18. Сперма. Строение сперматозоида
Спе́рма семя, эякулят - жидкость (мутная, вязкая, опалесцирующая, светло-серого цвета), выделяемая приэякуляции (семяизвержении) самцами животных, Сперма – смесь спермиев (половых клеток самца) и плазмы (сыворотки).
Сперматозоид - это мужская половая клетка (гамета). Он обладает способностью к движению, чем в известной мере обеспечивается возможность встречи разнополых гамет. Размеры сперматозоида микроскопические: длина этой клетки у человека составляет 50-70 мкм (самые крупные они у тритона - до 500 мкм). Все сперматозоиды несут отрицательный электрический заряд, что препятствует их склеиванию в сперме. Количество сперматозоидов, образующихся у особи мужского пола, всегда колоссально. Например, эякулят здорового мужчины содержит около 200 млн сперматозоидов (жеребец выделяет около 10 млрд сперматозоидов).
Строение сперматозоида По морфологии сперматозоиды резко отличаются от всех других клеток, но все основные органеллы в них имеются. Каждый сперматозоид имеет головку, шейку, промежуточный отдел и хвост в виде жгутика (рис.1). Почти вся головка заполнена ядром, которое несет наследственный материал в виде хроматина. На переднем конце головки (на ее вершине) располагается акросома, которая представляет собой видоизмененный комплекс Гольджи. Здесь происходит образование гиалуронидазы - фермента, который способен расщеплять мукополисахариды оболочек яйцеклетки, что делает возможным проникновение сперматозоида внутрь яйцеклетки. В шейке сперматозоида расположена митохондрия, которая имеет спиральное строение. Она необходима для выработки энергии, которая тратится на активные движения сперматозоида по направлению к яйцеклетке. Большую часть энергии сперматозоид получает в виде фруктозы, которой очень богат эякулят. На границе головки и шейки располагается центриоль. На поперечном срезе жгутика видны 9 пар микротрубочек, еще 2 пары есть в центре. Жгутик является органоидом активного движения. В семенной жидкости мужская гамета развивает скорость, равную 5 см/ч (что применительно к ее размерам примерно в 1,5 раза быстрее, чем скорость пловца-олимпийца). Установлено, что сперматозоиды более устойчивы к воздействию ионизирующей радиации, чем незрелые яйцеклетки.
Установлено, что оболочка сперматозоида имеет специфические рецепторы, которые узнают химические вещества, выделяемые яйцеклеткой. Поэтому сперматозоиды человека способны к направленному движению по направлению к яйцеклетке (это называется положительным хемотаксисом).
При оплодотворении в яйцеклетку проникает только головка сперматозоида, несущая наследственный аппарат, а остальные части остаются снаружи.
19. Сперма. Свойства сперматозоидов
Спе́рма (семя, эякулят - жидкость (мутная, вязкая, опалесцирующая, светло-серого цвета), выделяемая приэякуляции (семяизвержении) самцами животных, Сперма – смесь спермиев (половых клеток самца) и плазмы (сыворотки).
Половые клетки самцов – это жгутиковые клетки, имеющие своеобразную бичевидную форму, с последовательным размещением основных органелл, что позволяет выделить в каждой из них головку, шейку, тело (связующий отдел) и хвостик.
Головка сперматозоида является самой существенной и объемной его частью. У животных с внешним оплодотворением она симметрична, имеет правильную форму (например, у щук – шаровидная). У животных с внутренним оплодотворением форма головки асимметричная, что обеспечивает вращение спермия вокруг продольной оси и прямолинейное поступательное его движение. Так, у сперматозоидов петуха она пиявкообразная, у самца полевой мыши – серповидная, а у представителей сельскохозяйственных млекопитающих головка имеет грушевидную форму, но с уплощенной поверхностью одного края, что в целом придает ей вид ковша.
Многие неблагоприятные воздействия, например, кислая среда при воспалительных процессах в половых путях самки, могут вызвать набухание головки, что приводит к утере способности сперматозоидов к вращению, а следовательно, и к прекращению поступательного прямолинейного движения.
Большая часть головки у сперматозоидов занята ядром, а самая передняя образует головной чехлик с акросомой (acros – верхний, крайний, soma – тело). В акросоме видоизмененный пластинчатой комплекс накапливает ферменты (гиалуронидаза, протеазы), с помощью которых сперматозоиды проходят через вторичные оболочки яйцеклеток к оволемме, чтобы обеспечить оплодотворение. При этом разрушаются межклеточные связи, формируемые гиалуроновой кислотой в лучистом венце, а также гликопротеиды основного вещества прозрачной оболочки.
Позади ядра, в шейке клетки, расположены одна за другой две центриоли центросомы – проксимальная и дистальная. Проксимальная центриоль лежит в цитоплазме свободно, при оплодотворении она вносится в яйцеклетку для образования клеточного центра зиготы. Дистальная связана с осевой нитью, представляющей собой специальную органеллу сперматозоида – сократительный аппарат, которая вырастает из этой центриоли на стадии его формирования.
Состоит осевая нить, как и любая ресничка или жгутик, из 9 периферических дублетов тубулиновых микротрубочек, соединенных короткими динеиновыми мостиками (ручками), и центрального, микротрубочки которого связываются длинными радиальными нитями с определенными периферическими дублетами, что формирует только одну плоскость сокращения самой осевой нити. Это, в свою очередь, обеспечивает биение хвостика тоже в одной только плоскости.
В области тела сперматозоида вокруг осевой нити выстраиваются в виде спирально закрученной цепочки митохондрии (спиральная нить), богатые АТФ. Здесь же скапливаются значительные запасы гликогена. Таким образом формируется энергетический центр половой клетки самца.
В области хвостика цитоплазма быстро убывает, так что в его конечной части осевая нить одета только плазмолеммой.
Величина мужских гамет у представителей разных классов и видов животных колеблется в широких пределах.
Учитывая то обстоятельство, что для организма самки сперматозоиды выступают в роли генетически чужеродных клеток, они подвергаются массированной атаке со стороны ее защитных клеточных и гуморальных факторов, а поэтому вынуждены еще в канале придатка семенника приобретать дополнительную липопротеиновую оболочку за счет секретов эпителиоцитов для маскировки своих антигенов. Здесь же в плазмолемме сперматозоидов создается устойчивый отрицательный ионный потенциал, что обеспечивает их взаимное отталкивание и свободное продвижение вперед против слабого встречного тока жидкости (реотаксис), образующейся за счет усиления секреторной активности генитальных желез самки в эстральную фазу полового цикла.
Скорость движения сперматозоидов составляет 2-5 мм в минуту. Такая скорость позволяет им в течение 6-9 часов достигать передней трети яйцеводов, где и осуществляется оплодотворение.
Для успешности оплодотворения необходимо, чтобы до яйцеклетки дошло, как минимум, несколько десятков тысяч мужских гамет. В пути их большая часть погибает. Поэтому природа проявляет в основном вопросе продолжения жизни необычайную щедрость при общей своей рациональности и скупости. При естественном осеменении во влагалище (коровы, овцы, козы) или в матку (кобылы, свиньи) вводится огромнейшее количество сперматозоидов. Их в одном эякуляте спермы насчитывается:
Мужчины – 300-500 млн., хряк – 40-50 млрд.,
бык – 4-14 млрд., баран – 2-4 млрд.,
жеребец – 3-15 млрд., петух – 0,3-0,4 млрд.
Губительный эффект на сперматозоиды оказывают высокая температура, ультрафиолетовое облучение, кислая среда, соли тяжелых металлов. Неблагоприятное влияние проявляется при воздействии радиационного излучения, алкоголя, никотина, наркотических веществ, антибиотиков и других сильнодействующих лекарственных препаратов. Влияние всех перечисленных факторов надо учитывать при организации процессов воспроизводства, равно как и сроки переживаемости сперматозоидов в половых путях самок:
Крольчих – 8-12 часов, кур – 30-40 дней,
коров – 25-30 часов, женщин – 5-8 дней. овец – 30-36 часов.
Процесс образования спермиев (сперматогенез) происходит непрерывно и может подвергаться колебаниям в зависимости от условий кормления, содержания и использования производителей, состояния их здоровья, возраста и индивидуальных особенностей.
Спермии из разных участков придатка семенника имеют различную переживаемость и оплодотворяющую способность. Лучшей подвижностью, переживаємостью и оплодотворяющей способностью обладают спермии, находящиеся в хвостовой части канала придатка семенника, худшей - спермии, находящиеся в головке придатка.
Во время эякуляции спермии из каналов придатков семенников смешиваются с секретами добавочных половых желез. Секреты добавочных половых желез разбавляют густую массу спермиев и увеличивают общий объем спермы. У быка спермии из канала придатка семенника разбавляются секретами добавочных половых желез в 4-5 раз, у барана - в 2-3 раза, у жеребца и хряка - в 20- 50 раз.
