CO TO JEST GAMETOGENEZA? PROCES I FUNKCJE - BIOLOGIA - 2025

Gametogenezie jest powstawanie gamet lub komórek płciowych w organizmach żywych. Proces ten umożliwia jednostkom przekształcenie i przekazanie potomstwu niektórych tymczasowych zmian w ekspresji genów, które zostały „wywołane” przez sygnały zewnętrzne.

Wszystkie osoby rozmnażane płciowo regularnie wytwarzają dwa rodzaje komórek rozrodczych, które nazywane są „gametami”. Komórki te nie mogą rozwijać się bezpośrednio jak zarodniki grzybów, to znaczy nie zawsze mogą same z siebie dać początek nowemu osobnikowi.

Reprezentatywny schemat gametogenezy żeńskiej i męskiej (źródło: Elversberg za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Oba typy komórek, męska i żeńska, muszą połączyć się ze sobą w wydarzeniu znanym jako „zapłodnienie”. Dopiero po zapłodnieniu produkt komórkowy tej fuzji, zygota, może dać początek nowej jednostce.

Gamety dużej liczby zwierząt są syntetyzowane z gonad, które są organami ściśle wyspecjalizowanymi w tej funkcji. Gonady mają kiełkujący nabłonek z komórkami zwanymi „goniami”, którym zawdzięczają swoją nazwę. Goni są morfologicznie takie same u obu płci. Jednak u samców nazywane są one „spermatogonią”, a u kobiet - „oogonią”.

Gametogeneza obejmuje zarówno spermatogenezę, jak i oogenezę, a oba procesy są homologiczne, dzieląc trzy podstawowe etapy tworzenia gamet.

Gametogeneza wyróżnia się tym, że jest procesem podziału komórek, w którym ładunek chromosomalny osobnika zmniejsza się o połowę, co jest możliwe dzięki podziałowi mejotycznemu, w którym zachodzą dwie następujące po sobie segregacje chromosomów.

Wytwarzanie komórek rozrodczych u zwierzęcia lub rośliny zależy od kilku czynników, wśród których wyróżnia się zróżnicowana ekspresja niektórych genów kodujących „instrukcje” niezbędne zarówno do zajścia podziałów komórkowych, jak i do wywołania zmian. odpowiedni morfogenetyczny.

Gametogeneza męska

Gametogeneza męska to proces, w którym spermatogonia dojrzewa i różnicuje się w plemniki. Jest to złożony proces, w którym totipotencjalne komórki macierzyste dzielą się, tworząc komórki potomne, które staną się plemnikami.

U większości istot żywych, które mają męską gametogenezę, ma to miejsce dopiero w pewnym wieku rozwojowym. U ludzi zaczyna się pojawiać w okresie dojrzewania i trwa do końca życia.

Gametogeneza samców u wielu zwierząt, w tym człowieka, nazywana jest „spermatogenezą” i składa się z trzech etapów: proliferacji mitotycznej, proliferacji mejotycznej i przebudowy komórek.

Proces

Spermatogeneza zaczyna się od mitozy, która zwiększa liczbę spermatogonii. Spermatogonia to populacja komórek, które są w ciągłym podziale mitotycznym, ponieważ są odpowiedzialne za odnowę komórek macierzystych w celu wytworzenia plemników.

Zatem proces mitotyczny w męskiej gametogenezie ma kluczowe znaczenie dla proliferacji i utrzymania spermatogonii.

Niektóre spermatogonie wywołane mitozą powiększają się i stają się pierwotnymi spermatocytami. Każdy pierwotny spermatocyt przechodzi redukcję ładunku chromosomalnego poprzez pierwszy podział mejotyczny (mejoza I), w wyniku którego powstają dwa wtórne spermatocyty.

Wtórne spermatocyty wchodzą w drugi podział mejotyczny (mejoza II), ale w tym przypadku nie występuje granica faz (ładunek chromosomów nie jest ponownie dzielony), więc powstałe komórki mają ten sam ładunek chromosomalny, to znaczy są haploidalne.

Powstałe w ten sposób komórki haploidalne nazywane są spermatydami i każda z nich może zawierać tylko chromosomy pochodzenia matczynego lub ojcowskiego lub mieszankę różnych proporcji chromosomów obojga rodziców.

Spermatydy wchodzą w proces zwany „spermiogenezą”, w którym ulegają różnym zmianom morfologicznym, zagęszczają swoje chromosomy, wydłużają ich wici, zmniejszają zawartość cytoplazmatyczną i ostatecznie stają się dojrzałymi plemnikami (chociaż w wielu przypadkach dojrzewają) kulminuje, gdy te są uwalniane w żeńskim układzie rozrodczym).

cechy

Pomimo faktu, że spermatogeneza zachodzi nieprzerwanie przez całe życie rozrodcze dorosłego zwierzęcia, jedynym celem tego procesu jest wytworzenie komórek, przez które jego informacja genetyczna będzie przekazywana potomstwu, co będzie możliwe tylko dla poprzez rozmnażanie płciowe z samicą tego samego gatunku.

