Оплодотворение или фертилизация (см. различия в написании ), также известное как генеративное оплодотворение , сингамия и оплодотворение , [1] представляет собой слияние гамет для образования зиготы и начала ее развития в новый индивидуальный организм или потомство. [2] Хотя такие процессы, как осеменение или опыление , которые происходят до слияния гамет, также иногда неформально называют оплодотворением, [3] технически это отдельные процессы. Цикл оплодотворения и развития новых особей называется половым размножением . Во время двойного оплодотворения у покрытосеменных растений гаплоидная мужская гамета объединяется с двумя гаплоидными полярными ядрами , образуя триплоидное первичное ядро эндосперма в процессе вегетативного оплодотворения.
В древности Аристотель рассматривал формирование новых особей посредством слияния мужских и женских жидкостей, при этом форма и функция возникают постепенно, способом, который он называл эпигенетическим . [4]
В 1784 году Спалланцани установил необходимость взаимодействия между яйцеклеткой самки и спермой самца для образования зиготы у лягушек. [5] В 1827 году Карл Эрнст фон Бэр впервые наблюдал яйцо млекопитающего териа . [4] Оскар Гертвиг (1876) в Германии описал слияние ядер сперматозоидов и яйцеклеток морского ежа . [5]
Эволюция оплодотворения связана с происхождением мейоза , поскольку оба являются частью полового размножения , возникшего у эукариот . Одна из гипотез утверждает, что мейоз произошел от митоза. [6]
Гаметы, которые участвуют в оплодотворении растений, — это сперматозоид (мужская клетка) и яйцеклетка (женская клетка). Различные группы растений имеют различные методы, с помощью которых гаметы, произведенные мужскими и женскими гаметофитами, соединяются и оплодотворяются. У мохообразных и папоротникообразных наземных растений оплодотворение сперматозоида и яйцеклетки происходит внутри архегония . У семенных растений мужской гаметофит образуется внутри пыльцевого зерна. После опыления пыльцевое зерно прорастает , и пыльцевая трубка растет и проникает в семяпочку через крошечную пору, называемую микропиле . Сперма переносится из пыльцы через пыльцевую трубку в семяпочку, где оплодотворяется яйцеклетка. У цветковых растений из пыльцевой трубки высвобождаются два спермия, и происходит второе событие оплодотворения с участием второго спермия и центральной клетки семяпочки, которая является второй женской гаметой. [7]
В отличие от спермы животных, которая подвижна, сперма большинства семенных растений неподвижна и полагается на пыльцевую трубку , чтобы доставить ее к семяпочке, где она высвобождается. [8] Пыльцевая трубка проникает в рыльце и удлиняется через внеклеточный матрикс столбика, прежде чем достичь яичника. Затем около цветоложа она прорывается через семяпочку через микропиле (отверстие в стенке семяпочки), и пыльцевая трубка «врывается» в зародышевый мешок, высвобождая сперму. [9] Считалось, что рост пыльцевой трубки зависит от химических сигналов от пестика, однако эти механизмы были плохо изучены до 1995 года. Работа, проведенная на растениях табака, выявила семейство гликопротеинов , называемых белками TTS, которые усиливают рост пыльцевых трубок. [9] Пыльцевые трубки в среде для прорастания пыльцы без сахара и в среде с очищенными белками TTS росли обе. Однако в среде TTS трубки росли со скоростью в 3 раза большей, чем в среде без сахара. [9] TTS-белки также были помещены в различные места полу- in vivo опыляемых пестиков, и пыльцевые трубки, как было замечено, немедленно вытягивались в сторону белков. Трансгенные растения, не способные производить TTS-белки, имели более медленный рост пыльцевых трубок и сниженную фертильность. [9]
Было показано, что разрыв пыльцевой трубки для высвобождения спермы у Arabidopsis зависит от сигнала от женского гаметофита. Определенные белки, называемые протеинкиназами FER, присутствующие в семяпочке, контролируют выработку высокореактивных производных кислорода, называемых активными формами кислорода (ROS). Было показано с помощью GFP, что уровни ROS достигают своего максимума во время цветочных стадий, когда семяпочка наиболее восприимчива к пыльцевым трубкам, и самые низкие во время развития и после оплодотворения. [8] Высокое количество ROS активирует каналы ионов кальция в пыльцевой трубке, заставляя эти каналы поглощать ионы кальция в больших количествах. Это повышенное поглощение кальция приводит к разрыву пыльцевой трубки и высвобождению спермы в семяпочку. [8] Анализы питания пестиков, в которых растениям давали дифенил иодоний хлорид (DPI), подавляли концентрацию ROS у Arabidopsis , что, в свою очередь, предотвращало разрыв пыльцевой трубки. [8]