В результате слияния спермиев с секретами добавочных половых желез образуется сперма. Таким образом, сыворотка спермы - секрет придатков семенников и придаточных половых желез (простатической, пузырьковидных, куперовых и уретральных). Сперма, выделенная самцом во время полового акта, называется эякулятом.
Соотношение секретов эпидидимиса и отдельных придаточных половых желез, их роль в формировании жидкой части спермы (плазмы) имеют видовую специфику (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Составные части плазмы спермы (по Полянцеву Н.И.)
Особенности структуры половых органов и динамики коитуса обусловливают вариации как в величине эякулята, так и в его составе у самцов разных видов. У жеребца объем эякулята составляет в среднем 50-100 мл (максимально 600 мл); у хряка - 200-400 (1000); у барана - 1,0-2,0 (3,5); у быка - 4-5 (15); у кобеля - 2(18); у петуха - 0,3 (2,0).
В зависимости от вида животных бывает различной и концентрация спермиев. У животных с влагалищным типом осеменения концентрация спермиев в 5-10 раз выше, чем у животных с маточным типом осеменения. Так, в 1 мл спермы находят в среднем: у барана - 2,50-3,50 млрд, у быка - 0,8-1,2 млрд, у хряка - 0,15- 0,21 млрд, у жеребца - 0,10-0,15 млрд спермиев.
По химическому составу сперма относится к наиболее сложным жидкостям организма. Около 90-98% массы спермы составляет вода, 2-10% - сухое вещество, около 60% которого - белок. Главные составные части спермиев - белки и липиды. В состав белка входят аминокислоты. Среди липидов спермы первое место занимает лецитин, содержащий фосфор. В 100 мл спермы барана содержится до 355 мг фосфора, быка - 82 мг, хряка - 66 мг и жеребца - 19 мг. Также имеются калий, натрий, хлор, кальций, магний, железо, цинк и другие элементы.
В сперме выявляются ферменты гиалуронидаза, пероксидаза, трипсин, антитрипсин, амилаза, липаза и др. Концентрация ферментов в сперме животных разных видов сильно колеблется.
В сперме найдены аскорбиновая кислота, тиамин {В 1), рибофлавин (В2 ), ретинол {Л) и др. Их количество варьирует в зависимости от вида животного. Так, аскорбиновой кислоты в сперме быка обнаружено 14 мг%, хряка - 4 мг%. Содержание других витаминов в сперме быка колеблется от 0,089 до 0,371 мг%.
Важное место в химическом составе спермы занимает сахар (фруктоза), являющийся источником энергии спермиев.
Состав, количество и биологические свойства спермиев находятся в сильной зависимости от условий содержания производителя (кормления, ухода, эксплуатации и др.).
Строение спермиев. Спермин состоят из головки, средней части и хвоста (рис. 8.1).
Акросома
Средняя часть
Митохондрия
Рис. 8.1. Схема строения спермия (по В.С. Шипилову)
Плазматическая мембрана
Головка спермия - округлая пластинка. В ней содержится наследственное вещество - дезоксирибонуклеиновая кислота, передающая потомству свойства родителя. Головка покрыта тонкой ядерной оболочкой с множеством пор. Поверх ядерной оболочки на передней половине она защищена колпачком - акрозомой, которая выделяет фермент гиалуронидазу, необходимый для оплодотворения спермием яйца. У старых спермиев акрозома отпадает, и они теряют способность к оплодотворению. Наконец, вся головка снаружи покрыта тончайшей роговой оболочкой - мембраной. Если мембрана будет повреждена, то акрозома отпадает и спермий потеряет оплодотворяющую способность.
Шейка спермия содержит расширенные начальные части грубых фибрилл, образующие переднюю центриоль, а несколько дальше начальные части тонких фибрилл - заднюю центриоль.
Проксимальная центриоль окружена двумя базальными гранулами, имеющими вид колец эллипсоидной формы. От каждой базальной гранулы отходит девять тонких волоконец - фибрилл, причем фибриллы наружного кольца в несколько раз толще соответствующих им фибрилл внутреннего кольца. Фибриллы соединены между собой и с осевой нитью тонкими нитями - спицами.
Кольцевые фибриллы содержат сократительные белки (скантин, спермозин), сходные по своему составу с актомиозином. При сокращении фибрилл хвост изгибается, причем одни фибриллы изгибают хвост вправо, другие - влево.
Тело спермия имеет спиральную нить, которая обвивает идущую внутри тела осевую нить. Спиральная нить состоит из овальных зерен митохондрий, соединенных одна с другой как бусы в длинную спирально завитую нить (или несколько нитей). Митохондрии разделены перегородками, на которых расположены последовательно окислительные ферменты. Перегородки погружены в слой жира. Внутри митохондрий происходит окисление питательных веществ (главным образом глюкозы, фруктозы), выделение энергии и образование при окислении особого вещества - аденозинтрифосфата (АТФ), который необходим для сокращения хвоста спермия.
Осевая нить состоит из фибрилл (волоконец): двух центральных, девяти тонких и девяти грубых. Тонкие и грубые фибриллы расположены двумя слоями вокруг центральных. Тонкие фибриллы двойные, они образуют внутренний слой, а лежащие за ними грубые - наружный. Электронно-химические исследования показали: грубые фибриллы содержат аденозинтрифосфатазу - фермент, разлагающий аденозинтрифосфат и сукциндегирогеназу, участвующую в восстановлении разложенного аденозинтрифосфата.
Фибриллы опоясаны спиральными элементами. Тело спермия плотно обвито двойной спиралью, которая заканчивается кольцевой центриолью, расположенной на границе тела и хвоста спермия. Хвост по всей длине (за исключением концевой части) опоясан тройной спиралью. Спиральные элементы придают жгутику прочность, не лишая его гибкости. В области тела они имеют митохондриальное происхождение. В митохондриях сосредоточены ферменты гликолитического и окислительного характера, участвующие в выработке энергии для движения спермиев.
Снаружи тело спермия покрыто мембраной. Благодаря наличию в ее составе се рус оде ржа щих аминокислот (цистин, цистеин) она устойчива к протеолитическим ферментам, щелочным и кислым растворам.
Хвост спермия состоит только из осевой нити, покрытой мембраной, осевая нить - из двух центральных и девяти тонких фибрилл. Грубые фибриллы вместе с митохондриальными нитями кончаются у начала хвоста. Осевая нить оплетена тонкой роговой ниточкой, предохраняющей фибриллы от распада.
Свойства спермиев. Успех осеменения зависит от жизнеспособности спермиев, их устойчивости к внешней среде и в половом аппарате самки, от активности их участия в оплодотворении и их подвижности. В зависимости от состояния спермиев и окружающих условий интенсивность движения, например, спермиев барана, колеблется от 1,9 до 15,4 мм в минуту. Установлено, что спермии быка могут передвигаться за 1 мин в среднем на 4,02 мм, барана - на 4,6 мм, жеребца - на 5,22 мм, кобеля - на 2,88 мм, петуха - на 1,02 мм.
При рассмотрении только что полученной спермы под микроскопом можно заметить, что один спермий активно движется поступательно, другие - по кругу, третьи - только колеблются, четвертые остаются неподвижными, и чем дольше проводится наблюдение, чем больше проходит времени с момента получения спермы, тем слабее становится движение спермиев, тем больше появляется спермиев с колебательными движениями и неподвижных.
Различная активность движения спермиев зависит от их зрелости, возраста, возбудимости, а также влияния на них внешних факторов вообще и жидкой среды, в которой они находятся, в частности. Специальными исследованиями установлено, что физиологическое состояние спермиев неодинаково. Так, спермии, полученные из головки придатка, очень неустойчивы к внешнему воздействию по сравнению со спермиями, полученными из хвоста придатка или из эякулята. Спермии из головки придатка могут жить вне организма несколько минут или часов, а продолжительность жизни спермиев из хвоста придатка исчисляется сутками. Спермии из головки придатка очень быстро становятся неподвижными, если их поместить в кислую среду, а спермии из хвоста придатка сохраняют способность к движению и в кислой среде. Устойчивость зрелых спермиев обусловливается их липопротеидным покровом, образующимся при продвижении спермиев по каналу придатка. Сохранение липопро-теидного покрова спермиев во время работы со спермой при проведении искусственного осеменения (сохранение, разбавление) имеет большое значение для живучести спермиев, так как покров придает им одноименный (отрицательный) электрический заряд, предотвращающий их агглютинацию под действием электрических сил.
