Оплодотворение. Беременность и оплодотворение

Оплодотворение - это процесс объединения мужской и женской гамет, который приводит к формированию зиготы и последующему развитию нового организма. В процессе оплодотворения происходит установление диплоидного набора хромосом в зиготе, что определяет выдающееся биологическое значение этого процесса.

В зависимости от видовой принадлежности организмов, размножающихся половым путем, различают наружное и внутреннее оплодотворение. Наружное оплодотворение происходит в окружающей среде, в которую поступают мужские и женские половые клетки. Например, наружным является оплодотворение у рыб. Выделяемые ими мужские (молока) и женские (икра) половые клетки поступают в воду, где и происходит их встреча и объединение.

Внутреннее оплодотворение обеспечивается переносом сперматозоидов из мужского организма в женский. Такое оплодотворение встречается у млекопитающих, центральным моментом которого является слияние ядер половых клеток. Считают, что в яйцеклетку проникает содержимое одного сперматозоида. В механизмах опло-

дотворения многое еще остается неясным. Данные об оплодотворении у морских ежей свидетельствуют о том, что уже через 2 секунды после соприкосновения сперматозоидов и яйцеклетки наступают изменения в электрических свойствах плазменной мембраны последней. Слияние гамет наступает через 7 секунд. Предполагают, что проникновение в яйцеклетку содержимого лишь одного из множества сперматозоидов объясняется изменениями электрических свойств ее плазменной мембраны. Оплодотворенная яйцеклетка дает начало зиготе. По вопросу о причинах активации сперматозоидом метаболизма яйцеклетки существует два мнения. Одни считают, что связывание сперматозоида с внешними рецепторами на поверхности клеток представляет собой сигнап, который через мембрану поступает вовнутрь яйцеклетки и активизирует там инозитолтрифосфат и ионы кальция. Другие полагают, что сперматозоиды содержат специальный инициирующий фактор.

Экспериментальные разработки, выполненные в последние годы, показали, что оплодотворение яйцеклеток млекопитающих, включая человека, возможно и в пробирке. Болеее того, зародыши, развившиеся в пробирке, могут быть имплантированы в матку женщины, где они подвергаются дальнейшему нормальному развитию. Известны многочисленные случаи рождения «пробирочных» детей.

В отличие от животных, размножающихся путем зигогенеза, многие организмы способны к размножению путем партеногенеза (от греч. parthenos - девственница и genos - рождение), под которым понимают размножение организмов из неоплодотворенной яйцеклетки. Различают облигатный и факультативный партеногенез. Облигатный партеногенез стал главным способом размножения организмов отдельных видов, например кавказской скальной ящерицы. Животные этого вида являются только женскими особями. Напротив, факультативный партеногенез заключается в том, что яйцеклетки способны развиваться как без оплодотворения, так и после оплодотворения. Факультативный партеногенез, в свою очередь, бывает женским и мужским. Женский партеногенез часто наблюдается у пчел, муравьев, коловраток, у которых из неоплодотворенных яйцеклеток развиваются самцы. Мужской партеногенез встречается у некоторых изогамных водорослей.

Партеногенез бывает как естественным, так и искусственным (индуцированным). Механизм искусственного партеногенеза заключается в раздражении яйцеклеток с помощью физических или хими-

ческих факторов, что ведет к активации яйцеклеток и, как следствие, к развитию неоплодотворенных яиц. Искусственный партеногенез наблюдали в случае животных многих систематических групп - иглокожих, червей, моллюсков и даже млекопитающих.

Известна форма партеногенеза, получившая название андрогенеза (от греч. andros - мужчина, genesis - зарождение). Если в яйцеклетке инактивировать ядро и после этого в нее проникнет несколько сперматозоидов, то из такой яйцеклетки в результате слияния мужских (сперматозоидных) ядер развивается мужской организм.

Известны случаи, когда партеногенез проявляется циклически, в зависимости от сезона. Например, коловратки, дафнии и тли летом размножаются путем партеногенеза, осенью - оплодотворения яйце- клеток и образования зигот, т. е. путем зигогенеза.

Роль партеногенеза и его форм в природе невелика, так как он не обеспечивает широких адаптивных возможностей организмов.

