыми. Также оценивается, что около 42% цветущих растений демонстрируют смешанную систему скрещивания в природе. В наиболее распространенном типе смешанной системы скрещивания отдельные растения производят один тип цветков, а плоды могут содержать самоопыленные, перекрестноопыленные или смешанные типы потомства. Переход от перекрестного опыления к самоопылению является наиболее распространенным эволюционным переходом у растений и неоднократно происходил во многих независимых линиях. Около 10–15% цветущих растений преимущественно самоопыляются. Arabidopsis thaliana – преимущественно самоопыляемое растение с уровнем перекрестного опыления в дикой природе менее 0,3%; исследование показало, что самоопыление эволюционировало примерно миллион лет назад или более у A. thaliana. У давно установившихся самоопыляемых растений маскировка вредных мутаций и создание генетической изменчивости происходит редко и, следовательно, вряд ли обеспечит достаточную выгоду на протяжении многих поколений для поддержания мейотического аппарата. Следовательно, можно было бы ожидать, что самоопыление будет заменено в природе амейотической бесполой формой размножения, которая была бы менее затратной. Однако фактическое сохранение мейоза и самоопыления как формы размножения у давно установившихся самоопыляемых растений может быть связано с немедленной выгодой эффективного рекомбинационного восстановления повреждений ДНК во время образования зародышевых клеток, обеспечиваемого мейозом в каждом поколении.

Внутренние и внешние

Рассмотрение того, использует ли животное (в особенности позвоночное) внутреннее или внешнее оплодотворение, часто зависит от способа размножения. Яйцекладущие животные, откладывающие яйца с толстыми кальциевыми скорлупами, такие как куры, или толстыми кожистыми скорлупами, обычно размножаются посредством внутреннего оплодотворения, чтобы сперма оплодотворяла яйцо, не проходя через толстый защитный третичный слой скорлупы. Яйцеживородящие и живородящие животные также используют внутреннее оплодотворение. Хотя некоторые организмы размножаются посредством амплексуса, они все равно могут использовать внутреннее оплодотворение, как у некоторых саламандр. Преимущества внутреннего оплодотворения включают минимальные потери гамет, более высокую вероятность оплодотворения каждой яйцеклетки, более длительный период защиты яйца и избирательное оплодотворение. Многие самки способны хранить сперму в течение продолжительного времени и могут оплодотворять свои яйцеклетки по своему усмотрению. Яйцекладущие животные, производящие яйца с тонкими третичными оболочками или вовсе без них, напротив, используют методы внешнего оплодотворения. Такие животных точнее называть яйцерождающими. Внешнее оплодотворение выгодно тем, что оно минимизирует контакт (что снижает риск передачи заболеваний) и обеспечивает большее генетическое разнообразие.

Морские ежи

Сперматозоиды находят яйцеклетки посредством химиотаксиса, являющегося типом взаимодействия лиганд/рецептор. Resact – это 14-аминокислотный пептид, выделенный из желеобразной оболочки *A. punctulata*, который привлекает миграцию сперматозоидов. Обнаружив яйцеклетку, сперматозоиды проникают в желеобразную оболочку посредством процесса, называемого активацией спермы. В другом взаимодействии лиганд/рецептор олигосахаридный компонент яйцеклетки связывается и активирует рецептор на сперматозоиде, вызывая акросомальную реакцию. Акросомальные везикулы сперматозоида сливаются с плазматической мембраной и высвобождаются. В этом процессе молекулы, связанные с мембраной акросомальной везикулы, такие как биндин, оказываются на поверхности сперматозоида. Эти компоненты переваривают желеобразную оболочку и, в конечном итоге, вителлиновую мембрану. Помимо высвобождения акросомальных везикул, происходит взрывная полимеризация актина, формирующая тонкий шип на головке сперматозоида, называемый акросомальным отростком. Сперматозоид связывается с яйцеклеткой посредством еще одной лигандо-рецепторной реакции между рецепторами на вителлиновой мембране. Поверхностный белок сперматозоида биндин связывается с рецептором на вителлиновой мембране, идентифицированным как EBR1. Слияние плазматических мембран сперматозоида и яйцеклетки, вероятно, опосредовано биндином. В месте контакта слияние вызывает образование конуса оплодотворения.