После оплодотворения завязь начинает набухать и развиваться в плод . [10] В случае многосемянных плодов для сингамии с каждой семяпочкой необходимо несколько зерен пыльцы. Рост пыльцевой трубки контролируется вегетативной (или трубчатой) цитоплазмой. Пыльцевая трубка выделяет гидролитические ферменты , которые переваривают женскую ткань по мере того, как трубка растет вниз по рыльцу и столбику; переваренная ткань используется в качестве источника питательных веществ для пыльцевой трубки по мере ее роста. Во время роста пыльцевой трубки к завязи генеративное ядро делится, образуя два отдельных ядра спермия (гаплоидное число хромосом) [11] - таким образом, растущая пыльцевая трубка содержит три отдельных ядра, два спермия и одну трубку. [12] Сперматозоиды взаимосвязаны и диморфны, большой из них, у ряда растений, также связан с ядром трубки, а взаимосвязанный спермий и ядро трубки образуют «мужскую зародышевую единицу». [13]
Двойное оплодотворение — это процесс у покрытосеменных растений (цветковых растений), при котором два спермия из каждой пыльцевой трубки оплодотворяют две клетки в женском гаметофите (иногда называемом зародышевым мешком), который находится внутри семяпочки. После того, как пыльцевая трубка попадает в гаметофит, ядро пыльцевой трубки распадается, и высвобождаются два спермия; один из двух спермиев оплодотворяет яйцеклетку (в нижней части гаметофита около микропиле), образуя диплоидную (2n) зиготу . Это тот момент, когда оплодотворение фактически происходит; опыление и оплодотворение — это два отдельных процесса. Ядро другого спермия сливается с двумя гаплоидными полярными ядрами (содержащимися в центральной клетке) в центре гаметофита. Полученная клетка является триплоидной (3n). Эта триплоидная клетка делится посредством митоза и образует эндосперм , богатую питательными веществами ткань , внутри семени . [7] Два материнских ядра центральной клетки (полярные ядра), которые вносят вклад в эндосперм, возникают в результате митоза из единственного мейотического продукта, который также дал начало яйцеклетке. Таким образом, материнский вклад в генетическую конституцию триплоидного эндосперма вдвое больше, чем у эмбриона.
Один из примитивных видов цветковых растений, Nuphar polysepala , имеет диплоидный эндосперм, полученный в результате слияния сперматозоида с одним, а не двумя материнскими ядрами. Считается, что на раннем этапе развития линий покрытосеменных растений произошла дупликация в этом способе воспроизводства, в результате чего появились семиклеточные/восьмиядерные женские гаметофиты и триплоидные эндоспермы с соотношением материнского и отцовского геномов 2:1. [14]
У многих растений развитие мякоти плода пропорционально проценту оплодотворенных семяпочек. Например, у арбуза около тысячи зерен пыльцы должны быть доставлены и равномерно распределены по трем долям рыльца, чтобы получился плод нормального размера и формы. [ требуется цитата ]
Ауткроссинг , или перекрестное опыление, и самоопыление представляют собой разные стратегии с разными выгодами и издержками. По оценкам, 48,7% видов растений являются либо двудомными, либо самонесовместимыми облигатными ауткроссерами. [15] Также подсчитано, что около 42% цветковых растений демонстрируют смешанную систему спаривания в природе. [16]
В наиболее распространенном виде смешанной системы спаривания отдельные растения производят один тип цветка, а плоды могут содержать самоопыляемые, скрещенные или смесь типов потомства. Переход от перекрестного опыления к самоопылению является наиболее распространенным эволюционным переходом у растений и неоднократно происходил во многих независимых линиях. [17] Около 10-15% цветковых растений являются преимущественно самоопыляемыми. [17]