В отличие от зигогенеза и партеногенеза существует гиногенез, представляющий собой псевдогамию, когда сперматозоид вступает в яйцеклетку и активизирует ее, но ядро сперматозоида не сливается с ядром яйцеклетки. В этом случае появляющееся потомство состоит только из женских особей. Гиногенез встречается в естественных условиях у нематод и рыб, но его можно вызвать и искусственно. В частности, описаны случаи искусственного гиногенеза у тутового шелкопряда, рыб и амфибий.

Каждый месяц в одном из женских яичников начинает развиваться определенное количество недозрелых яйцеклеток в маленьком пузыре, заполненном жидкостью. Один из пузырьков завершает созревание. Этот «доминантный фолликул» подавляет рост других фолликулов, которые прекращают рост и дегенерируют. Зрелый фолликул разрывается и выпускает яйцеклетки из яичника (овуляция). Овуляция происходит, как правило, за две недели до начала ближайшего менструального периода у женщины.

Развитие желтого тела

После овуляции разорванный фолликул развивается в образование, которое называется желтое тело, выделяющее два вида гормонов – прогестерон и эстроген. Прогестерон способствует подготовке эндометрия (слизистой оболочки матки) к внедрению эмбриона, утолщая его.

Высвобождение яйцеклетки

Яйцеклетка высвобождается и попадает в фаллопиеву трубу, где находится до тех пор, пока хотя бы один сперматозоид попадает в нее во время оплодотворения (яйцеклетка и сперматозоид, см. ниже). Яйцеклетка может оплодотвориться в течение 24 часов после овуляции. В среднем овуляция и оплодотворение происходят через две недели после последнего менструального периода.

Менструальный цикл

Если сперма не оплодотворяет яйцеклетку, она и желтое тело дегенерируют; исчезнет и повышенный уровень гормонов. Затем происходит отторжение функционального слоя эндометрия, что приводит к менструальному кровотечению. Цикл повторяется.

Если сперматозоид попадает в зрелую яйцеклетку, он оплодотворяет ее. Когда сперматозоид попадает в яйцеклетку, происходит изменение в протеиновой оболочке яйцеклетки, которая более не впускает сперматозоиды. В этот момент закладывается генетическая информация о ребенке, в том числе и его пол. Мать дает только Х-хромосомы (мать=ХХ); если сперматозоид-У оплодотворяет яйцеклетку, ребенок будет мужского пола (ХУ); если же оплодотворяет сперматозоид-Х, родится девочка (ХХ).

Оплодотворение - это не просто суммирование ядерного материала яйцеклетки и сперматозоида - это сложный комплекс биологических процессов. Ооцит окружен гранулезными клетками, которые называются corona radiata. Между corona radiata и ооцитом образуется zona pellucida, в которой содержатся специфические рецепторы для спермиев, предотвращающие полиспермию и обеспечивающие движение оплодотворенного яйца по трубе до матки. Zona pellucida состоит из гликопротеинов, секретируемыхрастущим ооцитом.

Мейоз возобновляется во время овуляции. Возобновление мейоза наблюдается после преовуляторного пика ЛГ. Мейоз в зрелом ооците связан с потерей ядерной мембраны, собиранием хроматина бивалентно, разделением хромосом. Мейоз завершается с освобождением полярного тельца во время фертилизации. Для нормального процесса мейоза необходима высокая концентрация эстрадиола в фолликулярной жидкости.

