Однако у большинства видов животных в яйцо проникает только один спермий (физиологическая моноспермия) и существуют специальные механизмы, препятствующие вхождению других. Если у этих видов в яйцо проникают несколько сперматозоидов, то дальнейшее развитие нарушается и зародыш обычно погибает.
В процессе оплодотворения надо различать три этапа: встреча спермия и яйца, проникновение спермия в яйцо и слияние мужского и женского ядер. Разные виды животных сильно различаются по биологии оплодотворения, строению яиц и сперматозоидов и по механизмам, препятствующим полиспермии. Мы обсудим только наиболее хорошо известные данные, полученные на морских ежах, рыбах и амфибиях.
1. Встреча яйца и сперматозоида
У рыб во время нереста самцы и самки обычно находятся в непосредственной близости друг от друга. Самка мечет икру, а самец в это же время выделяет спермии. Нередко это происходит в текущей воде. В таких условиях для оплодотворения необходимо, чтобы встреча гамет осуществилась в течение нескольких секунд. Однако в это время вокруг яиц создается высокая концентрация сперматозоидов, которые недолго, но активно движутся. Вероятность встречи гамет велика, и благодаря этому достигается высокий процент оплодотворения. Но вместе с тем возрастает вероятность того, что одновременно достигнет яйца не один, а много сперматозоидов. Поэтому у костистых рыб оболочка яиц имеет единственное отверстие — микропиле, в которое может войти только один сперматозоид. Проблемы полиспермии у костистых рыб просто нет. У осетровых рыб в оболочке яйца несколько микропиле и такая проблема возникает. Но в полной мере эта проблема «стоит» перед яйцами морского ежа, у них же ее «решение» лучше всего изучено.
У морских ежей половые продукты — яйца и спермии — также выбрасываются прямо в воду, причем самцы и самки могут находиться друг от друга на значительном расстоянии. Вероятность встречи спермии с яйцом в этих условиях не слишком велика. В связи с этим вся поверхность яйца способна реагировать со сперматозоидом, и эта способность сохраняется много часов.
Спермии морских ежей могут двигаться в воде долгое время, иногда более суток. Таким образом, низкая концентрация их вокруг яиц может компенсироваться большей поверхностью яйца, доступной для спермиев, и большим временем готовности гамет к встрече друг с другом. Но у морских ежей самка и самец могут оказаться и вблизи друг друга. Тогда концентрация спермиев вокруг яйца станет настолько высокой, что несколько спермиев смогут достигнуть яйца почти одновременно. В этих условиях для яйца возникает реальная опасность полиспермии.
С первого взгляда кажется очень вероятным, что яйца могут привлекать к себе спермии, выделяя какие-нибудь привлекающие вещества. Однако механизмы такого рода — хемотаксис — были обнаружены только у некоторых гидроидов и у низших растений (папоротники, мхи, оплодотворение которых происходит в воде). Женские половые клетки этих организмов выделяют в воду яблочную кислоту, и их сперматозоиды способны направленно двигаться в сторону более высокой концентрации этого вещества. У животных (кроме гидроидов) встреча яйца и сперматозоида происходит случайно.
Сперматозоиды животных движутся беспорядочно по траектории, напоминающей спираль. Их движение осуществляется благодаря энергии АТФ, синтезируемой митохондриями и преобразованной в механические движения хвоста. В зависимости от вида животного, среды и температуры спермин способны двигаться различное время — от минуты до часов или даже суток. Скорость их поступательного движения также колеблется от 3 до 20 мм/мин. У видов, у которых отложенные в воду яйца дольше сохраняют способность к оплодотворению, спермии также способны двигаться большее время.
Хотя спермии животных не способны к хемотаксису, яйца и сперматозоиды выделяют в воду определенные вещества, влияющие на оплодотворение. Яйца выделяют два типа веществ (их называют гиногамон І и гиногамон ІІ). Первое из них ускоряет движение спермиев, что, по-видимому, должно увеличивать вероятность встречи гамет. Второе вещество вызывает склеивание спермиев друг с другом. Оно не может повлиять на поведение одиночных сперматозоидов, но связывает спермии друг с другом, когда их много, препятствуя тем самым их участию в оплодотворении и уменьшая вероятность полиспермии. Можно предполагать, что той же цели служит выделяемый спермиями андрогамон I — он подавляет действие гиногамона I, замедляя движение сперматозоидов, если они присутствуют в большей концентрации. Таким способом организована защита яиц морского ежа от встречи с избыточным числом спермиев в тех случаях, когда самка и самец в момент выделения гамет оказываются рядом.