Ponadto umożliwia to samcom tego gatunku mieszanie informacji genetycznej ich poprzedników i ich własnej z informacją samicy, co zwiększa zmienność genetyczną potomstwa.

Ta umiejętność łączenia informacji genetycznej pomaga gatunkom nabyć ważne cechy, które mogą pomóc im przezwyciężyć zmiany lub niekorzystne warunki w środowisku, w którym żyją.

Gametogeneza żeńska

Kobieca gametogeneza lub oogeneza była jednym z najlepiej zbadanych procesów w historii ludzkości. Badaniom tym poświęcili się naukowcy z różnych dziedzin, takich jak medycyna, biologia, ekonomia, socjologia i polityka publiczna.

Angielski lekarz William Harvey sformułował słynne zdanie o oogenezie, które brzmi: „wszystko, co żyje, pochodzi z jaja”.

W ciągu życia wielu samic wytwarza się około 1 do 2 milionów oocytów, ale tylko 300 do 400 oocytów dojrzewa i ulega „owulacji”. U samic wielu gatunków zwierząt po okresie dojrzewania co miesiąc rozwija się jedna lub więcej oogonii, tworząc dojrzałe zalążki.

Proces

Komórki rozrodcze jajnika, zwane oogonia lub oogonia, zwiększają liczbę w wyniku mitozy. Każda powstała oogonia ma taką samą liczbę chromosomów, jak inne komórki somatyczne. Gdy oogonia przestaje się namnażać, powiększa się i staje się pierwotnymi oocytami.

Zanim nastąpi pierwszy podział mejotyczny, chromosomy w pierwotnych oocytach są sparowane z ich chromosomami homologicznymi, w połowie dziedziczonymi po matce, a w połowie od ojca.

Przedstawienie cyklu miesiączkowego. 1) miesiączka; 2) Dojrzewanie pęcherzyka; 3) Dojrzały pęcherzyk; 4) Corpus luteum i 5) Degradacja ciałka żółtego (źródło: M.Komorniczak, za Wikimedia Commons)

Wtedy następuje pierwszy podział „redukcyjny”, czyli dojrzewający, czyli pierwsza mejoza. W wyniku tego podziału powstają dwie komórki, jedna komórka z połową materiału genetycznego, o słabej zawartości cytoplazmatycznej i znana jako „pierwsze ciało polarne”.

Druga komórka powstała w wyniku pierwszej mejozy jest duża i znacznie bogatsza w zawartość cytoplazmatyczną niż ciało polarne, ponadto ta komórka ma drugą połowę zawartości genetycznej pierwotnego oocytu, który ją dał. Ta druga komórka nazywana jest „wtórnym oocytem”.

W drugim podziale mejotycznym oocyt wtórny i pierwsze ciało polarne dzielą się, tworząc odpowiednio jedno duże „jajo” i trzy małe ciała polarne. Jajowate rośnie i przekształca się, dając początek dojrzałej komórce jajowej.

Ciała polarne nie są funkcjonalne i ulegają rozpadowi, ale ich utworzenie jest niezbędne do rozładowania komórki jajowej „nadmiaru” chromosomów. Z kolei nierównomierny podział cytoplazmatyczny pozwala na wytworzenie dużej komórki z wystarczającą rezerwą materiału do rozwoju nowego osobnika.

cechy

Podobnie jak w przypadku gametogenezy męskiej, ostatecznym celem gametogenezy żeńskiej jest wytworzenie żeńskiej gamety. Jednak ta gameta ma inne cechy i funkcje niż męska.

Podobnie jak w przypadku syntezy męskich gamet, żeńskie gamety również łączą informacje genetyczne rodziców i osoby, która je produkuje, w celu przekazywania tych informacji, a jednocześnie zwiększają zmienność genetyczną potomstwa.

Pomimo faktu, że w kobiecej gametogenezie pierwotne oocyty dają początek pojedynczej funkcjonalnej komórce jajowej (żeńskiej gamecie), mają one cały materiał odżywczy, aby dać początek nowej osobnikowi po zapłodnieniu.

Warto zauważyć, że na przykład u ludzi gametogeneza żeńska jest procesem ciągłym od okresu dojrzewania, ale jest ograniczona, to znaczy u płodu dziecka płci żeńskiej wszystkie pierwotne oocyty, które będzie miała kobieta, powstają w całe życie, które co miesiąc „ginie” wraz z miesiączką.

Gametogeneza u roślin

Tylko u roślin wyższych mówi się o prawidłowej gametogenezie, a proces u roślin jest dość podobny do tego u zwierząt.

Główną różnicą jest to, że rośliny mają zdolność do wytwarzania gamet na późnym etapie rozwoju, co nie zostało wcześniej określone, podczas gdy u zwierząt tworzenie gamet ogranicza się do określonych regionów, które powstały w trakcie rozwój zarodkowy.

Gamtogeneza w roślinach kwitnących (Źródło: Pablo damiani2 za Wikimedia Commons)

Inną ważną cechą jest to, że chociaż mutacje genetyczne mogą bardzo często wpływać na płodność gamet, mutacje te rzadko są śmiertelne dla potomstwa.

U roślin wyższych gamety męskie i żeńskie są odpowiednio ziarnem pyłku i zalążkiem. Zarówno zalążek, jak i ziarno pyłku są siedzące (nieruchome) i znajdują się wewnątrz każdego z odpowiadających im gametofitów (które są analogiczne do gonad).

Gametogeneza żeńska

U roślin kwitnących miejsca produkcji zalążków są znane jako „megasporangia” i znajdują się w jajniku zawierającym jedną lub wiele zalążków. Każdy zalążek składa się z megasporangium zwanego nucelą i jest otoczony przez jedną lub więcej powłok.

Powłoki łączą się na jednym końcu, tworząc mikropyl, otwór, przez który będzie przenikać łagiewka pyłkowa ziarna pyłku. W megasporangii komórka znana jako „megasporocyt” działa jako komórka macierzysta megaspory (zalążka).

Megasporocyt przechodzi mejozę i tworzy cztery haploidalne megaspory. Trzy z megasporów zwykle ulegają rozpadowi, a ten najbardziej oddalony od mikropylu przeżywa i staje się megagametofitem.

U większości roślin okrytozalążkowych rozwijający się megagametofit wytwarza osiem jąder. Cztery jądra trafiają do jednego końca jaja, a pozostałe cztery do drugiego. Jądro z każdego końca migruje w kierunku środka zalążka, są to znane jako „jądra polarne”.

Pozostałe jądra na każdym końcu tworzą komórki, a jedna z tych komórek w pobliżu mikropyle rozwinie się w dojrzałą komórkę jajową.

Dojrzały megagametofit składa się z 8 jąder w 7 różnych komórkach. Nazywa się to również „workiem embrionalnym”, ponieważ zarodek rozwija się wewnątrz po zapłodnieniu.

Gametogeneza męska

Ziarna pyłku lub mikrogametofity są wytwarzane i osadzane w pręcikach kwiatu. Każdy pręcik ma pylnik, a każdy pylnik ma zwykle cztery mikrosporangie, znane jako woreczki pyłkowe.

Wewnątrz każdego worka pyłkowego znajdują się komórki macierzyste mikrospor, czyli ziaren pyłku. Wszystkie komórki macierzyste przechodzą proces mejotyczny, a z każdej komórki macierzystej powstają cztery haploidalne mikrospory.

Mikrospory rosną i rozwijają się w niedojrzałe ziarna pyłku. Te niedojrzałe ziarna pyłku mają komórkę, z której powstaje „łagiewka pyłkowa” oraz komórkę generatywną, która wyprodukuje dwa plemniki.

Zanim pyłek zostanie uwolniony z pylnika, tworzy zewnętrzną powłokę ochronną białka zwanego eksiną i wewnętrzną powłokę ochronną innego białka, intiny. Wiele gatunków roślin można zidentyfikować na podstawie wzoru, który rozwija się na wewnętrznej powłoce ziaren pyłku.

Ostateczny rozwój ziaren pyłku następuje wraz z „kiełkowaniem” łagiewki, następuje to dopiero po osadzeniu się ziarna pyłku na znamieniu kwiatu, który następnie zapyli.

Bibliografia

1. Desai, N., Ludgin, J., Sharma, R., Anirudh, RK, & Agarwal, A. (2017). Gametogeneza żeńska i męska. W klinicznej medycynie reprodukcyjnej i chirurgii (str. 19-45). Springer, Cham.
2. Hilscher, W., & Hilscher, B. (1976). Kinetyka męskiej gametogenezy. Andrologia, 8 (2), 105-116.
3. McCormick, S. (1991). Analiza molekularna męskiej gametogenezy u roślin. Trends in Genetics, 7 (9), 298-303.
4. Ünal, E. i Amon, A. (2011, styczeń). Tworzenie się gamet resetuje zegar starzenia się drożdży. Na sympozjach w Cold Spring Harbor na temat biologii ilościowej (Vol. 76, str. 73-80). Prasa laboratoryjna Cold Spring Harbor.
5. Van Blerkom, J., & Motta, P. (red.). (2012). Ultrastruktura rozrodu: gametogeneza, zapłodnienie i embriogeneza (tom 2). Springer Science & Business Media.
6. Van Werven, FJ i Amon, A. (2011). Regulacja wejścia w gametogenezę. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 366 (1584), 3521-3531.
7. Wilson, ZA i Yang, C. (2004). Gametogeneza roślin: ochrona i kontrasty w rozwoju. Powielanie, 128 (5), 483-492.