Мужские половые клетки в семенных канальцах в результате митотического деления образуют сперматоциты I порядка, которые проходят несколько стадий созревания подобно женской яйцеклетке. В результате мейотического деления образуются сперматоциты II порядка, содержащие половинное количество хромосом (23). Сперматоциты II порядка созревают до сперматид и, больше не подвергаясь делению, превращаются в сперматозоиды. Совокупность последовательных этапов созревания называют сперматогенным циклом. Этот цикл у человека совершается за 74 дня и недифференцированный сперматогоний превращается в высоко-специализированный сперматозоид, способный самостоятельно передвигаться, и имеющий набор энзимов, необходимых для пенетрации в яйцеклетку. Энергия для движения обеспечивается целым рядом факторов, включающих цАМФ, Са 2+ , катехоламины, белковый фактор подвижности, протеин карбоксиметилазу. Сперматозоиды, присутствующие в свежей сперме, неспособны к оплодотворению. Эту способность они приобретают, попадая в женский половой тракт, где теряют оболочечный антиген - происходит капацитация. В свою очередь, яйцеклетка выделяет продукт, который растворяет акросомальные пузырьки, прикрывающие головное ядро спермия, где находится генетический фонд отцовского происхождения. Полагают, что процесс оплодотворения происходит в ампулярном отделе трубы. Воронка трубы активно участвует в этом процессе, плотно прилегая к участку яичника с выдающимся на его поверхности фолликулом и, как бы, засасывает яйцеклетку. Под влиянием энзимов, выделенных эпителием маточных труб, яйцеклетка освобождается от клеток лучистого венца. Сущность процесса оплодотворения состоит в объединении, слиянии женской и мужской половых клеток, отъединившихся от организмов родительского поколения в одну новую клетку - зиготу, которая представляет собой не только клетку, но и организм нового поколения.

Спермий вносит в яйцеклетку главным образом свой ядерный материал, который и объединяется с ядерным материалом яйцеклетки в единое ядро зиготы.

Процесс созревания яйцеклетки и процесс оплодотворения обеспечиваются сложными эндокринными и иммунологическими процессами. Из-за этических проблем эти процессы у человека изучены недостаточно. Наши знания в основном получены из экспериментов на животных, имеющих очень много общего с этими процессами у человека. Благодаря развитию новых репродуктивных технологий в программах экстракорпорального оплодотворения были изучены стадии развития человеческого эмбриона до стадии бластоцисты in vitro. Благодаря этим исследованиям накопился большой материал по изучению механизмов раннего развития эмбриона, его продвижения по трубе, имплантации.

После оплодотворения зигота продвигается по трубе, претерпевая сложный процесс развития. Первое деление (стадия двух бластомеров) наступает лишь на 2-е сутки после оплодотворения. По мере продвижения по трубе в зиготе происходит полное асинхронное дробление, которое приводит к образованию морулы. К этому времени эмбрион освобождается от желточной и прозрачной оболочек и в стадии морулы зародыш поступает в матку, представляя собой рыхлый комплекс бластомеров. Прохождение по трубе является одним из критических моментов беременности. Установлено, что взаимоотношения между гомета/ранний эмбрион и эпителий маточной трубы регулируется аутокринным и паракринным путем, обеспечивая эмбрион средой, усиливающей процессы оплодотворения и раннего развития эмбриона. Полагают. что регулятором этих процессов является гонадотропный релизинг-гормон, продуцируемый как преимплантационным эмбрионом, так и эпителием маточных труб.

Эпителий маточных труб экспрессирует ГнРГ и ГнРГ-рецепторы как мессенжеры рибонуклеиновой кислоты (mRNA), так и протеинов. Оказалось, что эта экспрессия циклозависима и, в основном, появляется в процессе лютеиновой фазы цикла. На основании этих данных группа исследователей полагает, что ГнРГ труб играет значительную роль в регуляции аутокринным-паракринным путем в фертилизации, в раннем развитии эмбриона и вимплантации, так как в маточном эпителии в период максимального развития «окна имплантации» имеются в значительном количестве рецепторы ГнРГ.

Было показано, что ГнРГ, mRNA и экспрессия протеинов наблюдается у эмбриона, и она увеличивается по мере превращения морулы в бластоцисту. Полагают, что взаимодействие эмбриона с эпителием трубы и с эндометрием осуществляется через систему ГнРГ, обеспечивающего развитие эмбриона и рецептивность эндометрия. И опять многими исследователями подчеркивается необходимость синхронного развития эмбриона и всех механизмов взаимодействия. Если транспорт эмбриона по каким-то причинам может быть задержан, трофобласт может проявлять свои инвазивные свойства до поступления в матку. В этом случае может возникнуть трубная беременность. При быстром продвижении эмбрион поступает в матку, где еще нет рецептивности эндометрия и имплантация может не произойти, либо эмбрион задерживается в нижних отделах матки, т.е. в месте, менее подходящем для дальнейшего развития плодного яйца.