Все нормальные, зрелые спермии обладают прямолинейным, головным поступательным движением. Движение спермия осуществляется посредством сгибания и быстрого выпрямления его хвоста, в результате колебаний спермий отталкивается от окружающей его жидкости. Сокращения хвоста происходят в одной плоскости. Однако спермий благодаря выпукло-вогнутой поверхности головки поворачивается при этом вокруг своей продольной оси. Комбинация ударов с вращением спермия вокруг своей оси и обусловливает прямолинейность его движения. Кроме того, при каждом ударе хвоста образуются токи жидкости у головки спермия, и он скользит вдоль пришедших в движение слоев жидкости, образующей «микроводовороты». Хвостик спермия проходит через них, забирая часть кинетической энергии вращения, накопившейся в завихрении. Завихрения выталкивают спермий вперед. Движения хвостиков спермиев в сыворотке толкают их вперед, а отрицательные электрические заряды всех спермиев предупреждают их столкновение. Поэтому в густой сперме сочетание двух сил (электростатического отталкивания спермиев друг от друга и их активного движения вперед) обусловливает некоторое упорядочение в расположении и движении спермиев, проявляющееся в образовании в эякуляте потоков вихреобразных движений, видимых невооруженным глазом. По степени выраженности вихревых движений можно судить о качестве спермы животного.
В настоящее время движение спермиев по половой сфере самки объясняется реотаксисом, т.е. свойством перемещаться против тока жидкости. Явление реотаксиса у спермиев доказано экспериментальным путем. Спермии, помещенные на растянутую поверхность вскрытого яйцепровода, движутся по слизистой оболочке, преодолевая сопротивление ресничек и тока жидкости, вызываемого их движением.
Движется спермий очень интенсивно. По исследованиям Бишопа и Грея, при температуре 37°С спермий производит хвостиком девять ударов в секунду, продвигаясь при каждом ударе на 8,3 мкм. Таким образом, в каждую секунду спермий проходит 74,7 мкм, а в минуту - 4462 мкм, т.е в течение одной минуты он проходит расстояние, в 60-70 раз превышающее его длину. У некоторых животных спермии движутся еще быстрее.
Спермоагглютинация - склеивание спермиев головками или всем телом вследствие ослабления или нейтрализации отрицательного электрического заряда. Спермоагглютинация может быть обратимой, если спермии склеиваются только головками и сохраняют подвижность хвоста - звездчатая агглютинация, и необратимой, когда спермии беспорядочно склеиваются друг с другом и неподвижны (мертвые) - массовая коагуляция спермиев.
Нейтрализация электрических зарядов спермиев происходит при повышении кислотности спермы и под влиянием воздействия многовалентных металлов (кальция, магния, алюминия). При кислотности (pH) 5,0-6,4 происходит звездчатая агглютинация. При дальнейшем повышении кислотности спермоагглютинация усиливается.
Установлено существование изоспермоагглютининов, вызывающих агглютинацию спермиев своего вида (например, сыворотка крови коров может агглютинировать спермиев быка), и гетероспер-моагглютининов, действующих на спермиев животного другого вида (например, сыворотка крови, влагалищный секрет, слизь из матки вызывают агглютинацию спермиев самцов другого вида и не влияют на половые клетки самцов своего вида). Образование спермоагглю-тининов является реакцией организма на парентеральное проникновение белков спермы. Поэтому у молодых, не осеменявшихся самок спермоагглютининов нет или их мало, а у осемененных, особенно у рожавших самок, их количество увеличивается. Возможность спермоагглютинации следует учитывать при использовании в качестве разбавителей спермы молока или сыворотки крови.
Агглютинацию спермиев можно преодолеть с помощью реакции антиагглютинации. В естественных условиях в половых органах самки агглютинации спермиев препятствуют антиагглютинины, содержащиеся в фолликулярной жидкости яичника и сперме (секрет простатической железы). По этой причине агглютинация в сперме здоровых животных встречается редко.
Дыхание и гликолиз спермиев. Движение спермиев связано с затратами большого количества энергии. Спермии получают ее за счет двух основных биохимических процессов: дыхания с использованием кислорода окружающей среды и фруктолиза при расщеплении сахара в бескислородной среде. Третий процесс - распад аденозинтрифос-фата - является вспомогательным. Для получения энергии спермии используют вещества, находящиеся в окружающей среде или в цитоплазме. При дыхании для окисления спермии могут использовать углеводы, липиды (фосфатиды) и белки. Однако преимущественно они окисляют моносахариды - фруктозу и глюкозу, а также молочную кислоту, образующуюся при распаде сахаров в процессе гликолиза. Расходуя углеводы для дыхания, спермии получают около 90% энергии для движения.
Спермии окисляют также многоатомный спирт - сорбит, поступающий в сперму в составе секретов пузырковидных желез. При отсутствии в окружающей среде углеводов в процессе дыхания спермии используют липиды.
В сперме жеребца и хряка, содержащей незначительное количество сахара, спермии для дыхания используют главным образом липиды. При распаде липидов в сперме образуется глицерин, который при дыхании может окисляться с образованием молочной кислоты, фруктозы.
В процессе окисления углеводов образуются двуокись углерода (С0 2), вода и большое количество энергий. При окислении одной грамм-молекулы сахаров образуется 680 000 малых калорий энергии.
Процесс дыхания осуществляется при помощи ферментов (ци-тохромоксидазы, карбоксидазы, дегидрогеназы и др.), содержащихся в сперме.
На процесс дыхания оказывает влияние температура и степень кислотности или щелочность среды. При понижении или повышении температуры на каждые 10°С соответственно ослабляется или увеличивается в 2 раза дыхание. В кислой среде дыхание ослабляется, а в щелочной - усиливается. Сперма высокого качества характеризуется большой интенсивностью дыхания.
Гликолиз (фруктолиз) - получение энергии за счет расщепления сахара в бескислородной среде. Он осуществляется при участии ферментов (дегидрогеназа и др.), а также фосфорной кислоты. В результате расщепления глюкозы (фруктозы) образуются молочная кислота и энергия.
При фруктолизе образуется в 20 раз меньше энергии на одну грамм-молекулу сахара, чем при дыхании. Таким образом, спермин в бескислородной среде затрачивают во много раз больше питательных веществ. Но этот процесс имеет для спермиев важное значение, когда сперма попадает в половые органы самки, где кислорода нет.
Фруктолиз значительно выражен в сперме быка, барана и козла, в которой содержится сравнительно большое количество сахара. Для спермы этих животных характерен также высокий уровень дыхания.
В сперме жеребца и хряка имеется очень мало сахара, и фрукто-лизы в ней по существу нет. У этих животных спермии получают энергию в основном за счет дыхания.
Однако сперма жеребца и хряка, разбавленная средой, содержащей глюкозу или другой сахар, может сохраняться длительное время без доступа воздуха за счет фруктолиза (или гликолиза).
По характеру происходящих в сперме различных животных обменных процессов ее разделяют на два типа. К первому относят сперму быка, барана, козла, в которой происходят дыхание и фруктолиз. Сперма этих животных незначительно разбавлена секретами придаточных половых желез, содержит большое количество сахара и мало солей, имеет интенсивный фруктолиз.
Ко второму типу относят сперму жеребца и хряка, в которой происходит только дыхание. У этих животных в сперме почти нет сахара и не происходит фруктолиз. Она разбавлена значительным количеством секретов придаточных половых желез и содержит много солей.
Анабиоз и его значение при хранении спермы. Образовавшаяся молочная кислота выделяется через оболочку спермия в окружающую среду. Накопление молочной кислоты в сперме приводит к замедлению или полному прекращению движения спермиев. Спермии при этом впадают в состояние анабиоза, в котором значительно затормаживаются процессы дыхания и фруктолиза, что способствует более длительному сохранению спермиев.
Спермии переходят в состояние анабиоза и при понижении температуры. Низкие температуры, так же как и кислая среда, тормозят жизненные процессы спермиев и в то же время сохраняют их энергию. Подщелачивание или нагревание спермы до температуры тела восстанавливает подвижность спермиев.
Применяемые в практике осеменения методы хранения спермы основаны на переводе спермиев в состояние анабиоза. Большая концентрация молочной кислоты действует на спермиев губительно.
Движение спермиев. Главное отличие спермиев от других клеток - их способность к энергичному, активному движению за счет энергии дыхания и гликолиза. Для движения спермиев, как и для мышечной работы, необходимо особое вещество - АТФ. В сперме плодовитых быков его содержится от 7 до 11 мг%; при снижении количества АТФ до 3 мг% и более оплодотворяющая способность спермы ухудшается. Установлено, что в спермии под влиянием фермента спермозина (аналога мышечного белка актомиозина) молекула АТФ распадается на фосфорную кислоту и аденозиндифосфат (АДФ). В результате этого процесса спермии получают энергию, обеспечивающую их подвижность. Оптимальная ферментативная активность спермозина отмечается при pH 8,3.
