Два начала

У высших животных для воспроизведения потомства используются мужские и женские половые клетки, или гаметы. Они сильно отличаются друг от друга и от остальных клеток организма.

Женская половая клетка называется яйцом. Она крупная, имеющая овальную или шарообразную форму, содержит в большом количестве дейтоплазму (желток) – строительный материал, за счет которого у млекопитающих (кроме яйцекладущих: ехидны и утконоса) яйцо развивается в первый момент после оплодотворения, а у остальных животных до полного созревания зародыша. Вот почему клетки последних достигают прямо-таки гигантской величины.

Самыми большими яйцеклетками из всех живущих в настоящее время на Земле животных, если взять их со всеми оболочками, к которым у птиц относятся скорлупа и белок, являются яйца страусов. Вес этой клетки 2–3 килограмма. У вымерших доисторических рептилий и у еще сравнительно недавно жившего на Земле странствующего голубя объем яйца был с доброе ведро. Человеческая яйцеклетка относится к числу наиболее маленьких, ее диаметр равняется 0,2–0,5 миллиметра. У беспозвоночных известны еще более мелкие яйца, диаметр которых едва достигает 0,04 миллиметра.

Яйца созревают в женских половых органах – яичниках. У человека они формируются в раннем детстве, примерно к двум с половиной годам, и позже уже не изменяются. Удалось сосчитать, что в каждом яичнике в это время содержится по 30 000 яйцеклеток. В более ранний период их несколько больше, но начиная с шестого месяца внутриутробной жизни в яичнике эмбриона некоторые из них начинают созревать, однако полного развития не достигают.

Созревающее яйцо дважды делится и теряет при этом половину своих хромосом. Лишь после наступления у девушки половой зрелости яйцеклетка может достичь полного развития, и произойдет овуляция, выделение яйца из яичника. В течение жизни у женщины созревает лишь немногим более 400 яйцеклеток, по 13 в течение одного года.

Мужские половые клетки – сперматозоиды очень своеобразны и непохожи на другие клетки организма. Сперматозоиды различных животных отличаются друг от друга по внешнему виду. Общим является то, что они всегда меньше яйца и всем им присуща подвижность.

Сперматозоид млекопитающих состоит из небольшой головки и длинного хвоста, с помощью которого он передвигается. Длина человеческого сперматозоида 50–70 микрон, а его головки всего 4–5 микрон. Особенно сложно устроены сперматозоиды низших животных. Они часто бывают снабжены перфоратором в виде шила, сверла, долота или штопора для вскрытия яичной оболочки, а также лопастями, плавниками и другими приспособлениями.

Сперматозоиды развиваются в мужских половых железах – семенниках, которые у позвоночных животных бывают парными и располагаются в полости тела. Только у человека и некоторых млекопитающих они находятся в специальных мешочках непосредственно под кожей. Выход семенников наружу осуществляется во время внутриутробной жизни плода. Если этого почему-либо не произошло, то в таких семенниках сперматозоиды развиваться не будут. Предполагают, что так происходит из-за высокой температуры внутри брюшной полости. Во всяком случае, слоны, у которых семенники лежат в полости тела, а температура достаточно высока, в брачный период поднимаются высоко в горы, где холодно. Без этого зачатие невозможно. Когда же этих гигантов привозят на наш холодный север, они нередко в первые же годы дают потомство. А нужно помнить, что даже у себя на родине размножение слонов в неволе явление далеко не частое.

Семенники мужчин имеют около тысячи извитых канальцев каждый. В стенках канальцев есть крупные овальные клетки, при делении которых и возникают сперматозоиды. Во время деления они так же, как и женские гаметы, теряют половину хромосом, а затем совершают сложный процесс морфологической реконструкции, превращаясь из обычной овальной клетки в зрелый сперматозоид.

Еще не получившие способности к движению сперматозоиды по канальцам проталкиваются в придаток семенника, представляющий собой сильно извитую трубку, где сперматозоиды и хранятся в семенной жидкости, которая содержит необходимые для них питательные вещества: глюкозу и фруктозу.

Независимо от того, где должна произойти встреча сперматозоидов с яйцом, в половых ли путях самки или вне организма, у каждого сперматозоида в отдельности очень мало шансов достичь яйца. Ведь в женских половых путях человеческому сперматозоиду необходимо проделать огромный путь, а скорость движения не превышает 1,5–3 миллиметров в минуту.

