У двох попередніх статтях (тут і тут) я розповідав про нескорочувану складність сперматозоїдів та сім'яної рідини для успішного запліднення. Тепер я розгляну вишукані особливості конструкції жіночої яйцеклітини. Ось анімація неймовірного процесу відтворення, від еякуляції до народження.

Оогенез

Оогенез (процес утворення яйцеклітин) починається під час ембріонального розвитку, коли визначаються первинні зародкові клітини. Ці клітини мігрують до генітальних гребенів, які пізніше перетворюються на жіночі яєчники. Перед народженням первинні зародкові клітини піддаються мітотичному поділу, внаслідок якого утворюються оогонії – клітини-попередники яйцеклітин. Ці оогонії перетворюються на первинні ооцити, які є диплоїдними клітинами, затриманими в профазі I мейозу. Ця зупинка зазвичай відбувається до або незабаром після народження.

Первинні ооцити оточуються соматичними клітинами, утворюючи первинні фолікули, які проходять через процес, що називається фолікулогенезом, де вони розвиваються в первинні, вторинні та, в кінцевому підсумку, третинні фолікули. Коли жінка досягає статевої зрілості, деякі первинні ооцити активуються в кожному менструальному циклі. Активований первинний ооцит завершує мейотичний поділ I, внаслідок чого утворюється вторинний ооцит і клітина меншого розміру, звана полярним тілом (основне призначення полярного тіла – відкидати зайвий генетичний матеріал, що утворюється в процесі мейозу). Однак вторинний ооцит затримується в метафазі II.

Під час овуляції зрілий фолікул розривається, вивільняючи вторинний ооцит у фаллопієву трубу. Якщо вторинний ооцит запліднюється сперматозоїдом, він завершує мейотичний поділ II, внаслідок чого утворюється зріла яйцеклітина (овум) і ще одне полярне тіло. Якщо запліднення не відбувається, мейоз II не завершується. Після овуляції фолікул, що залишився, перетворюється на жовте тіло, яке виділяє гормони, такі як прогестерон, щоб підготувати матку до можливої вагітності. Якщо запліднення не відбувається, жовте тіло деградує, що призводить до падіння рівня гормонів. Це викликає менструацію, і цикл відновлюється.

Запліднення

Як я вже говорив, сперматозоїди пропливають жіночим статевим трактом, керовані війками, на додаток до хімічних сигналів. Хімічні речовини, звані хемоатрактантами, виділяються яйцеклітиною та слугують сигнальними молекулами, що створюють градієнт концентрації. Сперматозоїд здатний до хемотаксису – процесу, внаслідок якого сперматозоїд рухається вгору за градієнтом концентрації, до вищих концентрацій хемоатрактанта. Зміни концентрації хемоатрактанта розпізнаються спеціалізованими рецепторами на поверхні сперматозоїдів. При виявленні підвищення концентрації всередині клітини запускається сигнальний каскад, який впливає на характер биття джгутика. Таким чином, сперматозоїд поступово рухається в напрямку яйцеклітини – джерела хемоатрактантів. В міру того як сперматозоїд пливе до яйцеклітини, концентрація хемоатрактантів постійно вимірюється, що дає змогу йому коригувати свій курс для точнішого налаштування руху. Щойно сперматозоїд опиняється в безпосередній близькості від яйцеклітини, він зустрічає інші сигнальні молекули, які ще більше орієнтують сперматозоїд й направляють його до плазматичної мембрани яйцеклітини – місця запліднення.

Досягнувши яйцеклітини, сперматозоїд стикається із zona pellucida, багатим на глікопротеїни матриксом, який оточує яйцеклітину. Розпізнавання сперматозоїда і яйцеклітини починається із взаємодії між глікопротеїнами на поверхні сперматозоїда та zona pellucida, направляючи тим самим сперматозоїд до поверхні яйцеклітини.