млекопитающие

Млекопитающие оплодотворяются внутренне посредством копуляции. После эякуляции самца, множество сперматозоидов перемещаются в верхнюю часть влагалища (за счет сокращений влагалища) через шейку матки и по всей длине матки, чтобы встретиться с яйцеклеткой. В случаях, когда происходит оплодотворение, у самки обычно происходит овуляция в период, который начинается за несколько часов до копуляции и продолжается несколько дней после; поэтому у большинства млекопитающих эякуляция чаще предшествует овуляции, чем наоборот. Когда сперматозоиды попадают в переднюю часть влагалища, они не способны к оплодотворению (т.е. не обладают фертильностью) и характеризуются медленной линейной подвижностью. Эта подвижность, в сочетании с мышечными сокращениями, обеспечивает транспорт сперматозоидов к матке и фаллопиевым трубам. В микросреде женского репродуктивного тракта существует градиент pH: pH вблизи влагалищного отверстия ниже (около 5), чем в фаллопиевых трубах (около 8). Специфический для сперматозоидов, чувствительный к pH кальциевый транспортный белок, называемый CatSper, увеличивает проницаемость сперматозоидов для кальция по мере продвижения вглубь репродуктивного тракта. Приток внутриклеточного кальция способствует активации и гиперактивации сперматозоидов, вызывая более интенсивную и быструю нелинейную подвижность по мере приближения к яйцеклетке. Активированные сперматозоиды и яйцеклетка встречаются и взаимодействуют в ампуле фаллопиевой трубы. Реотаксис, термотаксис и хемотаксис – известные механизмы, направляющие сперматозоиды к яйцеклетке на заключительном этапе миграции. Сперматозоиды реагируют (см. Термотаксис сперматозоидов) на температурный градиент около 2°C между фаллопиевой трубой и ампулой, а хемотаксические градиенты прогестерона подтверждены как сигнал, исходящий от клеток кумулюса oophorus, окружающих яйцеклетки кроликов и человека. Активированные и гиперактивированные сперматозоиды реагируют на эти градиенты, изменяя свое поведение и двигаясь к комплексу кумулюса и яйцеклетки. Другие хемотаксические сигналы, такие как формил-метил-лейцил-фенилалан (fMLF), также могут направлять сперматозоиды. Зона пеллюцида, толстый слой внеклеточного матрикса, окружающий яйцеклетку и выполняющий аналогичную роль вителлиновой мембраны у морских ежей, связывает сперматозоиды. В отличие от морских ежей, сперматозоид связывается с яйцеклеткой до акросомальной реакции. ZP3, гликопротеин в зоне пеллюцида, отвечает за адгезию яйцеклетки/сперматозоида у человека. Рецептор галактозилтрансферазы (GalT) связывается с N-ацетилглюкозаминовыми остатками на ZP3 и важен для связывания со сперматозоидом и активации акросомальной реакции. ZP3 достаточен, хотя и не необходим для связывания сперматозоида с яйцеклеткой. Существуют два дополнительных рецептора сперматозоидов: белок 250 кДа, который связывается с белком, секретируемым фаллопиевой трубой, и SED1, который независимо связывается с зоной пеллюцида. После акросомальной реакции считается, что сперматозоид остается связанным с зоной пеллюцида через обнаженные рецепторы ZP2. Эти рецепторы неизвестны у мышей, но идентифицированы у морских свиней. У млекопитающих связывание сперматозоида с GalT инициирует акросомную реакцию. Этот процесс высвобождает гиалуронидазу, которая расщепляет матрикс гиалуроновой кислоты в оболочке вокруг яйцеклетки. Кроме того, гепарин-подобные гликозаминогликаны (GAG) высвобождаются вблизи яйцеклетки, способствуя акросомной реакции. Затем происходит слияние плазматических мембран яйцеклетки и сперматозоида, позволяющее ядру сперматозоида, типичной центриоле и атипичной центриоле, прикрепленной к жгутиком (но не митохондриям), проникнуть в яйцеклетку. Белок CD9, вероятно, опосредует это слияние у мышей (гомологичный связывающий белок). Яйцеклетка "активируется" при слиянии с одним сперматозоидом и тем самым изменяет свою клеточную мембрану, чтобы предотвратить слияние с другими сперматозоидами. Атомы цинка высвобождаются во время этой активации. Этот процесс в конечном итоге приводит к образованию диплоидной клетки, называемой зиготой. Зигота делится, образуя бластоцисту, и, попадая в матку, имплантируется в эндометрий, начиная беременность. Эмбриональная имплантация не в стенку матки приводит к внематочной беременности, которая может привести к смерти матери. У таких животных, как кролики, копуляция индуцирует овуляцию, стимулируя высвобождение гормона гонадотропина гипофиза; это высвобождение значительно повышает вероятность беременности.