Чтобы обеспечить надежность встречи двух половых клеток, природе пришлось пойти по линии использования огромных армий сперматозоидов даже в тех случаях, когда необходимо оплодотворить всего одно яйцо. Так, во время полового акта в половую систему женщины, где в лучшем случае может находиться всего одна созревшая яйцеклетка, вводится 200 или больше миллионов сперматозоидов.

Дело осложняется еще и тем, что половые клетки (и женские и мужские) очень нежны и недолговечны. Человеческая яйцеклетка через сутки после овуляции погибает, сперматозоиды в половых путях женщины живут несколько дольше, 24–48 часов.

Но дело не только в продолжительности существования половых элементов, важно также, в течение какого времени они способны к оплодотворению. Оболочка икры лосося, попав в воду, затвердевает настолько, что сперматозоид уже не может сквозь нее проникнуть. Да и сами сперматозоиды сохраняют в воде способность двигаться очень непродолжительное время: у лосося – 45 секунд, а у ручьевой форели всего 23 секунды. За такой короткий срок и должна произойти встреча обеих клеток. Поэтому при искусственном разведении лосося на рыбозаводах икру предварительно смешивают со сперматозоидами и лишь несколько позже переносят в воду.

Продолжительность жизни и способность сперматозоидов к движению может быть значительно увеличена, если сохранять их без воды. В «сухом» виде сперматозоиды некоторых рыб могут храниться одну-две недели, а иногда и больше.

У некоторых животных сперма в половых путях самки хранится очень долго. Спаривание летучих мышей протекает во время зимовки, но оплодотворения в этот момент не происходит. Введенная в организм самки сперма сохраняется в половых путях до весны. У улиток сперма может храниться годами. У пчел спаривание происходит раз в жизни. Сперма сохраняется в специальном мешочке, соединенном с половыми путями. Когда пчелиная матка откладывает яйца, она произвольно открывает сфинктор мешочка и дает возможность сперматозоидам оплодотворять откладываемые яйца. Если кладка производится при закрытом сфинкторе, яйца оказываются неоплодотворенными.

Как находит сперматозоид яйцо? Об этом сейчас известно немного. Благодаря огромным количествам сперматозоидов встреча с яйцом может происходить в результате случайных столкновений. Известны и особые приспособления. Яйца некоторых животных содержат специальные вещества, которые, выделяясь в окружающую среду в совершенно ничтожных количествах, либо удлиняют срок жизни сперматозоидов, либо заставляют их двигаться к источнику этого вещества.

Существование огромных армий сперматозоидов не обязательно. Там, где устройство полового аппарата значительно облегчает встречу сперматозоида с яйцом, животные обходятся небольшим количеством мужских половых клеток. Так, у некоторых низших ракообразных, относящихся к дафнидам, яйцеклетки в количестве двух хранятся в тесной выводковой камере, куда во время спаривания и попадают сперматозоиды, после чего отверстие, через которое они вводятся, закрывается. Сперматозоиды у этих дафнид очень крупные, малоподвижные и, что особенно интересно, их мало. Во время спаривания в выводковую камеру попадает не больше пяти, а всего у самца сперматозоидов не более 20.

Оплодотворение начинается с прикрепления сперматозоида к оболочке яйца. Теперь он должен проникнуть внутрь. Этому препятствует оболочка яйца. У некоторых животных, например у иглокожих и амфибий, очень толстая. Часто она для сперматозоидов совершенно непроходима, за исключением узкого канала, называемого «микропиле»; только по нему и может внутрь яйца проникнуть сперматозоид. Усилия, которые при этом развивают сперматозоиды, огромны. Можно наблюдать, как крупные яйца морских животных, в сравнении с которыми сперматозоиды ничтожно малы, под дружным натиском их многотысячных армий, окружающих яйцеклетку плотным кольцом, начинают медленно двигаться или вращаться.

Человеческое яйцо, кроме собственной оболочки, окружено еще слоем клеток – лучистым венцом и поэтому недоступно одному сперматозоиду. Только общие усилия нескольких сот тысяч сперматозоидов могут привести к прорыву этого барьера, разрушив с помощью особого фермента гиалуронидазы, в ничтожных количествах содержащегося в их головках, вещество, спаивающее между собой клетки лучистого венца. Лишь затем один из сперматозоидов сможет проникнуть в яйцо.