У попередній статті я писав про акросому – спеціалізовану структуру, яку мають сперматозоїди і яка містить ферменти, що допомагають проникати через захисні бар'єри яйцеклітини. Під час контакту сперматозоїда із zona pellucida акросома зазнає екзоцитозу, вивільняючи ці ферменти. Ці ферменти допомагають створити шлях для сперматозоїда до плазматичної мембрани яйцеклітини. Після цього відбувається злиття плазматичної мембрани яйцеклітини та сперматозоїда, що дає змогу генетичному матеріалу сперматозоїда зблизитися з цитоплазмою яйцеклітини.

Активація яйцеклітини

Після злиття плазматичних мембран сперматозоїда і яйцеклітини в ній відбуваються різні зміни, які в сукупності називають «активацією яйцеклітини». По-перше, мембрана яйцеклітини стає менш проникною для інших сперматозоїдів, щоб запобігти заплідненню однієї яйцеклітини більш ніж одним сперматозоїдом. Швидке блокування поліспермії пов'язане зі зміною електричних властивостей плазматичної мембрани яйцеклітини. Коли сперматозоїд успішно проникає в зовнішні шари мембрани, це спричиняє вивільнення йонів кальцію (Ca²⁺) з внутрішньоклітинних запасів яйцеклітини.

Приплив йонів кальцію слугує сигналом, що ініціює зміну мембранного потенціалу яйця. Йонні канали на мембрані яйця відкриваються й сприяють проникненню йонів натрію (Na⁺). В результаті плазматична мембрана яйця деполяризується. В нормі мембрана яйця підтримується в стані негативного потенціалу спокою. Однак приплив позитивних йонів натрію нейтралізує цей негативний потенціал, роблячи мембранний потенціал менш негативним. Змінений мембранний потенціал ускладнює для інших сперматозоїдів початок процесу злиття й тим самим створює тимчасовий електричний бар'єр, що перешкоджає злиттю інших сперматозоїдів з яйцеклітиною. Деполяризація – тимчасове явище. Через деякий час мембранний потенціал яйцеклітини відновлюється до нормального стану спокою (це часто називають «перезавантаженням» яйцеклітини).

Вторинний захист від поліспермії відомий як повільний блок, або «кортикальна реакція». Коли йони кальцію вивільняються під час запліднення, це запускає екзоцитоз гранул кори, розташованих прямо під плазматичною мембраною яйця, які містять ферменти. Глікопротеїни в zona pellucida зшиваються цими ферментами, що призводить до затвердіння zona pellucida і зниження її проникності. Змінена zona pellucida утворює структуру, звану «оболонкою запліднення», яка оточує яйцеклітину, утворюючи бар'єр, що фізично блокує доступ додаткових сперматозоїдів до поверхні яйцеклітини.

В яйцеклітині також відбуваються зміни, що сприяють завершенню мейозу й початку раннього ембріонального розвитку. Генетичний матеріал сперматозоїда та яйцеклітини, що складається з одного набору хромосом (23 хромосоми в людини), з'єднується та утворює диплоїдну клітину, звану зиготою, яка містить повний набір хромосом, необхідний для розвитку нового індивідуума. Це миттєво визначає стать, колір очей і волосся, а також багато інших ознак.

Після запліднення зигота починає проходити серію швидких поділів клітин в процесі, що називається розщепленням. В результаті розвивається багатоклітинний ембріон, який рухається по фаллопієвій трубі до матки. Зрештою, він прибуває в матку й прикріплюється до маткової оболонки процесом, званим імплантацією.

Вишуканий дизайн

Як видно з вищевикладеного, розвиток яйцеклітини та її активація у відповідь на зустріч зі сперматозоїдом демонструють вишуканий дизайн, залежний від безлічі взаємозалежних процесів, кожен з яких необхідний для успішної репродукції. Якщо розглядати їх в поєднанні з неймовірними інженерними особливостями сперматозоїда та сім'яної рідини (про які йшлося в попередніх статтях), то, здавалося б, теза про дизайн практично не викликає сумнівів.