В условиях, когда опылители или партнеры редки, самооплодотворение дает преимущество репродуктивной гарантии . [17] Таким образом, самооплодотворение может привести к улучшению способности к колонизации. У некоторых видов самооплодотворение сохраняется на протяжении многих поколений. Capsella rubella — это самооплодотворяющийся вид, который стал самосовместимым 50 000–100 000 лет назад. [18] Arabidopsis thaliana — это преимущественно самооплодотворяющееся растение с показателем ауткроссинга в дикой природе менее 0,3%; [19] исследование показало, что самооплодотворение развилось примерно миллион лет назад или более у A. thaliana . [20] У давно существующих самооплодотворяющихся растений маскировка вредных мутаций и создание генетической изменчивости происходят нечасто и, таким образом, вряд ли обеспечат достаточную выгоду на протяжении многих поколений для поддержания мейотического аппарата. Следовательно, можно было бы ожидать, что самооплодотворение будет заменено в природе амейотической бесполой формой размножения, которая будет менее затратной. Однако фактическое сохранение мейоза и самооплодотворения как формы размножения у давно существующих самооплодотворяющихся растений может быть связано с непосредственной выгодой от эффективного рекомбинационного восстановления повреждений ДНК во время формирования зародышевых клеток, обеспечиваемого мейозом в каждом поколении. [ необходима цитата ]
Механизм оплодотворения был подробно изучен на морских ежах и мышах. Это исследование рассматривает вопрос о том, как сперматозоид и соответствующая яйцеклетка находят друг друга, и вопрос о том, как только один сперматозоид попадает в яйцеклетку и доставляет ее содержимое. Существует три этапа оплодотворения, которые обеспечивают видоспецифичность:
Рассмотрение того, использует ли животное (точнее позвоночное) внутреннее или внешнее оплодотворение , часто зависит от способа рождения. Яйцекладущие животные, откладывающие яйца с толстой кальциевой оболочкой, например, куры , или толстой кожистой оболочкой, обычно размножаются посредством внутреннего оплодотворения, так что сперма оплодотворяет яйцеклетку, не проходя через толстый защитный третичный слой яйца. Яйцеживородящие и живородящие животные также используют внутреннее оплодотворение. Хотя некоторые организмы размножаются посредством амплексуса , они все равно могут использовать внутреннее оплодотворение, как некоторые саламандры. Преимущества внутреннего оплодотворения включают минимальные отходы гамет, большую вероятность индивидуального оплодотворения яйцеклеток, более длительный период защиты яйцеклеток и избирательное оплодотворение. Многие самки обладают способностью хранить сперму в течение длительных периодов времени и могут оплодотворять свои яйцеклетки по собственному желанию. [ необходима цитата ]
С другой стороны, яйцекладущие животные, производящие яйца с тонкими третичными мембранами или вообще без мембран, используют методы внешнего оплодотворения. Таких животных точнее было бы назвать яйцекладущими. [21] Внешнее оплодотворение выгодно тем, что оно минимизирует контакт (что снижает риск передачи заболеваний) и увеличивает генетическую изменчивость.
Сперматозоиды находят яйцеклетки посредством хемотаксиса , типа лиганд/рецепторного взаимодействия. Resact — это пептид из 14 аминокислот, очищенный из желеобразной оболочки A. punctulata , который привлекает миграцию сперматозоидов.
После обнаружения яйцеклетки сперматозоид проникает в студенистую оболочку посредством процесса, называемого активацией сперматозоида. В другом лигандно-рецепторном взаимодействии олигосахаридный компонент яйцеклетки связывается и активирует рецептор на сперматозоиде и вызывает акросомальную реакцию . Акросомальные везикулы сперматозоида сливаются с плазматической мембраной и высвобождаются. В этом процессе молекулы, связанные с мембраной акросомальных везикул, такие как биндин, выставляются на поверхность сперматозоида. Это содержимое переваривает студенистую оболочку и в конечном итоге желточную мембрану. В дополнение к высвобождению акросомальных везикул происходит взрывная полимеризация актина с образованием тонкого шипа на головке сперматозоида, называемого акросомальным отростком .