Различают несколько видов движения спермиев - прямолинейно-поступательное (спермии активно перемещаются вперед по прямой линии), манежное (спермии вращаются вокруг своей головки или перемещаются по кругу радиусом, равным примерно длине спермия), колебательное (спермий на одном месте изгибается вправо и влево).
Центр движения спермия находится в его шейке и теле. При отрывании хвоста от тела он становится неподвижным, тогда как спермии без головки могут продолжать двигаться.
Прямолинейно-поступательное движение спермиев является нормальным движением, а манежное и колебательное - патологическими. Движение спермиев осуществляется при помощи хвоста. Он изгибается в одну сторону, а затем быстро выпрямляется. Такие движения хвоста быстро повторяются, и в результате его отталкивания от жидкости, в которой он находится, спермий продвигается вперед. В 1 с хвост спермия быка при температуре 37°С производит девять ударов. Ложечкообразная форма головки спермия при односторонних движениях хвоста обеспечивает его вращение вокруг своей продольной оси. Сочетание ударов хвоста с вращением вокруг оси приводит к прямолинейно-поступательному движению спермия. Спермии сельскохозяйственных животных в нормальных увловиях движутся с большей скоростью (4-6 мм/мин).
Манежное движение появляется у ослабленных спермиев после их длительного хранения или когда головка набухает и изменяет свою обычную ложечкообразную форму.
Колебательное движение наблюдается при ослаблении спермия, когда движения хвоста становятся слабыми и медленными. Колебательные движения могут быть и у нормального спермия при низкой температуре и кислой реакции среды, когда замедлено образование энергии для движения. Подогревание или подщелачивание спермы вызывает восстановление прямолинейно-поступательного движения.
Нормальные спермии в медленно текущем потоке движутся в одном направлении - против тока жидкости. Эта особенность называется реотаксисом. Благодаря реотаксису спермии движутся в яйцеводе навстречу яйцеклетке. Мертвые, неподвижные спермии перемещаются с током жидкости.
Влияние на спермиев условий внешней среды. На жизнедеятельность спермиев вне организма производителя оказывают влияние разнообразные условия внешней среды - свет, температура, осмотическое давление в жидкой части спермы, реакция среды, растворы солей, химические вещества, медикаменты, микробная и грибковая загрязненность.
Влияние света. Рассеянный дневной свет не оказывает вредного влияния на спермиев. Под влиянием же прямых солнечных лучей движения спермиев сначала усиливаются, а через 20-40 мин они погибают. Отрицательное действие солнечных лучей объясняется влиянием на спермиев ультрафиолетовой части спектора, активизирующей химические процессы, и термическим влиянием инфракрасных лучей. Поэтому при проведении осеменения нужно оберегать сперму от воздействия ультафиолетовых лучей солнца и бактерицидных ламп.
Вся работа со спермой должна проводиться в закрытых помещениях. Поскольку рассеянный свет не влияет на спермиев, для сохранения спермы можно пользоваться обычной стеклянной посудой, а еще лучше посудой из оранжевого стекла, которое задерживает ультафиолетовые лучи. В лаборатории пунктов осеменения на окна следует повесить капроновые или полиэтиленовые занавески.
Влияние температуры на движение и жизненные процессы спермиев весьма сильно. При температурах, близких к температуре тела животных (37-39°С), спермии движутся наиболее активно, но быстро погибают. Это объясняется тем, что при активном движении спермиев происходят быстрый расход энергетических ресурсов, содержащихся в сперме, и значительное накопление молочной кислоты (в сперме барана и быка), которая вызывает отравление спермиев.
Температура выше 39°С вызывает быструю остановку движения спермиев и их гибель из-за коагуляции (свертывания) белка.
Если температура ниже температуры тела животных, то движение спермиев замедляется. При постепенном охлаждении спермы до температуры около 0°С движение спермиев прекращается, и они переходят в состояние анабиоза. При подогревании спермы до температуры 37-39°С их подвижность восстанавливается. При низких температурах спермии сохраняют жизнеспособность длительное время. Большинство методов хранения спермы связано с ее охлаждением. Однако быстрое охлаждение спермы, скачкообразные переходы от высоких температур к низким вызывают у спермиев температурный шок. Под температурным шоком понимают реакцию спермиев на быстрое охлаждение. Она выражается в потере способности спермиев оживать при подогревании и разбавлении спермы специальными разбавителями, появлении уродливых форм спермиев. Если сперму быстро охладить хотя бы до 15-17°С, у спермиев может произойти температурный шок. Предложено много теорий и гипотез, но ни одна из них не объясняет причин и механизмов возникновения у спермиев температурного шока.
Ф.И. Осташко считает, что в механизме шока важную роль играют осмотические и диффузионные процессы. Чем медленнее протекают эти процессы, тем меньше проявляется температурный шок. Вот почему замедленное охлаждение является основным способом предупреждения возникновения температурного шока спермиев. Наиболее чувствительна к быстрому охлаждению свежеполученная сперма производителей. Особенно легко возникает температурный шок при охлаждении свежеполученной спермы ниже 18°С, поэтому в помещениях для исследования спермий температура не должна быть ниже 18°С. После выдержки свежеполученной спермы при комнатной температуре в течение 1-2 ч она становится менее чувствительной к быстрому понижению температуры. В сперме, имеющей нейтральную или щелочную реакцию, спермии сильнее реагируют на температуру, чем в сперме со слабокислой реакцией.
Низкие температуры отрицательно влияют на живые существа, потому что при замерзании разрушается цитоплазма их клеток (во время ее кристаллизации). Для объяснения отсутствия отрицательного влияния низких температур на спермиев предложена гипотеза о стекловидной форме замерзшей цитоплазмы (витрификация). Согласно этой гипотезе цитоплазма при охлаждении может затвердевать стекловидно (без кристаллизации). При стекловидной форме цитоплазма затвердевает без выделения воды и без резкого смещения молекул, вследствие чего не нарушается ее обычная структура.
При постепенном охлаждении спермы до 6-10°С в ней интенсивно происходит кристаллизация, что вызывает быструю гибель спремиев.
Для стекловидного затвердевания жидкостей при приближении их температуры к 0°С необходимо их резко охладить, чтобы быстро проскочить критическую фазу. Для «расстекловывания» цитоплазмы сперму нужно быстро нагревать, чтобы произошло расплавление и тоже без фазы кристаллизации.
Возможность возникновения температурного шока следует учитывать, особенно при работе со спермой быка и барана, у которых вследствие малого объема эякулята сперма охлаждается очень быстро. Температурный шок легко наступает при проведении осеменения в холодную погоду, при пользовании холодными инструментами, при несоблюдении правил хранения и перевозки спермы.
Реакцию спермиев на температуру следует расценивать как их приспособление в процессе эволюции. Известно, что в придатке те-стикулы спермии находятся в состоянии естественного анабиоза при температуре более низкой, чем температура тела, вследствие этого они могут долго сохранять свою жизнеспособность. Только после смешения спермиев с секретом придаточных половых желез они получают способность к активному движению. Попав же в половой аппарат самки, спермии (в условиях температуры тела) начинают двигаться с максимальной интенсивностью. Это обусловливает их наиболее быстрое продвижение по половому тракту к яйцепроводам и навстречу яйцевой клетке.
Разбавление спермы средой с желтком куриного яйца повышает устойчивость спермиев к температурному шоку.
Чтобы избежать гибели спермиев от температурного шока, необходимо все работы со свежеполученной спермой на племенных предприятиях или пунктах осеменения проводить при температуре 18- 25°С. Такую же температуру должны иметь среды, используемые для разбавления спермы, посуда, приборы, инструменты, соприкасающиеся со спермой.
Для профилактики вредного действия высокой температуры окружающей среды (южные страны) племенные предприятия и пункты строят из малотеплопроводного материала (саман, кирпич), а работу по осеменению производят рано утром и вечером.
Влияние осмотического давления. Как известно, при растворении какого-либо химического вещества в воде в ней возникает осмотическое давление. Осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества (при постоянной температуре), т.е. с повышением концентрации растворенных веществ в жидкости увеличивается и осмотическое давление. Раствор, имеющий одинаковое осмотическое давление, называют изотоническим, повышенное давление - гипертоническим, пониженное давление - гипотоническим. Осмотическое давление в сперме создают растворенные в ней соли, сахара и другие вещества. В свою очередь, спермии могут изменять химический состав спермы посредством наводнения ее продуктами своей жизнедеятельности. По этой причине величина осмотического давления спермы непостоянная. У быка, например, при 0°С она колеблется от 4,812 до 9,142 атм, а в среднем равна 6,95 атм. В связи с этим важно учитывать как физические, так и химические свойства жидкой части спермы.