Имплантация яйцеклетки

В течение 24 часов после оплодотворения яйцеклетка начинает активное деление на клетки. Она находится в фаллопиевой трубе приблизительно три дня. Зигота (оплодотворенная яйцеклетка) продолжает делиться, медленно продвигаясь по фаллопиевой трубе к матке, где она присоединяется к эндометрию (имплантация). Сначала зигота превращается в скопление клеток, потом становится полым шаром клеток, или бластоцистой (зародышевым пузырем). Перед имплантацией бластоциста выходит из защитного покрытия. Когда бластоциста приближается к эндометрию, обмен гормонами способствует ее присоединению. У некоторых женщин возникают пятна или легкое кровотечение на несколько дней в период имплантации. Эндометрий становится толще и шейка матки изолируется при помощи слизи.

На протяжении трех недель клетки бластоцисти вырастают в скопление клеток, формируются первые нервные клетки ребенка. Ребенка называют эмбрионом с момента оплодотворения до восьмой недели беременности, после которой до самого рождения его называют плод.

Процесс имплантации может быть только в том случае, если поступивший в матку эмбрион достиг стадии бластоцисты. Бластоциста состоит из внутренней части клеток - эндодерма, из которого образуется собственно эмбрион, и наружного слоя клеток - трофоэктодерма - предшественника плаценты. Полагают, что на стадии преимплантации бластоциста экспрессирует преимплантационный фактор (PIF), сосудистый эндотелиальный, фактор роста (VEGF), а также mRNA и протеин к VEGF, что дает возможность эмбриону очень быстро осуществлять ангиогенез для успешной плацентации и создает необходимые условия для дальнейшего его развития.

Для успешной имплантации необходимо, чтобы в эндометрии появились все требуемые изменения дифференциации клеток эндометрия для появления «окна имплантации», которое в норме наблюдается на 6-7 день после овуляции и чтобы бластоциста достигла определенной стадии зрелости и были активированы протеазы, которые будут способствовать продвижению бластоцисты в эндометрий. «Рецептивность эндометрия - кульминация комплекса временных и пространственных изменений в эндометрии, регулируемая стероидными гормонами». Процессы появления «окна имплантации» и созревания бластоцисты должны быть синхронными. Если этого не произойдет, то имплантация не состоится или беременность прервется на ранних ее стадиях.

Перед имплантацией поверхностный эпителий эндометрия покрыт муцином, который предотвращает преждевременную имплантацию бластоцисты и защищает от инфекции, особенно Мис1 - episialin, играющий как бы барьерную роль в различных аспектах физиологии женского репродуктивного тракта. К моменту открытия «окна имплантации» количество муцина разрушается протеазами, продуцируемыми эмбрионом.

Имплантация бластоцисты в эндометрий включает два этапа: 1 этап - адгезия двух клеточных структур, и 2 этап - децидуализация стромы эндометрия. Чрезвычайно интересный вопрос, как эмбрион идентифицирует место имплантации, до сих пор остается открытым. С момента поступления бластоцисты в матку до начала имплантации проходит 2-3 суток. Предполагают гипотетически, что эмбрион выделяет растворимые факторы/молекулы, которые, воздействуя на эндометрий, подготавливают его к имплантации. В процессе имплантации ключевая роль принадлежит адгезии, но этот процесс, который позволяет удерживать две разные клеточные массы, чрезвычайно сложен. В нем принимает участие огромное количество факторов. Полагают, что интегрины играют ведущую роль в адгезии в момент имплантации. Особенно значимым является интегрин-01, его экспрессия увеличивается в момент имплантации. Однако интегрины сами по себе лишены энзиматической активности и должны быть связаны с протеинами для генерации цитоплазматического сигнала. Исследования, проведенные группой исследователей из Японии, показали, что небольшие гуанозин-трифосфат-связывающие протеины RhoA превращают интегрины в активный интегрин, который в состоянии участвовать в клеточной адгезии.

Помимо интегринов адгезивными молекулами являются такие протеины кактрофинин, бустин и тастин (trophinin, bustin, tastin).