Сперматозоид связывается с яйцеклеткой посредством другой реакции лиганда между рецепторами на желточной мембране . Поверхностный белок сперматозоида, бидин, связывается с рецептором на желточной мембране, идентифицированным как EBR1.
Слияние плазматических мембран сперматозоида и яйцеклетки, вероятно, опосредовано биндином. В месте контакта слияние вызывает образование конуса оплодотворения.
Млекопитающие оплодотворяются внутренне через копуляцию . [22] После того, как самец эякулирует , множество сперматозоидов перемещается в верхнюю часть влагалища (через сокращения влагалища) через шейку матки и по всей длине матки , чтобы встретиться с яйцеклеткой. В случаях, когда происходит оплодотворение, самка обычно овулирует в течение периода, который длится от нескольких часов до копуляции до нескольких дней после; поэтому у большинства млекопитающих эякуляция чаще предшествует овуляции, чем наоборот. [ необходима цитата ]
Когда сперматозоиды попадают в переднюю часть влагалища, они не способны к оплодотворению (т. е. некапацитированы) [ необходимо разъяснение ] и характеризуются медленными линейными моделями подвижности. Эта подвижность в сочетании с мышечными сокращениями позволяет сперматозоидам транспортироваться к матке и яйцеводам . [23] В микросреде женского репродуктивного тракта существует градиент pH, так что pH около вагинального отверстия ниже (приблизительно 5), чем в яйцеводах (приблизительно 8). [24] Специфичный для сперматозоидов pH-чувствительный транспортный белок кальция, называемый CatSper, увеличивает проницаемость сперматозоидов для кальция по мере их продвижения дальше в репродуктивный тракт. Внутриклеточный приток кальция способствует капацитации и гиперактивации сперматозоидов, вызывая более интенсивную и быструю нелинейную модель подвижности по мере приближения сперматозоидов к ооциту. Капацитированный сперматозоид и ооцит встречаются и взаимодействуют в ампуле фаллопиевой трубы . Реотаксис, термотаксис и хемотаксис — известные механизмы, направляющие сперму к яйцеклетке на заключительном этапе миграции сперматозоидов. [25] Сперматозоиды реагируют (см. Термотаксис сперматозоидов ) на градиент температуры ~2 °C между яйцеводом и ампулой, [26] и хемотаксические градиенты прогестерона были подтверждены как сигнал, исходящий от клеток cumulus oophorus, окружающих ооциты кролика и человека. [27] Капацитированные и гиперактивированные сперматозоиды реагируют на эти градиенты, изменяя свое поведение и двигаясь к комплексу cumulus-oocyte. Другие хемотаксические сигналы, такие как формил Met-Leu-Phe (fMLF), также могут направлять сперматозоиды. [28]
Zona pellucida , толстый слой внеклеточного матрикса, который окружает яйцеклетку и похож на роль желточной оболочки у морских ежей, связывает сперму. В отличие от морских ежей, сперма связывается с яйцеклеткой до акросомной реакции. ZP3 , гликопротеин в zona pellucida, отвечает за адгезию яйцеклетки/сперматозоида у людей. Рецептор галактозилтрансфераза (GalT) связывается с остатками N-ацетилглюкозамина на ZP3 и важен для связывания со сперматозоидом и активации акросомной реакции. ZP3 достаточен, хотя и не нужен для связывания сперматозоида/яйцеклетки. Существуют два дополнительных рецептора сперматозоидов: белок 250 кДа, который связывается с секретируемым белком яйцевода, и SED1, который независимо связывается с zona. После акросомной реакции сперматозоид, как полагают, остается связанным с zona pellucida через открытые рецепторы ZP2. Эти рецепторы неизвестны у мышей, но были обнаружены у морских свинок. [ необходима цитата ]
У млекопитающих связывание сперматозоида с GalT инициирует акросомную реакцию . Этот процесс высвобождает гиалуронидазу , которая переваривает матрицу гиалуроновой кислоты в оболочках вокруг ооцита. Кроме того, гепариноподобные гликозаминогликаны (GAG) высвобождаются около ооцита, что способствует акросомной реакции. [29] Далее следует слияние плазматических мембран ооцита и сперматозоида, что позволяет ядру сперматозоида , типичной центриоли и атипичной центриоли , которая прикреплена к жгутику , но не митохондрии , войти в ооцит. [30] Вероятно, белок CD9 опосредует это слияние у мышей (связывающий гомолог). Яйцеклетка « активируется » сама при слиянии с одной клеткой сперматозоида и тем самым изменяет свою клеточную мембрану, чтобы предотвратить слияние с другими сперматозоидами. Во время этой активации высвобождаются атомы цинка . [ требуется цитата ]
Этот процесс в конечном итоге приводит к образованию диплоидной клетки, называемой зиготой . Зигота делится, образуя бластоцисту , и, попав в матку, имплантируется в эндометрий, начиная беременность . Имплантация эмбриона не в стенку матки приводит к внематочной беременности , которая может убить мать.
