Оплодотворение
Слияние спермия и яйцеклетки (ооцита) заслуженно называют «чудом зачатия»: лишь один из миллиона человеческих спермиев достигает яйцеклетки. Для преодоления чудовищных препятствий на пути к оплодотворению животные используют стратегии, призванные способствовать соединению двух репродуктивных клеток.
В процессе полового размножения сперматозоид и яйцеклетка двух различных особей должны соединиться, но зачастую обе гаметы разделяет громадное расстояние. Чтобы нарушить оболочку яйца, спермию приходится преодолеть путь, в тысячу раз превышающий его собственную длину. Процесс оплодотворения сходен у всех существ в царстве животных, как заметил в 1875 году немецкий эмбриолог Оскар Хертвиг. Именно он впервые описал слияние мужской и женской гамет морских ежей, которые проявили недюжинную смекалку для достижения успеха.
Откладывание яиц
Оплодотворение может быть внешним и внутренним, но для обоих процессов нужна жидкая среда, в которой спермий может плыть к яйцеклетке. В случае внешнего оплодотворения самка подвижного животного откладывает яйца в определенном месте и определенной формы — лягушачья икра, например, — а неподвижные животные типа кораллов выпускают яйца в воду, где те либо опускаются на дно моря или реки, либо разносятся дальше течением. В процессе внутреннего оплодотворения участвуют половые органы. У млекопитающих пенис эякулирует семя в вагину или матку, а затем в фаллопиевой трубе встречаются сперматозоид и яйцеклетка. Мужская гамета меньше женской, потому что спермий стремится к яйцеклетке, а не наоборот. В массовой культуре оплодотворение обычно изображают в виде картинки, где толпы сперматозоидов наперегонки спешат к яйцеклетке, соревнуясь за право оплодотворить ее. В действительности, однако, у сперматозоида возникают немалые трудности с тем, чтобы вообще отыскать это яйцо. Из пяти миллионов спермиев в эякуляте мыши до фаллопиевой трубы добирается не больше 20%.
Направляя сперматозоид
В процессе внешнего оплодотворения сперматозоид ориентируется, используя хемотаксис — движение по направлению к химическому раздражителю. Этот механизм был описан американским эмбриологом Фрэнком Лилли в 1912 году на примере морских ежей Arbacia punctulata. Когда Лилли добавил каплю морской воды, предварительно смешанной с фолликулярной жидкостью неоплодотворенного яйца, к застывшим сперматозоидам, мужские гаметы собрались вокруг экстракта из яйца; вероятно, женские гаметы выделяли некое вещество, привлекающее их. Это вещество — resact — выделили в 1981-м фармакологи Дж. Рэндалл Хансброу и Дэвид Гарбере. Resact стимулирует открытие каналов в мембране спермия для свободного движения ионов, регулируя интенсивность движения его хвостика. В 2003 году немецкий биофизик Ульрих Бенджамин Каупп доказал, что спермий реагирует на единичную молекулу этого хемоаттрактанта и, вероятно, может отсчитывать молекулы, чтобы двигаться в определенном направлении.
При внутреннем оплодотворении, по крайней мере, у млекопитающих, движение сперматозоида определяет реотаксис — свойство двигаться против тока жидкости. Реотаксис был открыт в 2013 году Киоши Мики и Дэвидом Клэпемом, которые заметили, что сперматозоиды человека и мыши движутся «против течения», как лососи, идущие на нерест. Половой контакт стимулирует выделение стенками влагалища жидкого секрета, который смывает слизь и прочие препятствия на пути сперматозоида, расчищая ему дорогу и одновременно указывая направление движения. Реотаксис осуществляет естественный отбор спермиев, так что выживает лишь сильнейший пловец.
В процессе внутреннего оплодотворения в замкнутом пространстве оказываются сперматозоиды того же вида — опознание партнера происходит до начала полового акта, — и сперматозоид прокладывает кратчайший путь к яйцеклетке. При внешнем оплодотворении в окружающем пространстве находятся представители разных видов, поэтому движение кругами увеличивает шансы найти яйцеклетку, а определение специфических веществ помогает сперматозоиду не перепутать «адрес» и не вторгнуться в чужое яйцо. Хемотаксис встречается и в процессе внутреннего оплодотворения, но на короткой дистанции, аттрактантом сперматозоидов является «облачко» прогестерона, окружающее яйцеклетку.