Таким образом, надежность осеменения и вместе с тем низкая вероятность встречи со многими спермиями обеспечиваются несколькими обстоятельствами: поведением самца и самки, организацией яйцеклетки и сперматозоида и, наконец, выделяемыми ими веществами. Тем не менее этих условий для защиты от полиспермии недостаточно и главные механизмы защиты действуют при вхождении спермия в яйцо.
2. Проникновение спермия в яйцо
При контакте сперматозоида с яйцом в обеих гаметах происходят сложные процессы, обеспечивающие проникновение спермия в цитоплазму яйца. У многих видов первым на контакт реагирует сперматозоид. Эта реакция называется акросомной и состоит в том, что спермий выбрасывает вперед тонкую акросомную нить или вырост — трубочку, которая возникает в течение нескольких секунд путем выворачивания и вытягивания оболочки акросомы— структуры, которая находится на передней части головки спермия. Коснувшись мембраны яйца, акросомный вырост сливается с ней в одно целое. С этого момента спермий утрачивает подвижность, а его плазматическая мембрана оказывается как бы продолжением мембраны яйца. У многих видов в яйце в месте контакта со спермием поднимается воспринимающий бугорок, который окружает сперматозоид и втягивает его внутрь яйцеклетки.
После контакта со спермием в поверхностном (кортикальном) слое цитоплазмы яйца происходит кортикальная реакция. У неоплодотворенных яиц в этом слое располагаются особые кортикальные гранулы. Реакция состоит в том, что содержимое этих гранул как бы изливается под оболочку яйца, которая при этом отслаивается и отходит от поверхности яйца, часто на значительное расстояние. Кортикальная реакция начинается в месте прикрепления сперматозоида и довольно быстро распространяется по всей поверхности яйца. В маленьком яйце морского ежа при температуре 15–20° это занимает 10–20 с, в большом яйце белуги — 5 мин. Полагают также, что активация яйца приводит к выделению им в воду ионов кислорода (О-), инактивирующих другие сперматозоиды.
Отделение оболочки оплодотворения не только препятствует проникновению новых спермиев, но и как бы оттаскивает от яйцеклетки те, которые уже успели войти в оболочку чуть позже первого. Этот механизм сокращает до нескольких секунд то время, в течение которого второй сперматозоид еще может проникнуть в яйцо. Тем не менее, если поместить яйца морского ежа или осетровых рыб в густую суспензию спермиев, которая не встречается в естественных условиях, часть яиц оказывается полиспермной. Все они в конце концов погибают. Очевидно, механизмы защиты от полиспермии не всемогущи и гарантируют эту защиту только при «разумных» (близких к естественным) концентрациях сперматозоидов.
Сложный механизм оплодотворения, требующий особого поведения партнеров, специальной организации половых клеток, ряда последовательных, друг друга обусловливающих событий на микроскопическом и молекулярном уровнях, вызывает изумление и часто наивный вопрос: неужели все это могло возникнуть в эволюции путем естественного отбора случайных мутаций? Дело в том, что естественный отбор в данном случае чрезвычайно эффективен. Даже небольшие отклонения в организации процесса оплодотворения приведут либо к полиспермии, либо к тому, что яйцеклетка останется неоплодотворенной.
3. События, происходящие внутри яйца
Сперматозоид втягивается в яйцо не целиком. У многих видов животных он оставляет снаружи хвост, а иногда и среднюю часть. Фактически внутрь яйца проникают лишь ядро и центриоли— компоненты аппарата клеточного деления. Вместе со средней частью в яйцо могут попасть и отцовские митохондрии, но никакой роли в последующем развитии они не играют. Вошедшее ядро быстро изменяется. Оно набухает и приобретает вид светлого пузырька. В нем происходит смена белков хроматина: специальные белки головки сперматозоида, обеспечивающие особо компактную укладку ДНК, заменяются на обычные — гистоны и негистоновые белки. Такое ядро называется мужским пронуклеусом.