У таких животных, как кролики, коитус вызывает овуляцию, стимулируя выброс гормона гипофиза гонадотропина; этот выброс значительно увеличивает вероятность беременности.
Оплодотворение у людей — это слияние яйцеклетки и сперматозоида , обычно происходящее в ампуле фаллопиевой трубы , в результате чего образуется одноклеточная зигота , первая стадия жизни в развитии генетически уникального организма, [31] и начинается эмбриональное развитие . Ученые открыли динамику оплодотворения человека в девятнадцатом веке.
Термин «зачатие» обычно относится к «процессу наступления беременности, включающему оплодотворение или имплантацию, или и то, и другое». [32] Его использование делает его предметом семантических споров о начале беременности , как правило, в контексте дебатов об абортах . После гаструляции , которая происходит примерно через 16 дней после оплодотворения, имплантированная бластоциста развивает три зародышевых слоя: энтодерму, эктодерму и мезодерму, и генетический код отца полностью вовлекается в развитие эмбриона; последующее близнецовое рождение невозможно. Кроме того, межвидовые гибриды выживают только до гаструляции и не могут развиваться дальше. Однако в некоторой литературе по биологии развития человека упоминается концептус , а в такой медицинской литературе упоминаются «продукты зачатия», как постимплантационный эмбрион и окружающие его оболочки. [33] Термин «зачатие» обычно не используется в научной литературе из-за его изменчивого определения и коннотации.
Насекомые в разных группах, включая Odonata ( стрекозы и равнокрылые стрекозы ) и Hymenoptera ( муравьи , пчелы и осы ) практикуют отсроченное оплодотворение. Среди Odonata самки могут спариваться с несколькими самцами и хранить сперму до тех пор, пока не будут отложены яйца. Самец может парить над самкой во время откладывания яиц (яйцекладки), чтобы помешать ей спариваться с другими самцами и заменять свою сперму; в некоторых группах, таких как змеешейки, самец продолжает схватывать самку своими зажимами во время откладывания яиц, пара летает в тандеме. [34] Среди социальных Hymenoptera, королевы медоносных пчел спариваются только во время брачных полетов, в течение короткого периода, длящегося несколько дней; королева может спариваться с восемью или более трутнями . Затем она хранит сперму на всю оставшуюся жизнь, возможно, в течение пяти лет или более. [35] [36]
У многих грибов (кроме хитридиевых ), как и у некоторых простейших, оплодотворение представляет собой двухэтапный процесс. Сначала цитоплазмы двух гаметных клеток сливаются (так называемый плазмогамия ), образуя дикариотические или гетерокариотические клетки с несколькими ядрами. Затем эта клетка может делиться, образуя дикариотические или гетерокариотические гифы . Вторым этапом оплодотворения является кариогамия , слияние ядер для образования диплоидной зиготы.
У хитридиевых грибов оплодотворение происходит в один этап путем слияния гамет, как у животных и растений.
У простейших существует три типа процессов оплодотворения: [37]
Водоросли, как и некоторые наземные растения, подвергаются чередованию поколений . Некоторые водоросли изоморфны, где и спорофит (2n), и гамеофит (n) одинаковы морфологически. Когда размножение водорослей описывается как оогамное, мужские и женские гаметы морфологически различаются, где есть большая неподвижная яйцеклетка для женских гамет, а мужские гаметы являются одножгутиковыми (подвижными). Через процесс сингамии они образуют новую зиготу, снова регенерируя поколение спорофита.