Спермии млекопитающих, которые успешно добрались до фаллопиевой трубы, задерживаются там на некоторое время, что позволяет самкам выпустить за раз не одну яйцеклетку. Щелочная среда (и прогестерон у человека) помогают спермию, и ему гораздо легче проникнуть в яйцеклетку. Спермии, подвергшиеся такой обработке, «капацитации», обретают исключительную подвижность; перемещаясь за счет мощного биения своих жгутиков, они устремляются к конечной цели.
Слияние гамет
Гаметы сливаются после того, как спермий преодолеет три барьера: желеобразный (студенистый) слой, вителлиновую оболочку и клеточную мембрану яйца. У млекопитающих студенистый слой состоит из фолликулярных клеток, защищающих яйцо в процессе его созревания. Спермий прорывается сквозь cumulus oophorus, слой фолликулярных клеток, используя ферменты и грубую силу. Оболочка яйца называется zona pellucida и содержит различные гликопротеины ZP. Как только спермий распознает гликопротеины ZP, капсула на его конце — акросома — выделяет ферменты, которые прокладывают путь через zona pellucida. Акросомальная реакция позволяет спермию преодолеть последний барьер — клеточную мембрану, — где поверхностные белки способствуют слиянию ооцита и одного удачливого спермия. Это вызывает изменения в яйцеклетке: она выделяет ферменты, под действием которых zona pellucida становится непроницаемой и предотвращает дальнейшее проникновение спермиев.
«Как показывают многочисленные наблюдения за царством животных и растений, в нормальном процессе оплодотворения только единственный спермий проникает сквозь оболочку яйца» Оскар Хертвиг
В ожидании оплодотворения мейоз (клеточный цикл деления) в яйцеклетке останавливается. После проникновения спермия его ферменты возобновляют клеточный цикл: клетка завершает деление и формирует женский пронуклеус, содержащий половину хромосомного набора. Он сливается с мужским пронуклеусом, сформированным из материала спермия, образуя ядро с полным набором хромосом.
Последняя стадия оплодотворения несколько загадочна. И спермий, и яйцеклетка (ооцит) — специализированные клетки, отличающиеся от прочих с той же ДНК в силу наличия эпигенетических маркеров, регулирующих экспрессию генов. Эти маркеры должны быть «стерты», чтобы гены были считаны «с чистого листа», но без уничтожения тех потенциально положительных маркеров, которые родители намеренно добавили к своим гаметам. Как бы то ни было, но эта задача успешно решается, и в результате возникает оплодотворенное яйцо — зигота, постепенно превращающаяся в сложный многоклеточный организм, как все мы, — и это настоящее чудо.
Оплодотворение у млекопитающих
Женские гаметы в форме ооцитов хранятся в яичниках, где окружающие клетки снабжают их питательными веществами. В каждом менструальном цикле выброс гормона гонадотропин побуждает ооцит делиться на две неравные части - крупную яйцеклетку и небольшое полярное тельце. Неоплодотворенная яйцеклетка выходит в фаллопиеву трубу. Яйцеклетке требуется около суток для полного созревания. Спермий состоит из головки, содержащей ядро и акросому, и жгутика, снабженного митохондрионом, высвобождающим энергию. Мужская гамета выплывает из влагалища и матки в фаллопиеву трубу навстречу яйцеклетке.
Дитя трех родителей
В течение двадцати лет британский физиолог Роберт Эдвардс пытался оплодотворить человеческую яйцеклетку в чашке Петри, то есть in vitro («в стекле» по-латыни). Затем он объединил усилия с гинекологом Патриком Стептоу, который владел лапароскопической методикой извлечения яйцеклеток из яичника. Исследователи наблюдали за менструальным циклом женщины, определяли время овуляции, в этот момент извлекали яйцеклетку, оплодотворяли ее и помещали в матку будущей матери. Первый «ребенок из пробирки», Луиза Браун, родилась 27 июля 1978 года. С тех пор около шести миллионов детей появились на свет благодаря ЭКО. Вероятно, величайшее и самое дискуссионное изобретение последних трех десятилетий - это так называемые дети трех родителей. В 2015 году правительство Великобритании одобрило закон, согласно которому допускается искусственное оплодотворение с использованием генетического материала от третьего донора - ядро яйцеклетки одной матери переносится в яйцеклетку другой. В цитоплазме второй яйцеклетки, лишенной ядра, содержится митохондрия со своей собственной ДНК. Митохондрия содержит 37 генов, в то время как хромосомы ядра (ядерный геном) - более 20 000, но технически оплодотворенная яйцеклетка будет содержать генетический материал трех родителей (хотя доля одного из них составит менее 0,2% генов). Ребенок, рожденный в результате такой процедуры, будет избавлен от болезней, которые вызываются дефектом митохондриальной ДНК.