Люди

Оплодотворение у человека – это слияние человеческой яйцеклетки и сперматозоида, обычно происходящее в ампуле маточной трубы, в результате чего образуется одноклеточная зигота – первый этап жизни в развитии генетически уникального организма, и запускается эмбриональное развитие. Динамику оплодотворения человека ученые изучили в девятнадцатом веке. Термин «зачатие» обычно обозначает «процесс наступления беременности, включающий оплодотворение или имплантацию, или и то, и другое». Использование этого термина порождает семантические споры о начале беременности, особенно в контексте дебатов об абортах. После гаструляции, которая происходит примерно через 16 дней после оплодотворения, имплантированная бластоциста формирует три зародышевых листка – эндодерму, эктодерму и мезодерму, и генетический код отца полностью включается в развитие эмбриона; дальнейшее развитие близнецов невозможно. Кроме того, межвидовые гибриды выживают только до стадии гаструляции и не способны развиваться дальше. Однако в некоторых публикациях по биологии развития человека используется термин «концептус», а в медицинской литературе – «продукты зачатия», подразумевающие эмбрион после имплантации и окружающие его оболочки. Термин «зачатие» обычно не используется в научной литературе из-за его неоднозначного определения и смысловой нагрузки.

Инсекты

Насекомые из разных групп, включая Odonata (стрекозы и подёнки) и Hymenoptera (муравьи, пчёлы и осы) практикуют отсроченное оплодотворение. У стрекоз самки могут спариваться с несколькими самцами и хранить сперму до откладывания яиц. Самец может зависать над самкой во время откладывания яиц (овипозиции), чтобы предотвратить её спаривание с другими самцами и замену его спермы; в некоторых группах, таких как стрекозы-ткачики, самец продолжает удерживать самку своими хватательными органами во время откладывания яиц, и пара летает в тандеме. Среди социальных гименоптер матки медоносных пчёл спариваются только во время брачных полётов, в течение короткого периода, длящегося несколько дней; матка может спариваться с восемью или более трутнями. Затем она хранит сперму на протяжении всей своей жизни, возможно, пять лет и более.

Оплодотворение грибами

У многих грибов (кроме хитридиомицетов), как и у некоторых протистов, оплодотворение представляет собой двухэтапный процесс. Сначала происходит слияние цитоплазм двух гамет (это называется плазмогамией), в результате чего образуется дикариотическая или гетерокариотическая клетка с множеством ядер. Эта клетка затем может делиться, образуя дикариотические или гетерокариотические гифы. Вторым этапом оплодотворения является кариогамия – слияние ядер с образованием диплоидной зиготы. У хитридиомицетов оплодотворение происходит за один этап, посредством слияния гамет, как у животных и растений.