Спермии очень чувствительны к изменению осмотического давления, т.е. к концентрации вещества в жидкости, в которой они находятся. Ее осмотическое давление должно быть равным внутреннему осмотическому давлению спермиев. Если спермии поместить в гипотонический раствор или в обыкновенную воду, они быстро погибают вследствие повышения внутреннего давления. Под влиянием гипотонического раствора хвостики спермиев набухают и закручиваются кольцом или полукольцом. Если сперму смешать с гипертоническим раствором, спермии тоже погибнут, но уже от обезвоживания. Они сморщиваются, их хвостики приобретают зигзаговидную форму. Исключительно губительно для спермиев быстрое изменение осмотического давления. При прочих благоприятных условиях спермии могут сохранять свою жизнеспособность только в изотонических растворах.
У спермиев животных разных видов осмотическое давление неодинаково. Так, раствор виноградного сахара будет изотоничен сперме барана в концентрации 6,4, быка и хряка - 6, жеребца - 7,2; кролика - 5,4; собаки - 5-7%. Раствор тростникового сахара (сахароза) изотоничен сперме жеребца при 11%-й концентрации. Спермии меньше реагируют на отклонение осмотического давления в сторону гипертонии, чем в сторону гипотонии.
При осеменении животных необходимо строго следить за тем, чтобы все растворы, применяемые для разбавления спермы, были изотоничными и чтобы сперма не соприкасалась с водой. Обычная питьевая вода может содержать (в зависимости от условий местности) значительное количество различных солей, поэтому раствор, приготовленный без учета солевого состава воды, может оказать вредное влияние на спермиев.
Надо оберегать сперму от испарения ее жидкой части, например, от подсыхания в спермоприемнике, при исследовании под микроскопом и при других манипуляциях, при которых может повыситься концентрация солей в сперме. Надо оберегать сперму и от недостатка солей. Например, несколько капель дистиллированной воды, образовавшейся на стенках спермоприемника вследствие разности температуры (конденсация), могут оказать пагубное влияние на эякулят барана или быка.
Влияние реакции среды. Подвижность и выживаемость спермиев зависят от реакции окружающей их среды или степени ее кислотности (pH). Дистиллированная вода имеет нейтральную реакцию - pH около 7,0; при кислой реакции pH будет меньше 7,0, а при щелочной - больше 7,0.
В придатке семенника спермии находятся в кислой среде (pH 5,57-6,90). Во время эякуляции содержимое придатка семенника смешивается со щелочными секретами придаточных половых желез, отчего реакция спермы изменяется в нейтральную или слабощелочную (pH 7,0). Реакция свежеполученной спермы быка и барана слабокислая (pH 6,5-6,7), а спермы хряка и жеребца слабощелочная (pH 7,2-7,6), что связано с большой или меньшей степенью разбавления жидкости придатка секретами придаточных половых желез.
В свежеполученной сперме с нейтральной или слабокислой реакцией спермии обладают большей жизнеспособностью, чем со щелочной реакцией. При хранении вследствие накопления молочной кислоты происходит увеличение кислотности спермы быка и барана. Движение спермиев при этом тормозится, и они впадают в анабиоз.
Щелочная среда активизирует подвижность спермиев. В сперме жеребца и хряка, разбавленной большим количеством щелочных секретов придаточных половых желез, спермии, находясь в активном движении, быстро расходуют энергетические вещества и живут сравнительно недолго. При хранении спермы этих производителей ее реакция изменяется в более щелочную сторону. Это происходит в результате улетучивания образующейся при дыхании углекислоты и накопления аммиака, повышающего щелочность.
Изменения реакции среды неблагоприятно отражаются на жизнеспособности спермиев. Однако сперма обладает способностью противодействовать резкому изменению реакции ее среды. Такое свойство спермы называется буферностью. Буферами в сперме являются соли слабых кислот (угольной, лимонной, молочной, фосфорной) и белки.
Под воздействием сильной кислоты соли слабых кислот отдают свой металл этой кислоте и нейтрализуют ее. Так же происходит и нейтрализация щелочей. Белки спермы, являясь одновременно слабыми кислотами и слабыми основаниями, способны связывать кислые и щелочные вещества. Соли лимонной кислоты являются в сперме наиболее сильным буфером. Сперма быка и барана отличается наибольшей буферностью.
Переживаемость спермиев вне организма зависит от свойств кислоты. Под воздействием органических кислот (молочной, уксусной, янтарной, масляной и др.) движения спермиев прекращаются при наибольшей кислотности среды. Неорганические кислоты (НС1, Н 2 80 4 , Н 3 Р0 4 и др.), наоборот, даже в значительных концентрациях не оказывают отрицательного влияния на спермиев. Разница во влиянии на спермиев органических и неорганических кислот объясняется неспособностью свободных ионов проникать в клетку, а следовательно, невозможностью влияния Н-ионов внешней среды на внутриклеточные реакции. Минеральные кислоты полностью дис-соцированы в растворах, поэтому не могут оказывать влияния на реакции, протекающие в спермиях. Растворы органических кислот всегда содержат молекулы, не распавшиеся на ионы, они проникают через оболочку спермиев, разлагаются в них на ионы, обусловливая внутриклеточное подкисление.
Влияние химических веществ. Несмотря на соблюдение всех правил асептики, полученная сперма всегда более или менее загрязнена бактериальной флорой. Поиски дезинфицирующего средства, которое могло бы оказывать бактериоцидное действие на микрофлору, не влияя отрицательно на спермиев, не увенчались успехом. Исследования показали, что ни одно из современных дезинфицирующих веществ не может считаться безвредным для спермиев. В ничтожных дозах, не уловимых даже тончайшими химическими реакциями, они вредно влияют на спермиев. Этим объясняются неудачи искусственного осеменения животных, когда его проводят в ветеринарных лечебницах, амбулаториях или когда используют те же инструменты, которые приняются во время лечебной работы.
Установлено, что спермиев быстро убивают сулема в дозе 0,00001 г, марганцевокислый калий в дозе 0,00004 г, лизол, креолин, уксусная кислота в дозе 0,0003 на 1 г спермы. Щелочи и кислоты, эфир, нашатырный спирт, скипидар являются для спермиев сильными ядами. Окислы свинца, меди, железа, серебра также очень ядовиты для спермиев, поэтому в практике осеменения пользуются стеклянными или никелированными инструментами.
Ионы электролитов, находящиеся в плазме и самих спермиях, могут оказывать на спермии разнообразное действие: уплотнять или разрыхлять оболочку; нейтрализовывать электрический заряд; изменять проницаемость мембран; тормозить или, наоборот, активизировать метаболические процессы.
Электролиты состоят из катионов и анионов. Одно- и двухвалентные катионы существенно не изменяют выживаемости спермиев. Анионы оказывают более сильное влияние, чем катионы, причем действие анионов зависит от их валентности. Анионы хлоридов разрыхляют оболочку спермиев и разрушают липопротеидный покров. Анионы фосфатов, сульфатов, цитратов, наоборот, уплотняют оболочку спермиев и стабилизируют электрический потенциал. В связи с этим соли фосфорной, серной, лимонной кислот используются в составе сред для разбавления спермы.
Пары летучих органических веществ (лизола, креолина, скипидара, формалина, нашатырного спирта, эфира, йодоформа, ксероформа) губительно действуют на спермии даже на расстоянии. В связи с этим список веществ, используемых на предприятиях и пунктах искусственного осеменения для химической дезинфекции, весьма ограничен. Следует также учитывать неблагоприятное действие на спермин табачного дыма, паров одеколона, духов, чеснока, лука.
Из антимикробных средств малотоксичны нитрофураны (фура-цилин, фуразолидон). Некоторые сульфаниламиды (стрептоцид) и большинство антибиотиков в низких концентрациях безвредны, поэтому их используют в составе разбавителей для спермы.
Несмотря на то что в принципе при проведении осеменения совершенно противопоказано применение дезинфицирующих средств, все же для профилактики заразных заболеваний их вынужденно используют. Наиболее приемлем для этого чистый спирт-ректификат. По сравнению с другими дезинфицирующими средствами он легче удаляется с инструментов (быстро испаряется) и хорошо растворяется в воде. Однако надо иметь в виду, что 0,5%-й раствор спирта очень быстро убивает спермиев. Спирт-сырец, денатурированный, недостаточно очищенный от сивушных масел и других примесей, совершенно непригоден в работе по осеменению животных.