Трофинин - мембранный протеин, экспрессируется на поверхности эпителия эндометрия в месте имплантации и на апикальной поверхности трофэктодермы бластоцисты. Бустин и тастин - цитоплазматические протеины в ассоциации с трофинином образуют активный адгезивный комплекс. Эти молекулы принимают участие не только в имплантации, но и в дальнейшем развитии плаценты. В адгезии принимают участие молекулы внеклеточного матрикса - остеокантин и ламинин.

Чрезвычайно большая роль отводится различным факторам роста. Особое внимание исследователи уделяют значению в имплантации инсулиноподобных факторов роста и связывающих их протеинов, особенно IGFBP. Эти протеины играют роль не только в процессе имплантации, но и в моделировании сосудистых реакций, регулировании роста миометрия. По данным Paria и соавт. (2001), значительное место в процессах имплантации играет гепарин-связывающий эпидермальный фактор роста (HB-EGF), который экспрессируется как в эндометрии, так и в эмбрионе, а также фактор роста фибробластов (FGF), костный морфогенный протеин (BMP) и др. После адгезии двух клеточных систем эндометрия и трофобласта начинается фаза инвазии трофобласта. Клетки трофобласта выделяют ферменты-протеазы, которые позволяют трофобласту «протиснуть» себя между клетками в строму, лизируя внеклеточный матрикс ферментом металлопротеазой (ММР). Инсулиноподобный фактор роста II трофобласта является важнейшим фактором роста трофобласта.

В момент имплантации весь эндометрий пронизан иммунокомпетентными клетками - одним из важнейших компонентов взаимодействия трофобласта с эндометрием. Иммунологические взаимоотношения между эмбрионом и матерью в процессе беременности схожи с теми взаимоотношениями, которые наблюдаются в реакциях трансплантат-реципиент. Полагали, что имплантация в матку контролируется сходным путем, через Т-клетки, распознающие аллоантигены плода, экспрессируемые плацентой. Однако недавние исследования показали, что имплантация может вовлекать новый путь аллогенного распознавания, основанного на NK-клеткахскорее чем на Т-клетках. На трофобласте не экспрессируются антигены системы HLAI и II классов, но экспрессируется полиморфный антиген HLA-G. Этот антиген отцовского происхождения служит как молекула адгезии для CD8 антигенов больших гранулярных лейкоцитов, количество которыхувеличивается в эндометрии в середине лютейновой фазы. Эти NK-клетки с маркерами CD3- CD8+ CD56+ функционально более инертны в продукции с Тh1, связанными цитокинами такими как TNFcc, ИФН-у по сравнению с CD8- CD56+ децидуальными гранулярными лейкоцитами. Кроме того, трофобласт экспрессирует низкой связывающей способности (аффинности) рецепторы для цитокинов TNFa, ИФН-у и GM-CSF. В результате этого будет преимущественно ответ на плодовые антигены, обусловленный ответом через Th2, т.е. будет преимущественно продукции не провоспалительных цитокинов, а, напротив, регуляторных (il-4, il-10, il-13 и др.). Нормальный баланс между Th 1 и Th2 способствует более успешной инвазии трофобласта. Избыточная продукция провоспалительных цитокинов ограничивает инвазию трофобласта и задерживает нормальное развитие плаценты, в связи, с чем снижается продукция гормонов и протеинов. Кроме того, ТЫ цитокины усиливают протромбинкиназную активность и активируют механизмы коагуляции, вызывают тромбозы и отслойку трофобласта.

Кроме того, на иммуносупрессивное состояние влияют молекулы продуцируемые плодом и амнионом - фетуин (fetuin) и спермин (spermine). Эти молекулы подавляют продукцию TNF. Экспрессия на клетках трофобласта HU-G ингибирует рецепторы NK-клетоки таким образом также снижает иммунологическую агрессию против внедряющегося трофобласта.

Децидуальные стромальные клетки и NK-клетки продуцируют цитокины GM-CSF, CSF-1, аИНФ, TGFbeta, которые необходимы для роста и развития трофобласта, пролиферации и дифференциации.

В результате роста и развития трофобласта увеличивается продукция гормонов. Особенно существенным для иммунных отношений является прогестерон. Прогестерон стимулирует местно продукцию плацентарных протеинов, осо бенно протеина-TJ6, связывает децидуальные лейкоциты CD56+16+, вызывая их апоптоз (естественная гибель клеток).