Мейоз приводит к случайному разделению генов, которые вносит каждый родитель. Каждый родительский организм обычно идентичен, за исключением части своих генов; каждая гамета , таким образом, генетически уникальна. При оплодотворении родительские хромосомы объединяются. У людей (2²²)² = 17,6x10 12 хромосомно различных зигот возможны для неполовых хромосом, даже если предположить отсутствие хромосомного кроссинговера . Если кроссинговер происходит один раз, то в среднем (4²²)² = 309x10 24 генетически различных зигот возможны для каждой пары, не учитывая, что события кроссинговера могут происходить в большинстве точек вдоль каждой хромосомы. Хромосомы X и Y не претерпевают событий кроссинговера [ необходима ссылка ] и поэтому исключаются из расчета. Митохондриальная ДНК наследуется только от материнского родителя.
Вскоре после слияния сперматозоида с яйцеклеткой две центриоли сперматозоида образуют первую центросому эмбриона и микротрубочку астер . [40] Центриоль сперматозоида, находящаяся около мужского пронуклеуса, привлекает белки перицентриолярного материала яйцеклетки, образуя первую центросому зиготы. [41] Эта центросома зарождает микротрубочки в форме звезд, называемых астральными микротрубочками. Микротрубочки охватывают всю валиум яйцеклетки, позволяя пронуклеусу яйцеклетки использовать кабели, чтобы добраться до мужского пронуклеуса. Когда мужской и женский пронуклеусы приближаются друг к другу, одна центросома разделяется на две центросомы, расположенные в интерфазе между пронуклеусами. Затем центросома через астральные микротрубочки поляризует геном внутри пронуклеуса. [42]
Организмы, которые обычно размножаются половым путем, также могут размножаться посредством партеногенеза , при котором неоплодотворенная женская гамета производит жизнеспособное потомство. Это потомство может быть клонами матери или в некоторых случаях генетически отличаться от нее, но наследовать только часть ее ДНК. Партеногенез встречается у многих растений и животных и может быть вызван у других посредством химического или электрического стимула яйцеклетки. В 2004 году японские исследователи во главе с Томохиро Коно добились успеха после 457 попыток слияния яйцеклеток двух мышей, заблокировав определенные белки, которые обычно предотвращают такую возможность; полученный эмбрион обычно развивался в мышь. [43]
Аллогамия , также известная как перекрестное оплодотворение, представляет собой оплодотворение яйцеклетки одной особи мужской гаметой другой особи.
Автогамия, также известная как самооплодотворение, встречается у таких гермафродитных организмов, как растения и плоские черви; при этом происходит слияние двух гамет одной особи.
Некоторые относительно необычные формы воспроизводства: [44] [45]
Гиногенез : Сперматозоид стимулирует развитие яйцеклетки без оплодотворения или сингамии. Сперматозоид может проникнуть в яйцеклетку.
Гибридогенез : один геном удаляется для получения гаплоидных яйцеклеток.
Мейоз у собак : (иногда его называют «постоянной нечетной полиплоидией») один геном передается по менделевскому закону, другие передаются клонально.
Главным преимуществом перекрестного опыления обычно считается предотвращение инбридинговой депрессии . Чарльз Дарвин в своей книге 1876 года «Влияние перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире» (страницы 466-467) подытожил свои выводы следующим образом. [46]
«В настоящем томе было показано, что потомство от союза двух отдельных особей, особенно если их предки находились в совершенно разных условиях, имеет огромное преимущество в росте, весе, конституционной силе и плодовитости по сравнению с самооплодотворенным потомством от одного из тех же родителей. И этого факта вполне достаточно для объяснения развития половых элементов, то есть происхождения двух полов».
Кроме того, некоторые полагают [47] , что долгосрочным преимуществом ауткроссинга в природе является увеличение генетической изменчивости, которая способствует адаптации или предотвращению вымирания (см. Генетическая изменчивость ).