Проникновение внутрь яйца сразу же вызывает в нем ряд изменений и в первую очередь оболочки: за короткий срок она так уплотняется, что через нее больше уже не сможет проникнуть ни один сперматозоид. Возникновение этой оболочки обеспечивает оплодотворение яйца только одним сперматозоидом.

При этом яйцо яйцеклетки сливается с ядром проникшего внутрь сперматозоида. Таким образом, ядро новой клетки, возникшей от слияния мужской и женской гамет, содержит уже полное число хромосом. Затем яйцеклетка начинает делиться.

В некоторых случаях возникновение оболочки оплодотворения задерживается, и благодаря этому в яйцо проникает несколько сперматозоидов. При слиянии их ядер с ядром яйца общее количество хромосом оказывается больше нормального. Впрочем, для, некоторых организмов проникновение в яйцо нескольких сперматозоидов является нормальным явлением. Однако и в этом случае лишь один из них сливается с ядром женской клетки. Остальные погибают недалеко от поверхности ядра, и их вещество используется только для питания яйцеклетки.

Лишь в исключительно редких случаях в слиянии может принять участие несколько сперматозоидов. Такая яйцеклетка обычно развивается неправильно и вскоре гибнет. Однако у насекомых, птиц и некоторых других животных в искусственных условиях удается вырастить до взрослого состояния отдельные экземпляры, полученные от слияния яйцеклетки с несколькими сперматозоидами.

Полиплоидные животные, то есть имеющие по нескольку наборов хромосом, возникают и при нормальном оплодотворении яйца одним сперматозоидом, если нарушить процесс последующего дробления яйцеклетки. Особенно широко полиплоидия развита у растений. Клетки полиплоидных растений более крупные, в результате размер растений сильно увеличивается. Все культурные растения полиплоидны. Значительно более редки случаи полиплоидии у животных. Может быть, это объясняется путаницей при определении пола. Нормального расхождения хромосом при этом не происходит, деление яйцеклетки нарушается, и она гибнет. Только у однополых животных полиплоидия получается легко.

Оплодотворение – специфическая реакция. Это значит, что слияние может произойти между половыми клетками животных, относящихся к одному или очень близким видам. Оплодотворение яйца спермой неродственных животных встречается только как исключительное явление.

Еще одна особенность оплодотворения – оно необратимо. Если сперматозоид, проникший в яйцо, даже почему-либо погибнет, оно может продолжать развитие и дробление, как будто ничего и не произошло. Развитие яйца будет продолжаться, если проникший в него сперматозоид осторожно извлечь оттуда. Повторно в это яйцо ни один сперматозоид уже попасть не сможет. Развивающиеся из таких неполноценно оплодотворенных яиц зародыши гибнут на ранних этапах развития и лишь иногда достигают взрослого состояния. Способность яйца развиваться после гибели или удаления проникшего внутрь сперматозоида – очень важное свойство. Благодаря этой способности с яйцом могут происходить удивительные вещи.

Просьба влюбленной Салмакиды

Греческие легенды рассказывают, что прекрасная нимфа Салмакида безумно влюбилась в необычайно красивого юношу Гермафродита, сына Гермеса и Афродиты, воспитанного наядами. Она обратилась с мольбой к богам сделать их навек неразлучными, и боги, вняв ее просьбе, слили их в одном теле. Естественно, что это фантастическое существо оказалось двуполым.

Не только греческие боги, но и природа любила пошутить. На Земле немало подлинных гермафродитов – настоящих двуполых существ.

Гермафродитизм бывает естественный и патологический, возникающий как врожденное уродство. Что же представляют собой гермафродитные существа?

У истинных гермафродитов должно быть обязательно две половые железы, одна из которых вырабатывает мужские, а другая женские половые клетки. Не следует, однако, думать, что каждое такое животное, оперируя половыми клетками обоих видов, в состоянии своими силами дать жизнь новому существу. Такие животные известны, однако их немного. Для размножения большинства гермафродитных животных нужно, чтобы в этом процессе, как и у раздельнополых организмов, участвовало не меньше двух особей.

Самооплодотворение чаще всего встречается у животных, ведущих паразитический образ жизни. Если бы не это, отгороженный в теле своего хозяина от всего постороннего мира паразит был бы лишен возможности оставить потомство.

При самооплодотворении нередко имитируется процесс спаривания. Один из реснитчатых червей, чтобы осуществить встречу гамет, должен ввести собственный совокупительный орган в специальное отверстие на своем теле.

Самоспаривание не всегда обязательно. Нередко устройство половых органов обеспечивает встречу половых продуктов. У плоского червя антоботриума, паразитирующего в кишечнике акулы, протоки мужской и женской половых желез впадают в общую клоаку, где и происходит встреча половых продуктов.

Некоторые гермафродитные организмы способны к самооплодотворению, однако не используют эту возможность, прибегая для воспроизведения потомства к помощи партнера. У многоротого сосальщика, паразитирующего в мочевом пузыре лягушки, спаривание двух особей обычно. Только если партнера нет, происходит самооплодотворение.

Для многих гермафродитных организмов самооплодотворение невозможно. Причины могут быть самые различные. Чаще всего мужские и женские половые продукты созревают в разное время. Но бывает и так, что женские половые клетки не могут быть оплодотворены сперматозоидами, происходящими от того же организма. Это явление наблюдается у асцидий, механизм его пока не разгадан.

Большинство гермафродитных организмов, неспособных к самооплодотворению, в период размножения или одновременно выполняют функции самца и самки или в разные периоды жизни выступают то в одной, то в другой роли.

Представителем первой группы является хорошо всем известный дождевой червь. На пятнадцатом членике каждого червя расположено два половых отверстия: одно для выведения спермы, другое для ее приема. Во время спаривания два червя тесно прижимаются друг к другу таким образом, чтобы отверстие для выведения спермы каждого червя совпало с отверстием для ее приема. Благодаря выделению клейкой слизи оба экземпляра могут длительное время находиться в таком положении.

Другой интересный представитель этой группы – червь спайщик паразитирует в жабрах карповых рыб. Молодые паразиты до достижения половой зрелости живут поодиночке. Позже они срастаются по двое крест-накрест и в таком положении проводят остальную часть жизни. Спайщики – гермафродиты и взаимно оплодотворяют друг друга. Другие паразиты – сингамусы, обитающие в горле птиц, всю жизнь находятся в состоянии спаривания, соединенные попарно в виде латинской буквы V.

Группа гермафродитов, меняющих свой пол в зависимости от того, какие половые продукты у них созрели, тоже многочисленна. Так ведет себя круглый легочный глист лягушки. Равноногие раки и некоторые моллюски в начале своей жизни выступают в роли самцов, а во вторую половину – в роли самок.

Иногда смена полов наблюдается у высокоразвитых раздельнополых организмов. В аквариумах любителей можно увидеть довольно обычных живородящих рыбок – меченосцев. Нередко молодая самка меченосца, после того как принесет потомство, превращается в полноценного самца. Аналогичные явления известны у лягушек.

В этой главе уместно рассказать и о таком отнюдь не единственном явлении, внешне напоминающем гермафродитизм, как паразитирование представителей одного пола на теле другого.

В половых путях самок червей бонеллия зеленая, трихозома и других живет по нескольку самцов. Они мало напоминают самку и по внешним признакам могли бы быть отнесены к животным другого вида. Подобная путаница действительно имела место. Естественно, что обитание самцов непосредственно в половых путях самок значительно увеличивает шансы на успешное оплодотворение.

Известны случаи, когда самки живут на теле самцов. У кровяного двурота, паразитирующего в крови человека, небольшой самец имеет на теле глубокую складку, в которой, как в трубке, заключена самка. Из трубки торчат только передняя и задняя часть паразита. О замечательных рыбах – глубоководных удильщиках, самцы которых паразитируют на теле своих подруг, уже рассказывалось.

Гермафродитизм для низших животных – явление обычное. У высших встречается лишь как редкое уродство. Подобные аномалии развития иногда обнаруживаются и у человека. Чаще всего дело ограничивается тем, что у больного возникают некоторые внешние признаки другого пола. У мужчин не растут борода и усы, сильно развиваются грудные железы, наблюдается отложение жира на бедрах и в других местах, что придает членам известную округлость. У женщин, наоборот, развивается волосяной покров на лице, ногах или других участках тела, грудные железы могут быть очень маленькими, а тембр голоса – мужским.

Реже наружные половые органы приобретают черты, придающие им сходство с половыми органами противоположного пола. Иногда они оказываются настолько плохо развиты, что определение пола становится невозможным.

Подобные явления получили название ложного гермафродитизма, так как дело ограничивается лишь изменением внешних признаков. Половые железы у таких субъектов относятся к какому-нибудь одному полу, хотя могут быть недоразвиты.

Истинный гермафродитизм, когда у одного человека есть и яичники и семенники, наблюдается крайне редко. Известно лишь несколько достоверных случаев, причем в большинстве из них полноценной функциональной деятельностью обладали железы только одного какого-нибудь пола.

Так как у гермафродитов при рождении (и не только при рождении!) трудно правильно определить пол, а решить этот вопрос и зарегистрировать в соответствующих документах врач-акушер должен немедленно, возможны ошибки. В дальнейшем ошибочная направленность воспитания может привести к тому, что психический склад и сексуальные склонности пациента не будут соответствовать состоянию имеющихся у него половых желез. У истинных гермафродитов психический склад и сексуальная направленность в течение жизни могут меняться.

Теперь благодаря высокому развитию оперативной техники этот дефект развития может быть устранен без особого риска для пациента. Решая вопрос, какие половые железы подлежат удалению, врач руководствуется не их функциональной способностью, а психическим складом больного и в соответствии с этим производит операцию. Только в том случае, если психический склад четко не определяется, хирург делает операцию, руководствуясь состоянием половых желез.

Кое-что о непорочном зачатии

Мы привыкли думать, что у живых существ, имеющих половые клетки, возникновение зародышей всегда сопровождается слиянием яйца и сперматозоида. Но это не обязательно. У некоторых животных яйца способны развиваться сами по себе, без какого-либо участия мужских половых клеток. Это явление открыто Левенгуком в начале XVIII века и получило название девственного размножения, или партеногенеза.

При любом способе размножения всегда какое-то число яйцеклеток остается неоплодотворенным. Все они очень скоро гибнут. Впрочем, из этого правила есть многочисленные исключения. У иглокожих, некоторых червей и членистоногих оставшиеся неоплодотворенными яйца могут начать делиться, как и оплодотворенные, но развитие не идет до конца. На определенной стадии оно приостанавливается, и зародыш гибнет. У этих организмов новые полноценные существа из неоплодотворенного яйца возникают чрезвычайно редко.

Известны, однако, животные (некоторые виды кузнечиков и другие насекомые), у которых неоплодотворенные яйца развиваются нормально, а личинки, вышедшие из них, вырастают до взрослых особей, так что обычный способ размножения необязателен.

У только что названных животных партеногенез явление случайное, не имеющее серьезного значения для вида. В отличие от них есть организмы, которые не могли бы существовать без этого и размножаются только партеногенетически или чередуют партеногенетическое размножение с нормальным. Последний способ размножения получил название сезонного партеногенеза. Он присущ тлям и многим другим насекомым.

У виноградного вредителя филлоксеры из отложенных с осени яичек весной развиваются только самки, носящие название основательниц. Из 50 яиц, отложенных каждой из них, партеногенетически развиваются такие же самки, которые, в свою очередь, откладывают неоплодотворенные яйца. В течение лета рождается несколько поколений; самцы по-прежнему отсутствуют. Только с наступлением осени из неоплодотворенных яиц выведется два вида крылатых самок, не очень похожих друг на друга. Одни из них отложат более крупные яйца, из которых вылупятся самки. Из более мелких яиц, откладываемых другими, выведутся самцы. И эти яйца, конечно, развиваются партеногенетически. Только с появлением самцов наступает половое размножение.

Какого пола бывают животные, выросшие из партеногенетически развившихся яиц? На примере филлоксеры мы видели, что и самцы и самки. Еще более многочисленны случаи, когда партеногенетическое развитие дает одних самцов. Состарившаяся пчелиная матка, израсходовав весь запас полученной ею при спаривании спермы, откладывает яйца, из которых развиваются только трутни. Не трудно понять целесообразность этого явления для сохранения вида. Появление трутней именно в этот период должно обеспечить оплодотворение молодой пчелиной матки.

Многие животные могут совсем обходиться без полового размножения.