В ответ на рост трофобласта и инвазию в матку до спиральных артериол у матери вырабатываются антитела (блокирующие), которые обладают иммунотрофической функцией и блокируют местный иммунный ответ. Плацента становится иммунологически привилегированным органом. При нормально развивающейся беременности этот иммунный баланс устанавливается к 10-12 неделям беременности.

Беременность и гормоны

Хорионический гонадотропин человека является гормоном, который возникает в крови матери с момента оплодотворения. Он вырабатывается клетками плаценты. Это гормон, который фиксируется тестом на беременность, однако, его уровень становится достаточно высок для определения лишь через 3-4 недели после первого дня последнего менструального цикла.

Стадии развития беременности называются триместрами, или 3-месячными периодами, из-за значительных изменений, которые происходят на каждой стадии.

В зависимости от видовой принадлежности организмов у животных, размножающихся половым путем, различают наружное и внутреннее оплодотворение.

Наружное оплодотворение происходит в окружающей среде, в которую поступают мужские и женские половые клетки. Например, наружным является оплодотворение у рыб. Выделяемые ими мужские (молока) и женские (икра) половые клетки поступают в воду, где и происходит их «встреча» и объединение. Данные об оплодотворении у морских ежей свидетельствуют о том, что уже через 2 секунды после соприкосновения сперматозоидов и яйцеклетки наступают изменения в электрических свойствах плазменной мембраны яйцеклетки. Слияние содержимого гамет наступает через 7 секунд.

Внутреннее оплодотворение обеспечивается переносом сперматозоидов из мужского организма в женский в результате полового акта. Такое оплодотворение встречается у млекопитающих, причем центральным моментом здесь является исход встречи между половыми клетками. Считают, что в яйцеклетку этих животных проникает ядерное содержимое лишь одного сперматозоида. Что касается цитоплазмы сперматозоида, то у одних животных она поступает в яйцеклетку в небольшом количестве, у других совсем не поступает в яйцеклетку. У человека оплодотворение происходит в верхней части фаллопиевой трубы, причем в оплодотворении, как и у других млекопитающих, участвует лишь один сперматозоид, ядерное содержимое которого поступает в яйцеклетку. Иногда в фаллопиевой трубе может оказаться не одна, а две или более яйцклеток, в результате чего возможно рождение двоен, троен и т. Д. В результате оплодотворения в оплодотворенной яйцеклетке восстанавливается диплоидный набор хромосом. Яйцеклетки способны к оплодотворению в течение примерно 24 часов после овуляции, тогда как оплодотворяющая способность сперматозоидов сохраняется до 48 часов.

В механизмах оплодотворения многое еще остается неясным. Предполагают, что проникновение в яйцеклетку ядерного материала лишь одного из множества сперматозоидов связано с изменениями электрических свойств плазматической мембраны яйцеклетки. По вопросу о причинах активации сперматозоидом метаболизма яйцеклетки существует две гипотезы. Одни исследователи считают, что связывание сперматозоида с внешними рецепторами на поверхности клеток представляет собой сигнал, который через мембрану поступает внутрь яйцеклетки и активирует там инозитолтрифосфат и ионы кальция. Другие полагают, что сперматозоиды содержат специальный инициирующий фактор.

Оплодотворенная яйцеклетка дает начало зиготе, развитие организмов через образование зигот называют зигогенезом. Экспериментальные разработки, выполненные в последние годы, показали, что оплодотворение яйцеклеток млекопитающих, включая человека, возможно и в пробирке, после чего зародыши, развившиеся в пробирке, могут быть имплантированы в матку женщины, где они могут развиваться дальше. К настоящему времени известны многочисленные случаи рождения «пробирочных» детей. Установлено также, что оплодотворить яйцеклетку человека способны не только сперматозоиды, но и сперматиды. Наконец, возможно оплодотворение яйцеклеток (лишенных искусственно ядер) млекопитающих ядрами их соматических клеток.

Оплодотворение осуществляет две разные функции:

* половую - включает передачу генов от родителей потомкам;

* репродуктивную - включает инициацию в цитоплазме яйца тех реакций, которые позволяют продолжать развитие и создание нового организма.