Оплодотворение водорослей

Водоросли, как и некоторые наземные растения, переживают смену поколений. Некоторые водоросли изморфны, при этом спорофит (2n) и гаметофит (n) морфологически одинаковы. Если размножение водорослей описывается как оогамия, то мужские и женские гаметы различаются по морфологии: женские гаметы представлены крупным неподвижным яйцом, а мужские гаметы – одножгутиковые (подвижные). В результате процесса синггамии образуется новая зигота, восстанавливающая поколение спорофитов.

Оплодотворение и генетическая рекомбинация

В результате мейоза происходит случайное разделение генов, которые вносит каждый из родителей. Каждый родительский организм обычно идентичен, за исключением небольшой доли его генов; следовательно, каждая гамета генетически уникальна. При оплодотворении происходит объединение родительских хромосом. У человека возможно образование (2²²)² = 17,6 x 10¹² хромосомно различных зигот для аутосом, даже при отсутствии кроссинговера. Если кроссинговер происходит один раз, то в среднем возможно образование (4²²)² = 309 x 10²⁴ генетически различных зигот для каждой пары, не учитывая, что события кроссинговера могут происходить в большинстве точек вдоль каждой хромосомы. Х- и Y-хромосомы не подвергаются кроссинговеру и поэтому исключены из расчета. Митохондриальная ДНК наследуется исключительно от матери.

Центросомы астера спермы и зиготы

Вскоре после слияния сперматозоида с яйцеклеткой, два центриоли сперматозоида формируют первую центросому эмбриона и астер микротрубочек. Центриоль сперматозоида, расположенный вблизи мужского пронуклеуса, рекрутирует белки перицентриолярного материала яйцеклетки, формируя первую центросому зиготы. Эта центросома инициирует нуклеацию микротрубочек в форме звезд, называемых астральными микротрубочками. Микротрубочки охватывают весь объем яйцеклетки, позволяя женскому пронуклеусу использовать их в качестве направляющих для достижения мужского пронуклеуса. По мере сближения мужского и женского пронуклеусов, единственная центросома делится на две, располагаясь в интерфазе между пронуклеусами. Затем центросома, посредством астральных микротрубочек, поляризует геном внутри пронуклеусов.

Партеногенез

Организмы, которые обычно размножаются половым путем, также могут размножаться посредством партеногенеза, при котором неоплодотворенная женская гамета дает жизнеспособное потомство. Это потомство может быть клоном матери, или, в некоторых случаях, генетически отличаться от нее, наследуя лишь часть ее ДНК. Партеногенез встречается у многих растений и животных и может быть индуцирован у других химическим или электрическим стимулом, воздействующим на яйцеклетку. В 2004 году японские исследователи под руководством Томохиро Коно после 457 попыток добились успеха в слиянии яйцеклеток двух мышей, блокируя определенные белки, которые обычно предотвращают такую возможность; полученный эмбрион нормально развился в мышь.

Аллогамия и автогамия

Аллогамия, также известная как перекрестное опыление, – это оплодотворение яйцеклетки одного организма мужской гаметой другого организма. Автогамия, также известная как самоопыление, происходит у гермафродитов, таких как растения и плоские черви, где две гаметы от одного организма сливаются.

Преимущества перекрестного оплодотворения

Основным преимуществом перекрестного опыления, как правило, считается предотвращение инбридинговой депрессии. Чарльз Дарвин в своей книге 1876 года «Влияние перекрестного и самоопыления в растительном царстве» (стр. 466–467) суммировал свои выводы следующим образом: «В настоящем томе показано, что потомство от скрещивания двух различных особей, особенно если их предки подвергались существенно различным условиям, обладает значительным преимуществом в росте, весе, жизнестойкости и плодовитости по сравнению с потомством, полученным от самоопыления одного и того же родителя. И этого факта вполне достаточно, чтобы объяснить развитие половых признаков, то есть возникновение двух полов». Помимо этого, некоторые полагают, что долгосрочным преимуществом ауткроссинга в природе является повышенная генетическая изменчивость, способствующая адаптации или предотвращению вымирания (см. Генетическая изменчивость).