Влияние микробной и грибковой загрязненности. Имеется прямая связь между степенью микробной и грибковой загрязненности, качеством спермы и оплодотворяемостью животных. В естественных условиях у здоровых производителей в извитых канальцах семенника, придатках, спермиопроводах и начальной части уретры микроорганизмы отсутствуют. Таким образом, сперма инфицируется при ее прохождении через мочеполовой канал и при соприкосновении с внешней средой. Количественный и качественный состав микроорганизмов в сперме сильно колеблется в зависимости от здоровья, гигиенического состояния производителя, стерильности искусственной вагины, манежа, лаборатории, срока хранения спермы и многих других факторов. Установлено, что при исследованиях воздуха помещений племенных предприятий и пунктов осеменения выделено 15 видов грибов, среди которых имелись патогенные и токсические. Особенно много микроорганизмов отмечается в воздухе помещений, где содержатся производители. При плохих гигиенических условиях в 1 м 3 воздуха находится до 1,6 млн микроорганизмов. В 1 мл спермы быков, выращенных в плохих гигиенических условиях, содержится от 85 млн до 230 млн микроорганизмов. У хряков одним из источников сильного загрязнения спермы микроорганизмами является дивертикул препуция (слепой мешок). Как установили И.Г. Мороз и М.П. Рязанский, после дивертикулэктомии микробное загрязнение спермы резко снижается, повышается опло-дотворяемость и плодовитость свиноматок.
Загрязнение спермы патогенными микроорганизмами может обусловить распространение при осеменении трихомоноза, вибриоза, бруцеллеза, туберкулеза, лептоспироза, ящура и других инфекционных и инвазионных болезней. Сперма является хорошей питательной средой для сохранения и размножения многих патогенных и непатогенных микроорганизмов. При этом ни антибиотики, ни низкая температура при длительном хранении спермы не уменьшают количество в ней микробных тел и не обеспечивают ее обеззараживания, так как видовой состав микробов необычайно разнообразен. В видовом отношении микрофлору, обитающую в сперме, подразделяют на четыре группы: сапрофитная, патогенная, условно патогенная, протозои и риккетсии.
Из условно патогенной микрофлоры в сперме быков-производи-телей обнаруживают синегнойную и кишечную палочки, стафилококки, стрептококки, протеи и др. Наиболее патогенной является синегнойная палочка.
Г.В. Зверева и А.Н. Репко установили, что в свежей и разбавленной сперме наряду с бактериями встречаются грибы, обладающие патогенными и токсическими свойствами. Они выделили 21 вид гриба. Такие патогенные грибы, как Candida albicans , Aspergillus fumigatus, Lichtheimia eirymbifera, способствуют возникновению эндометритов у коров, а при наступлении беременности вызывают гибель эмбрионов и плодов.
Микробы, попавшие в сперму, располагаются в основном около спермиев, а часть из них - непосредственно на спермиях - на головке, шейке, теле, хвостике. При воздействии микробов происходит набухание, а затем разрушение, распад перфоратория (колпачка) головки и всей оболочки спермия.
Для осеменения допускают сперму с содержанием микробных тел не более 5 тыс. при отсутствии патогенной микрофлоры и синегнойной палочки. Свежая неразбавленная сперма производителя должна иметь колититр (наименьшее количество исследуемого материала, в котором содержится одна кишечная палочка) не более 1: 10.
Повторение пройденного
- 1. Особенности биологического строения и физиологического состояния спермиев.
- 2. Спермиогенез. Биологическая роль придатка семенника.
- 3. Особенности движения спермиев в половых органах самца.
- 4. Влияние внешней среды на выживание спермиев.
- 5. Значение фруктолиза в сперме быка, барана и козла.
- 6. Видовые особенности строения спермиев у разных видов животных.
Все знают, что сперматозоид является мужской половой клеткой. Специалисты называют ее гаметой. Мужские половые клетки образуются в канальцах яичек. Естественно, что без них просто невозможен процесс оплодотворения женской яйцеклетки. Каково строение сперматозоида и его функции?
Открытие сперматозоида
Сперматозоид был открыт голландским натуралистом А. Левенгуком в 1677 г. Благодаря первым микроскопам, которые он сконструировал, ученый смог рассмотреть и зарисовать мужскую половую клетку. Причем первым он описал человеческий сперматозоид. Затем Левенгук приступил к изучению мужских гамет различных животных. Именно этот натуралист впервые предположил, что они участвуют в процессе зачатия.
У разных животных мужские половые клетки устроены по-разному, хотя схема строения сперматозоида у них очень схожа:
Головка;
Средняя часть;
У некоторых животных количество жгутиков хвоста может быть разным. Форма головки сперматозоидов разных видов живых существ также различается.
Строение сперматозоида, фото которого есть в обзоре, имеет свои характерные особенности. Морфология мужских гамет кардинально отличается от других клеток организма живых существ. При этом все основные органеллы присутствуют в их строении. Строение сперматозоида следующее:
. Головка эллипсоидной формы, практически полностью заполненная ядром. В нем содержится наследственный материал, передающийся от отца потомству. Он представлен в виде хроматина, который является комплексом ДНК, РНК, белков. Ядро содержит 23 мужские хромосомы. Это половинный набор наследственного материала. Во время оплодотворения он объединяется с 23 хромосомами женской яйцеклетки. Сперматозоид несет одну половую хромосому, обозначаемую X или Y. Если яйцеклетка оплодотворяется мужской гаметой, несущей Y-хромосому, то в будущем рождается мальчик, а если X - то девочка. Другими словами: пол будущего ребенка зависит от сперматозоида.
На вершине (переднем конце) головки расположена акросома, представляющая собой видоизмененный комплекс Гольджи. В ней происходит выработка фермента гиалуронидазы, способного расщеплять оболочку яйцеклетки, состоящую из мукополисахаридов. Благодаря такому свойству акросомы сперматозоид может проникать в женскую гамету. На границе головки и его шейки находится центриоль - органоид, участвующий в делении клеток. Она формирует цитоскелет жгутообразного хвотика. В головке находится и центросома, представляющая собой центр организации микротрубочек. Она обеспечивает движение жгутообразного хвоста сперматозоида, участвует в сближении ядер зиготы и ее первом клеточном делении.
. Шейка, разделяющая головку и среднюю часть . В этом небольшом сужении располагается спиралевидная митохондрия, необходимая для выработки энергии. Она служит для активного движения сперматозоида. Основная часть энергии представлена в виде фруктозы.
. Промежуточный (средний) отдел, который часто называют телом. Оно состоит из осевой нити. В средней части имеется митохондрион, который содержит 28 митохондрий. Он имеет спиралевидную форму. Митохондрион синтезирует АТФ, обеспечивая этим движение гаметы.
. Хвост в виде жгутика. На его поперечном разрезе можно увидеть 9 пар микроспопических трубочек. Еще две пары расположены в самом центре жгутика. Хвост сперматозоида - это важный органоид активного движения.
Размеры сперматозоида
Размеры мужской гаметы ничтожно малы. Сперматозоиды намного меньше зиготы (без учета хвоста). Они имеют самые маленькие размеры по сравнению с другими клетками человека. Длина сперматозоида мужчины составляет около 50-70 мкм, ширина - 3,5 мкм. Средний участок достигает в длину 4,5 мкм, а хвост - 45 мкм. Примечательно, что у некоторых живых существ размер гамет намного больше. Так, например, сперматозоид тритона имеет длину около 500 мкм, а мужские половые клетки мыши в 1,5 раза больше человеческих. Малые размеры гамет обусловлены необходимостью преодолевать довольно большие расстояния до яйцеклетки.
Особенности мужских сперматозоидов
Строение и функции сперматозоида тесно взаимосвязаны. Мужская гамета обладает свойствами, обусловленными ее назначением и особенностями:
Способностью двигаться за счет жгутообразного хвостика, благодаря чему обеспечивается возможность встречи сперматозоида и яйцеклетки.
Несет отрицательный электрический заряд, что не дает мужским гаметам склеиваться в сперме.
В эякуляте (семенной жидкости, сперме) здорового мужчины содержится примерно 200 миллионов сперматозоидов. У различных видов живых существ количество мужских гамет может кардинально различаться. Так, например, в эякуляте коня насчитывается примерно 100 миллиардов сперматозоидов.
Благодаря хвостику-жгутику мужская гамета в семенной жидкости развивает скорость до 5 см/час.
Свойства мужских гамет
Специалисты смогли выяснить, что цитоплазма головки сперматозоида имеет жидкокристаллическое состояние. Благодаря этому достигается устойчивость мужской половой клетки к неблагоприятным условиям внешней среды. Сперматозоиды способны противостоять агрессивной для них кислой среде влагалища женщины. Строение сперматозоида делает его более устойчивым к ионизирующей радиации. У некоторых животных в мужской половой клетки имеется акросомный аппарат, способный выбрасывать длинную нить, предназначенную для захвата яйцеклетки.
Срок жизни сперматозоида
После образования в канальцах яичка сперматозоиды в течение месяца сохраняются в придатках. В эякуляте они остаются живыми около 24 часов. Сперматозоид во влагалище живет около 2-2,5 часов. Если он смог проникнуть в шейку матки или фаллопиевые трубы, то срок его жизни увеличивается до 2-3 суток.
Строение яйцеклетки
Женская половая гамета представляет собой крупную шарообразную, неподвижную клетку, обладающую запасом различных питательных веществ, необходимых для биосинтеза белка и выработки специфических регуляторных веществ. Ее желток обеспечивает зародышу питание на протяжении эмбрионального периода. Ее диаметр достигает 150-170 мкм.
Яйцеклетка снаружи защищена оболочкой, покрытой лучистым венцом. Она окружена клетками фолликулярного эпителия, размножающимися по мере ее созревания. Они выделяют специфическую жидкость. Она накапливается в полости первичных фолликулов. Клетки этого эпителия участвуют в обеспечении яйцеклетки питательными веществами. Оболочка женской гаметы не только питает гамету, но и защищает ее от проникновения более одного сперматозоида. Поскольку яйцеклетка не имеет аппарата, предназначенного для активного движения, для нее характерна плазматическая сегрегация.
Важность процесса движения
Подвижность мужской половой клетки является основной ее качественной характеристикой. Она обеспечивается хвостом гаметы за счет совершения однотипных движений. Особенности строения яйцеклетки и сперматозоида делают процесс оплодотворения наиболее вероятным. Оболочка мужской гаметы имеет специальные рецепторы, которые способны распознавать химические вещества, выделяемые яйцеклеткой. Благодаря этой способности сперматозоиды способны к целенаправленному, а не хаотическому движению. После эякуляции практически все здоровые половые клетки представителя мужского пола направляются к женской гамете. Такое движение называют положительным хемотаксисом.
Высокая подвижность сперматозоидов играет более важную роль, чем их количество в эякуляте. Об этом часто говорят специалисты, работающие с мужскими и женскими половыми клетками. Так, если в семенной жидкости подвижными являются около сорока процентов сперматозоидов, то это уже считается патологией. В этом случае вероятность оплодотворения яйцеклетки сильно уменьшается.
Если сперма состоит из полностью неподвижных сперматозоидов, то это часто свидетельствует о такой патологии, как акиноспермия. В этом случае половые клетки живые, но они неподвижны, а поэтому не способны произвести оплодотворение яйцеклетки. Чаще всего это нарушение вызывается разными патологиями половых желез.
Процесс оплодотворения
В каждой мужской гамете есть Y- или X- хромосома, определяющие при оплодотворении яйцеклетки пол ребенка. Чаще всего в этом процессе участвуют одна мужская гамета и одна женская. В некоторых случаях клетку оплодотворяют 2-3 и более сперматозоидов, что приводит к рождению однояйцевых близнецов.
Строение яйцеклетки и сперматозоида таковы, что при оплодотворении только головка мужской гаметы способна проникать в женскую половую клетку. При этом все остальные ее части остаются снаружи. В процессе оплодотворения (слияния яйцеклетки и сперматозоида) образуется зигота, которая представляет собой диплоидную клетку, содержащую полный двойной набор хромосом.
Функции сперматозоида – это оплодотворение женской половой клетки для достижения долгожданной беременности. Чтобы понять, как происходит слияние гамет, нужно знать какое строение сперматозоида. Живчик несёт в себе генетическую информацию, которая передаётся будущему ребёнку.
Сегодня мы расскажем, сколько содержится клеток в общем объёме эякуляте. Какой состав, строение яйцеклетки и сперматозоида, чтобы понять, насколько они важны для организма женщины и мужчины.
Особенности строения сперматозоида
Из чего состоит и как выглядит живчик, можно рассмотрев его под микроскопом. Для этого нужно сдать спермограмму. Из исследования лаборант может понять состав эякулята, сколько гамет содержится в 1 мл, какие дефекты имеются в морфологии и структуре.
Строение :
Основной частью живчика является голова. В ней содержится ядро с набором хромосом в количестве 23 пары.
Из них 22 – маленькие по величине и 1 большая, которая и отвечает за будущий пол ребёнка. Х – девочка, Y – мальчик. Размеры головки составляют до 5 мкм.
Акросома (органоид). Содержит большое количество специальных ферментов, которые выбрасывает живчик во время приближения к женской клетке, и имеет размеры ядра.
Именно благодаря акросоме растворяется оболочка яйцеклетки, и спермий беспрепятственно проникает в цитоплазму.
Шейка. С помощью её происходит поворот и небольшой наклон головки. Средняя часть (тело) живчика. Осуществляется движение и прямолинейная траектория сперматозоида к цели. Размеры её 4,5 мкм.
Хвост. Содержит нервные окончания и мышечные фибриллы, которые помогают живчику набирать необходимую скорость при движении. Длина его равна 45 мкм.
Параметры мужской клетки можно рассмотреть лишь под микроскопом, но именно благодаря ей зарождается новая жизнь.
Определение размера сперматозоида происходит исследовательским путём под микроскопом лаборанта, и имеет такие параметры:
- Длина – 54-55 мкм;
- Ширина – 3,2-3,5 мкм;
- Высота – 2,2-2,5 мкм.
Характеристика функции живчика
Из анатомии, строение клетки подразумевает и то, что в 1 мл эякулята содержится до 120 млн. мужских гамет, а в 5 мл – до 600 млн. Когда они при выбросе семени попадают в кислотную среду влагалища, большая их часть «отсеивается» и остаются самые сильные и подвижные.
Преодолевая сложный путь к матке, добирается лишь сотня головастиков, но проникает всего один. Перед тем, как это сделать, он выделяет специальное вещество, которое разрушает стенку яйцеклетки, после чего свободно входит.
Спермий проникает головкой, хвост при этом остаётся снаружи, растворяясь через время, закрывая место вторжения для «конкурентов». Таким образом, шансов у других живчиков не остаётся.
Следующий этап — это слияние женской и мужской клеток, образовывая одну, она несёт в себе половые принадлежности будущего малыша. Сперматозоид, объединившись с ооцитом, в котором находятся женские гены, делится с ней своими.
Слившись, образуется отдельная элементарная структурная единица, которая содержит общее количество мужских и женских клеток – 46 хромосом.
Цикл сперматозоида
Можно сделать вывод. Если у женщины не произошла овуляция во время семяизвержения во влагалище, добравшись до матки сперматозоиды, могут «подождать» когда наступит нужный момент на протяжении целой недели. И только потом погибнуть, если овуляция задержалась.
Строение и состав яйцеклетки
Женскую клетку, как и сперматозоид можно рассмотреть под микроскопом, но она имеет внушительнее размеры, чем живчик и величина её составляет до 170 мкм. Женская половая клетка имеет шарообразный вид, она неподвижна, обладает большим количеством питательных веществ.
Они, в свою очередь, влияют на процесс синтеза белка. Дейтоплазма или желток, обеспечивает плод всеми элементами, которые необходимы в период его развития.
Снабжена яйцеклетка защитным слоем и покрыта лучистым венцом (corona radiata). Фолликулы, окружающие её, растут и размножаются по мере развития и на протяжении жизненного цикла, выделяя специальную жидкость.
Накапливаются и снабжают женскую гамету всеми необходимыми веществами. Оболочка выполняет несколько функций – защищает от потока спермиев внутрь и питает яйцеклетку.
Правильный процесс созревания половых клеток, даёт шанс на здоровое зачатие ребёнка. Поэтому нужно знать не только строение, состав и функции в организме этих важных клеток, но и вести здоровый образ жизни.
Вредные привычки, алкоголизм, наркомания и неправильное питание нарушает структуры гамет. Подписывайтесь на наш сайт. Будьте здоровы!
Сперматозоид – это мужская половая клетка, целью жизнедеятельности которой является оплодотворение половой клетки женского организма. Сперматозоид несёт в себе генетический материал, который в дальнейшем будет участвовать в формировании эмбриона. Количество сперматозоидов, которые попадают в женский организм в результате одной эякуляции, может достигать нескольких миллиардов, а строение каждой половой клетки ориентировано на одну цель: быстрое передвижение к яйцеклетке и её оплодотворение.
Мужская половая клетка не похожа ни на одну другую клетку человеческого организма. Размер тела сперматозоида очень мал – 50-55 мкм, и рассмотреть клетку в составе эякулята можно только с помощью микроскопа.
Активная половая клетка имеет следующее строение:
- Головка. Она имеет вытянутую форму, чуть расширенную у основания, и напоминает плод ягоды клубники. Физиологически головка включает в себя следующие функциональные структуры: ядро – самая важная часть половой клетки содержит в себе генетический материал, а именно 11 пар хромосом, плюс одна X или Y хромосома, определяющая пол будущего ребёнка (женский, если это X-хромосома, и мужской, если это Y-хромосома); акросома или мембранный пузырёк – строением и формой данная составляющая сперматозоида напоминает ядро, в ней формируются специальные вещества-ферменты, которые самопроизвольно выбрасываются при приближении мужской половой клетки в женской, ферменты растворяют защитную оболочку яйцеклетки, что позволяет сперматозоиду проникнуть в её цитоплазму; центросома – напоминает головной мозг, она отдаёт команды хвостовой части сперматозоида и регулируют его движение.
- Шейка. Мягкое соединительное образование, которое расположено между хвостовой частью сперматозоида и головкой. Шейка обеспечивает возможность головки производить наклоны под небольшим углом, что задаёт направление движения мужской гаметы в целом.
- Тело (средняя часть). Здесь проходит ось тела сперматозоида, которая обеспечивает гибкость и подвижность хвостовой части клетки. Также тело содержит в себе митохондрии, которые обеспечивают сперматозоид энергией для совершения движения.
- Хвост. Эта часть мужской клетки состоит из фибрилл, которые, работая на манер винта, обеспечивают мужской гамете движение в необходимую сторону. Форма хвоста с зауженным кончиком обеспечивает сперматозоиду гибкость.
Существует мнение, что сперматозоиды – носители Y-хромосомы (мальчики) более активны, но живут менее суток, в то время как сперматозоиды – носители X-хромосомы (девочки) менее активны, но продолжительность их жизни в среде женского организма может достигать 3-4 суток.
Когда сперма в том или ином количестве попадает в организм женщины, кислая среда влагалища даёт способность двигаться большому количеству сперматозоидов. Их основная функция – движение в сторону яйцеклетки и её оплодотворение.
Но в процессе достижения мужскими гаметами своей цели, происходит жёсткий естественный отбор:
- первый отсев большого количества сперматозоидов происходит ещё во влагалище. Условия внутренней среды женского организма одновременно включает способность мужской половой клетки к движению, но тем не менее в этой среде активно двигаться могут далеко не все «головастики». Только самые подвижные достигнут тела матки;
- далее сперматозоиды движутся от влагалища к яйцеводу по маточным трубам. Длительность перехода соответствует нескольким часам, что, учитывая микроскопичные размеры «головастиков», свидетельствует об огромной скорости их движения. Стоит отметить, что в матричных трубах соблюдается щелочная среда, и сперматозоиды могут «блуждать» там до нескольких дней;
- в расширенной полости в конце маточных труб находится яйцеклетка. Но если она ещё не созрела, сперматозоиды хаотично движутся внутри этой полости до нескольких суток, после чего погибают. При высокой выживаемости сперматозоидов, оплодотворение может пройти через несколько дней после полового акта, при наступлении овуляции;
- при нормальной скорости сперматозоидов, полный путь от влагалища до созревшей яйцеклетки происходит в течение 1-1,5 часов;
- очень важным фактором при оплодотворении яйцеклетки является число сперматозоидов, достигших цели. Их число не должно быть меньше 300 000, так как специального фермента меньшего количества «головастиков» может не хватить для растворения защитной оболочки яйцеклетки. После того как защитный слой полностью или частично повреждён, самый активный и подвижный сперматозоид внедряется в ядро яйцеклетки и образует зиготу.
Многие ошибочно думают, что одну яйцеклетку может оплодотворить большее число сперматозоидов, например, в случае рождения разнояйцовых близнецов или двойняшек. Но на самом деле одну яйцеклетку может оплодотворить только один сперматозоид.
Рождение однояйцевых близнецов является результатом деления оплодотворённой яйцеклетки, а рождение двойняшек (тройняшек и так далее) обусловлено тем, что во время овуляции в женском организме созревает 2 и более яйцеклетки, каждая из которых оплодотворяется одним сперматозоидом.
Созревание половых клеток у мужчин начинается в пубертатный период (период начала полового созревания) и продолжается на протяжении всего репродуктивного периода.
Цикл созревания одной клетки может длиться от 2,5 до 3 месяцев, поэтому можно сделать выводы, что полное обновление сперматического материала происходить приблизительно 4 раза в год.
Процесс созревания мужской гаметы происходит в семенниках, где клетка проходит несколько этапов развития:
- Сперматогоний – первородная мужская половая клетка в результате нескольких стадий митотического деления образует две новые клетки с одинаково полным количеством хромосом. Продукт деления называется сперматоцит.
- Каждый сперматоцит вступает в мейотическое деление, которое происходит в два этапа: разделение набора хромосом пополам и разделение самого сперматоцита на две клетки. Образовавшаяся клетка называется сперматид.
- Сперматиды не подлежат делению, но приходят процесс преобразования в зрелую мужскую половую клетку – сперматозоид.
Данный процесс происходит непрерывно. Когда подходит к завершению созревание одних половых клеток, сразу начинают образовываться новые сперматогонии, и процесс их созревания начинается снова.
Процесс формирования новых сперматозоидов называется сперматогенез, и регулируется гормонами яичек и гипофиза. Пока гаметы находятся в мужском организме, они лишены какой-либо физической активности, но во время эякуляции происходит выброс простатического фермента, который стимулирует активность сперматозоидов.
Важно не количество сперматозоидов, а концентрация активных элементов в эякуляте и максимально возможный процент нормальных форм их тел. Только при таких параметрах сперматозоиды смогут нормально выполнять свои функции.
Факторы, влияющие на созревание сперматозоида
Нормальный процесс созревания сперматозоидов обусловлен в первую очередь оптимальной температурой внутренней среды, а именно 34 °C.
Также нормальное протекание формирования половых клеток зависит от следующих факторов:
- возраст мужчины;
- сфера в деятельности мужчины в условиях повышенной химической опасности;
- наличие хронических заболеваний, а также перенесённые в детстве сложные заболевания;
- пищевые привычки;
- физические нагрузки;
- употребление различных медикаментов;
- наличие вредных привычек.
Совокупность всех этих векторов может выразить клиническую картину, если у мужчины наблюдаются нарушения в процессе спермообразования или низкая эффективность сперматозоидов.
Существует также ряд конкретных факторов, негативно влияющих на сперматогенез:
- избыток тепла (внешнего и внутреннего);
- повышенная температура тела, как симптом вирусных или инфекционных заболеваний;
- частое принятие горячих ванн, посещение бань, саун и парилок;
- стресс, затяжные депрессии;
- влияние химических и токсических веществ;
- облысение;
- нарушения работы сосудистой системы, застой крови в малом тазу;
- перепады артериального давления;
- сидячий образ жизни (в том числе и профессиональная деятельность);
- половые инфекции;
- простатит;
- заболевания щитовидной железы;
- неправильно подобранное нижнее бельё;
- табакокурение;
- употребление алкоголя и наркотических веществ.
Этот перечень далеко не полный, так как заболевания всех внутренних органов и систем органов могут негативно сказаться на процессе сперматогенеза.
Не всегда сперматогенез протекает правильно. В результате у мужчин могут развиваться различные патологии, влияющие на спермообразование и дальнейшее деторождение, при полном сохранении мужского здоровья и сексуальной функции:
- Азооспермия – это патология, при которой в эякуляте отсутствуют сперматозоиды. Данное нарушения сперматогенеза опасно тем, что протекает абсолютно бессимптомно, и выявить проблему можно только лабораторным методом. Если азооспермию не лечить, результатом может быть необратимое бесплодие.
- Акиноспермия – полная неподвижность живых сперматозоидов в эякуляте. Патология может быть вызвана факторами окружающей среды и вредными привычками.
- Аспермия – отсутствие в эякуляте не только сперматозоидов, но и первородных клеток сперматогенеза. Патология вызвана нарушением работы семенников, их закупорки в результате травм или острых воспалительных заболеваний.
- Астенозооспермия – сперматозоиды малоподвижны и скорость их передвижения крайне мала.
- Гемоспермия – появление в эякуляте некоторого количества крови. Причинами данного явления могут быть многочисленные патологии, включая воспалительные заболевания внутренних половых и мочевыводящих органов, онкологию и простатит.
- Гипоспермия (олигоспермия) – уменьшение общего объёма эякулята (менее 2 мл). Причины: гормональная недостаточность, простатит, частый онанизм.
- Некроспермия – сперматозоиды гибнут практически сразу после семяизвержения.
- Пиоспермия – присутствие в эякуляте гноя и неприятного запаха. Причинами могут быть острые инфекции мочевыводящих путей.
- Полиспермия – повышенное количество в эякуляте активных сперматозоидов.
- Тератозооспермия – строение сперматозоида патологичное, неправильная форма или размер. Данное нарушение – частая причина выкидышей и патологий плода.
Диагнозы могут быть смешанными, то есть у одного мужчины может наблюдаться сразу несколько патологий одновременно.