Важная роль в процессе оплодотворения принадлежит сперматозоиду, он необходим для:

* активации яйца, побуждения его к началу развития (данная функция не специфична: в качестве активирующего фактора сперматозоид может быть заменен рядом физических или механических агентов, например при партеногенезе);

* внесения в яйцеклетку генетического материала отца.

Оплодотворение, исходный момент возникновения новой генетической индивидуальности, представляет собой процесс соединения женской и мужской гамет.

В результате оплодотворения возникает одноклеточный зародыш с диплоидным набором хромосом и активируется цепь событий, лежащих в основе развития организма.

Биологическое значение оплодотворения огромно: будучи предпосылкой развития новой индивидуальности, оно вместе с тем является условием продолжения жизни и эволюции вида.

Следует подчеркнуть, что оплодотворение представляет собой не одномоментный акт, но именно процесс, занимающий более или менее продолжительный отрезок времени. Это многоступенчатый процесс, в котором различаются следующие этапы: привлечение сперматозоида яйцом, связывание гамет и, наконец, слияние мужских и женских половых клеток. В научной литературе события, связанные со сближением гамет иногда называют осеменением различая наружное и внутреннее осеменение, в зависимости от того, выводятся мужские половые клетки в окружающую среду или в половые органы женской особи. Наружное осеменение характерно для животных, обитающих в водной среде. Внутреннее осеменение присуще главным образом наземным животным, хотя оно достаточно часто встречается и у обитателей водной среды. Осеменение может быть свободным при котором все области ооцита доступны спермиям, но может быть и ограниченным, когда на поверхности яйцеклетки имеется плотная оболочка с микропиле. При внутреннем осеменении у ряда животных мужские гаметы передаются самкам в виде сперматофоров , особых капсул, содержащих сперматозоиды. Сперматофоры сначала выводятся в окружающую среду, а затем тем или иным способом переносятся в половые пути самки.

Соединение гамет предопределяет возможность кариогамии , или слияния ядер. Благодаря кариогамии происходит объединение отцовских и материнских хромосом, ведущее к образованию генома новой особи. В результате слияния гамет возникает диплоидная зигота, восстанавливается способность к репликации ДНК и начинается подготовка к делениям дробления. Механизмы активации яйца к развитию относительно автономны. Их включение может быть осуществлено и помимо оплодотворения, что происходит, например, при естественном или искусственном девственном развитии, или партеногенезе .

Интерес к проблеме оплодотворения выходит далеко за рамки собственно эмбриологии. Слияние гамет - плодотворно используемая модель для изучения тонких молекулярных и клеточных механизмов специфического взаимодействия клеточных мембран; для изучения молекулярных основ активации метаболизма и пролиферации соматических клеток. Общебиологический интерес представляет и то, что оплодотворение являет собой яркий и, может быть, уникальный пример полного обращения клеточной дифференциации. Действительно, высокоспециализированные половые клетки не способны к самовоспроизведению. Они гаплоидны и не могут делиться. Однако после слияния они превращаются в тотипотентную клетку, которая служит источником формирования всех клеточных типов, присущих данному организму.

История открытия оплодотворения теряется в глубине веков. Во всяком случае, в XVIII столетии итальянский естествоиспытатель аббат Лаццаро Спалланцани (1729-1799) экспериментально доказал, что оплодотворение зависит от наличия спермы, и впервые осуществил искусственное оплодотворение яиц лягушки, смешивая их со спермой, полученной из семенников. Тем не менее смысл происходящих при этом событий оставался неясным практически до последней четверти XIX века, когда Оскар Гертвиг (1849-1922) в конце 1870-х годов, изучая оплодотворение у морских ежей, пришел к заключению, что сущность этого процесса состоит в слиянии ядер половых клеток. Вместе с работами бельгийца Эдуарда ван Бенедена (1883, аскарида), немецкого ученого Теодора Бовери (1887, аскарида), швейцарского зоолога Германа Фоля (1887, морская звезда) исследования О. Гертвига заложили основу современных представлений об оплодотворении. Следует подчеркнуть, что именно эти работы послужили веским основанием для предположения о том, что ядро является носителем наследственных свойств. Именно Т. Бовери (1862-1915) в серии блестящих цитологических исследований обосновал в конце 1880-х годов теорию индивидуальности хромосом и создал основу цитогенетики.

Вскоре после выяснения сущности оплодотворения исследователи сосредоточили внимание на механизмах, лежащих в основе этого процесса. Эта область исследований сохраняет актуальность и в наше время. Пальма первенства в построении теории оплодотворения принадлежит американскому исследователю Франку Лилли (1862-1915). Изучая свойства «яичной воды», т. е. морской воды, в которой некоторое время находились неоплодотворенные яйца морского ежа Arbacia или полихеты Nereis, Лилли обнаружил, что из яиц выделяется вещество, которое обладает способностью склеивать спермин в комки. Наблюдаемая агглютинация оказалась видоспецифичной, и Лилли назвал фактор агглютинации, выделяемый неоплодотворенным яйцом, веществом оплодотворения, или фертилизином (от англ. fertilization - оплодотворение). Суть выдвинутой Лилли теории оплодотворения состоит в признании того, что в периферической области яйца находится фертилизин, который имеет сродство к поверхностным рецепторам спермия (антифертилизин спермия). Благодаря этому сродству фертилизин связывает, согласно Лилли, спермии. Однако, чтобы претендовать на универсальность и объяснить не только механизм соединения гамет, но и причины агглютинации спермиев, возможность предотвращения полиспермии, высокую специфичность процесса оплодотворения и т д., теория фертилизина нуждалась в многочисленных допущениях, под гнетом которых она в конце концов и угасла.

Уже в ходе ранних исследований оплодотворения возникло представление о гамонах - веществах, которые обеспечивают активацию или блокирование отдельных этапов оплодотворения. В соответствии с их происхождением различали гиногамоны, выделяемые яйцеклетками, и андрогамоны, вырабатываемые мужскими половыми клетками. Так, полагали, что гиногамон 1, диффундируя из яйца, активирует движение сперматозоида, преодолевая действие андрогамона 1, который ингибирует движение сперматозоида. Гиногамон 2 - синоним фертилизина, а андрогамон 2 - антифертилизина спермия.

В пятидесятые годы XX столетия идея о взаимодействии фертилизина с антифертилизином трансформировалась в гипотезу специфического фагоцитоза. Согласно этой концепции, наличие на поверхности яйца и спермия взаимодействующих молекул обеспечивает комплементарную реакцию по принципу застежки «молнии», благодаря которой спермий оказывается поглощенным яйцом.

Несмотря на известную умозрительность, эти и многие другие подобные гипотезы о механизмах взаимодействия сперматозоидов и яиц сыграли свою положительную роль, обнаружив, во-первых, существование целого семейства специфических молекул на поверхности взаимодействующих гамет и, во-вторых, положив начало планомерным исследованиям природы этих молекул.

Вторая половина прошлого столетия - период расцвета ультраструктурных и молекулярно-биологических исследований, которые выявили большое разнообразие конкретных форм клеточного взаимодействия при оплодотворении. Стало ясно, что универсальная теория оплодотворения, если и может существовать, то только как свод некоторых самых общих принципов организации этого процесса.

Конкретные механизмы оплодотворения зависят от множества факторов. Достаточно сказать о своеобразии оплодотворения у животных с наружным и внутренним осеменением. Очевидно, что определенные различия процесса оплодотворения обусловлены и тем, что у разных животных проникновение спермия в яйцо происходит на разных этапах оогенеза. У многих аннелид, моллюсков, нематод и ракообразных сперматозоид проникает в ооциты первого порядка на стадии профазы. У других кольчатых червей, моллюсков и у насекомых - на стадии метафазы первичного ооцита. Для многих позвоночных характерно осеменение на стадии метафазы вторичного ооцита. У некоторых кишечнополостных и у морских ежей оплодотворение происходит на стадии зрелого яйца уже после завершения делений созревания и выделения направительных, или редукционных телец. Наконец, нельзя не вспомнить и разнообразие типов сперматозоидов, среди которых имеются жгутиковые формы и спермин без жгутиков (например, амебоидные спермин нематод), с акросомой и без нее, имеющие акросомную нить и лишенные ее. Естественно, что в каждом таком случае конкретные механизмы, обеспечивающие тонкое взаимодействие между половыми клетками, различаются.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .