Образование половых клеток — яиц и сперматозоидов — состоит из ряда высокоспециализированных процессов.
Постоянство числа хромосом обеспечивается процессом мейоза; мейоз состоит из двух быстро следующих друг за другом клеточных делений, после которых гаметы получают вдвое меньше хромосом, чем остальные клетки тела.
Хотя с генетической точки зрения гаметы равны, но для эмбриогенеза мужские половые клетки менее важны, и сперматогенезу нами будет уделено меньше внимания. Образование мужских половых клеток происходит в семенниках, причем определенные фазы их формирования распределены по особым зонам. В 1-й период — размножения — сперматогонии занимают самую отдаленную от выводных протоков часть семенников, называемую зоной размножения. Сперматогоний очень много, и они здесь многократно делятся, так как поступление питательных веществ в этой зоне чрезвычайно облегчено. Во 2-й период — роста — сперматогонии прекращают делиться и становятся сперматоцитами I порядка, располагаясь в зоне роста. В этой зоне продолжается поступление питательных веществ и сперматоциты I порядка сильно вырастают. Хроматин ядра принимает вид попарно расположенных четкообразных хромосом, вытягивающихся по направлению к центросоме. Затем хромосомы сливаются попарно (синапсис). С этого момента проникновение питательных веществ (а вместе с тем и рост сперматоцитов) замедляется и затем совсем прекращается. Потом образуются тетрады хромосом; их количество равно количеству пар хромосом в сперматогониях. Затем наступает 3-й период — созревания, состоящий из двукратного деления сперматоцитов: первое — с образованием сперматоцитов II порядка, второе — с образованием сперматид. При этом в каждую из 4 образовавшихся сперматид попадает гаплоидное количество хромосом. В 4-м периоде — формирования — сперматиды преобразуются в сперматозоиды.
Сперматозоиды петуха имеют длинную, цилиндрическую головку с острым окончанием (акросомой). Головка состоит почти исключительно из ядра половой клетки. Вообще количество протоплазмы в сперматозоиде минимальное. В средней части сперматозоида находится большое количество митохондрий и центросома — клеточный центр. Нить центросомы образует длинный хвостик спермия. Сперматозоиды других сельскохозяйственных птиц имеют сходный вид. Браше приходит к выводу, что сперматозоиды отличаются интенсивными катаболическими процессами, богаты митохондриями и обладают исключительно интенсивным дыханием, но обмен белков и нуклеиновых кислот в них незначителен или не происходит вообще. Несколько иного мнения придерживается в своем детальном исследовании Мамзина. Получив два повышения радиоактивности РНК спермиев на 6—8-й и 18—24-й дни после введения в кровь петухов меченого Р32, автор предполагает, что первая вершина соответствует образованию цитоплазматической РНК, а вторая — ядерной РНК. Будучи включенным в ДНК, Р32 стойко удерживается в клетках семенного эпителия вплоть до образования зрелых сперматозоидов.
Схема редукции хроматина в ядрах женских и мужских половых клеток примерно одинакова. Оогенез протекает следующим образом. В 1-й период — размножения — незрелые половые клетки (оогонии) многократно митотически делятся. Затем они перестают делиться и вступают в период продолжительного роста (2-й период оогенеза), превращаясь в крупные клетки — ооциты I порядка. Этот период делится на два: малого роста (увеличение ядра и протоплазмы) и большого роста (в цитоплазме накапливается большое количество желточных включений). В течение периода большого роста и образуется в основном желток яйца. За время 3-го периода — созревания — ооциты I порядка проходят два мейотических деления. После первого из них из каждого ооцита I порядка образуется одна крупная клетка (ооцит II порядка, содержащий, кроме ядра, желток и почти всю цитоплазму) и одна мелкая, содержащая ядро и незначительное количество протоплазмы — полярное или редукционное тельце. При втором мейотическом делении образуется яйцеклетка и второе полярное тельце, а первое может в свою очередь разделиться на два. Все эти Клетки содержат гаплоидное количество хромосом. Полярные тельца — это абортивные яйца, и они погибают. Таким образом, отличие оогенеза от сперматогенеза заключается в следующем: а) при последнем делении в семеннике образуется 4 сперматиды, а в яичнике — 1 яйцеклетка и 2 или 3 редукционных тельца; б) период роста при оогенезе длительнее и подразделяется на период малого роста и большого роста; в) в оогенезе нет периода формирования соответственно превращению сперматид в сперматозоиды. В неоплодотворенной яйцеклетке заложены все потенции к развитию (партеногенез естественный и искусственный) в отличие от сперматозоида, неспособного ни при каких условиях к самостоятельному развитию.
Хьюджес показал, что митоз оогоний увеличивает общее количество половых клеток в левом яичнике куриного эмбриона с 28 000 на 9-й день инкубации до 680 000 на 17-й и что дегенерация половых клеток происходит в течение всего эмбриогенеза. К моменту вылупления имеется 480 000 ооцитов. Первый период оогенеза, по данным автора, заканчивается ко времени вылупления. Количество видимых ооцитов, по данным Романова и Романовой, в яичнике курицы около 4000, у сельскохозяйственных водоплавающих птиц — в среднем 1250, а у диких птиц — только около 500. Максимально получают от одной курицы около 1500 яиц. По-видимому, дегенерация ооцитов происходит и в постэмбриональный период и к моменту полового созревания (5—6 месяцев для кур породы леггорн) их количество достигает величины, указанной Романовыми.
Одно из основных отличий ооцита от соматических клеток — это огромное ядро, содержащее несколько сравнительно большого размера ядрышек и хромосомы типа «ламповых щеток», омываемых ядерным соком. В яйцеклетке нет центросомы. Во время оогенеза наследственный материал ооцита (ядро) находится в состоянии активной деятельности и оказывает влияние как на строение цитоплазмы, так и на протекающие в ней процессы синтеза, в том числе синтеза новых специфических белков.
Рост ооцита Нимирко и Гольдман подразделяют по изменению веса и состава ооплазмы на 3 периода: 1-й — до достижения яйцеклеткой веса свыше 100 мг, 2-й — до 1 г и 3-й — до достижения окончательного размера и веса. 1-й период характеризуется наибольшим содержанием воды и пропорциональным увеличением протеинов и жиров, причем протеины являются основными. Во 2-м периоде происходят наибольшие изменения в химическом составе, а именно большое увеличение сухих веществ и значительное изменение в соотношении жирных кислот к протеинам с преобладанием жирных кислот. В 3-й период происходит наибольшее увеличение веса яйцеклетки (фаза большого роста ооцита) в связи с накоплением органических веществ, в основном липидов. Фаза большого роста ооцита в яичнике курицы, по данным Романова и Романовой, продолжается в течение 4 дней перед овуляцией. Когда наступает последняя стадия быстрого накопления желтка, ядро и часть протоплазмы мигрируют к периферии его, образуя бластодиск. При этом яйцеклетка получает полярность — анимальный (где протоплазма и ядро) и вегетативный (где желток) полюса.
В яичнике недавно вылупившегося цыпленка вокруг каждого ооцита группируется ряд эпителиальных клеток, создающих в дальнейшем фолликул. Когда начинается быстрое накопление желтка в ооците, клетки фолликула передают питательные вещества из кровеносных сосудов в цитоплазму ооцита. Барковская считает фолликулярную оболочку секреторной железой желтковой массы, производимой ею из приносимых кровью материалов. Изучая методом меченых атомов проницаемость фолликулов и перенос протеинов и фосфорных соединений из плазмы крови в желток куриного яйца, Смит определил, что максимальный темп переноса этих соединений на единицу поверхности фолликула бывает при весе ооцита, равном 2.5 г, а затем уменьшается ко времени овуляции. Электронномикроскопическими исследованиями развивающихся фолликулов яичника фазана Пресс показал, что фолликулярные клетки образуют проходящие внутрь ооцита отростки. Автор предполагает, что механизм быстрого передвижения питательных веществ из фолликулярных клеток в растущий ооцит состоит в поглощении этих фолликулярных отростков и включении их в цитоплазму ооцита. Несколько иначе трактует этот процесс Браше. Автор предполагает, что клеточная оболочка ооцитов образует микроворсинки, которые проникают в фолликулярные клетки и осуществляют процесс пиноцитоза — «заглатывают» или «выпивают» богатую белками воду. Хаскин с соавторами приходит к выводу, что стенка растущего фолликула является не только местом активного транспорта и гидролиза поступающих из крови веществ, но и местом синтеза некоторых соединений, входящих в желток. На протяжении всего периода большого роста ооцита наблюдается согласованная динамика транспортной, ферментативной и синтезирующей активности фолликулярной оболочки. Авторы считают, что вначале имеет место центральная активация вителлогенеза, а затем постепенное усиление авторегуляторных отношений между тканью фолликула и растущим ооцитом.
Рассмотрим несколько подробней процесс формирования желтка в яйцеклетке. В протоплазме половых клеток эмбриона уже имеются желточные шары, но настоящий желток впервые откладывается в яичнике двухмесячного цыпленка. Желток откладывается концентрическими кругами, попеременно желтого и более светлого цвета. Желтый желток состоит из желтых желточных шаров, а белый — из белых. Конопака считает, что желтые желточные шары образуются при проникновении жира в вакуоли белых желточных шаров. Риддль, наоборот, наблюдая во время развития эмбриона увеличение относительного количества белого желтка, считает, что желтый желток превращается в белый. По данным Романова и Романовой, желтый желток откладывается в течение дня до полуночи, а белый — в остальную часть ночи. А Барковская считает, что вообще нельзя делить желток на белый и желтый и что цвет его зависит от кормления. Автор показала, что желток всегда откладывается под фолликулярной оболочкой и окрашенный красителем (судан III) слой желтка длительно сохраняет свое местоположение и консистенцию под последующими отложениями. Скорость отложения желтка нарастает с увеличением его поверхности и является производной роста фолликулярной оболочки.
Скармливая несушкам каждый день разные жирорастворимые краски, Лакасань наблюдал корреляцию между весом желтка яиц и длительностью его роста. Абе с соавторами изучал откладывание желтка в ооцитах путем внутривенного введения меченной по Р32 плазмы. Установлено, что в течение 24 час. в ооциты включается около 37% введенного меченого фосфата. Распределение Р32 в разных ооцитах показало, что скорость откладывания желтка изменяется соответственно стадии роста фолликула.
Исследуя методом меченых атомов глобулины и альбумины плазмы кур, Паттерсон и др. показали, что они передаются из яичника в формирующийся желток наиболее интенсивно в течение 4—5 дней, предшествующих овуляции, через фолликулярный эпителий и концентрация их в желтке неоплодотворенного яйца значительно превышает концентрацию в плазме. Электрофоретическое исследование крови несушки и желтка растущих ооцитов, проведенное Хаскиным с соавторами, показало, что перенос оогенных компонентов осуществляется в основном α- и γ-глобулинами крови, а в желтке с этими фракциями глобулинов связана основная часть липопротеидов, гликопротеидов, фосфолипидов и холестерин. Рост ооцитов сопровождается изменением состава липидной части липовителлина и увеличением насыщенности липидами некоторых фракций протеинов желтка.
Обмен веществ растущего ооцита обеспечивает синтез различных запасных веществ, которые используются впоследствии эмбрионом, а именно гликогена, липидов, белков и др. Запас энергии во время оогенеза заключен в макроэргических фосфатных связях АТФ. Как сообщает Браше, растущие ооциты содержат все необходимое для интенсивного синтеза протеинов (желтка). Первая стадия этого процесса состоит в активации аминокислот аденозинтрифосфатом при участии растворимых ферментов. Образовавшиеся при этом вещества включаются затем в растворимую РНК, потом в РНК микросом, и, наконец, в микросомах происходит синтез специфических белков. Юные ооциты всегда содержат большое количество РНК как в цитоплазме, так и в ядрышках. В растущих ооцитах синтез ДНК незначителен, а синтез РНК, белков, липидов и гликогена очень велик. Во время вителлогенеза желточные гранулы бедны РНК, что создает впечатление уменьшения содержания РНК в яйцеклетке, а в действительности количество РНК здесь растет, но она разбавлена в сильно увеличившемся объеме ооцита. Митохондрии яйца по своей ультраструктуре и функциям не отличаются от митохондрий других клеток. По-видимому, они служат источником энергии, необходимой для синтеза белков желтка. Браше приходит к заключению, что желток нельзя рассматривать только как резервный материал, так как он играет активную роль в эмбриогенезе.
В то время как ооцит вступает в фазу большого роста, между его наружным окончанием и фолликулом появляется прозрачная, тонкая оболочка — это желточная оболочка. К концу созревания ооцита между желточной оболочкой и фолликулом образуется заполненное лимфой пространство, благодаря чему ооцит поворачивается внутри фолликула соответственно центру тяжести: вегетативным полюсом вниз, а анимальным (с бластодиском) — к ножке фолликула.
В таком положении ооцита и происходит овуляция — разрыв фолликула и выпадение ооцита из яичника. Этот ооцит и является тем, что обычно называют желтком яйца. Овуляция, как правило, бывает через полчаса после того, как снесено предыдущее, сформированное яйцо. Наличие не вполне сформированного яйца в матке предотвращает овуляцию из-за выделения гипофизом лютеинизирующего гормона. Овуляция у кур обычно совершается с 2 час. ночи до 2 час. дня. Время овуляции зависит от внешних условий и состояния несушки. Темнота, чрезмерная жара и беспокойство курицы задерживают овуляцию, а иногда готовая к овуляции яйцеклетка (желток) даже рассасывается. После овуляции разорвавшийся фолликул начинает постепенно резорбироваться: через неделю он едва виден для невооруженного глаза, а через месяц практически исчезает.
Каким же образом была создана возможность чуть ли не ежедневной яйценоскости у кур по сравнению с сезонной и очень ограниченной кладкой (2—15 яиц в год) у птиц в природных условиях? В нашей работе по инкубации яиц гаги мы установили экологическим методом наличие 2-й кладки, если у гаги отобрана первая кладка в начале насиживания (обычно гага несет в год одну кладку, состоящую в среднем из 4 яиц — от 3 до 8). Снесение птицей второй и даже третьей кладки яиц, если она была лишена возможности насиживать первую кладку (яйца изъяты из гнезда), показывает, каким путем произошло огромное увеличение яйценоскости кур, уток и гусей при их одомашнивании.
Строение половых органов курицы. Правый яичник и яйцевод птиц не развиваются и редуцируются уже в конце эмбрионального развития. По-видимому, это было обусловлено в процессе эволюции: а) необходимостью уменьшения размера внутренних органов для облегчения веса тела в полете и б) относительно большой величиной яиц, в которых должны иметься запасы питательных веществ для прохождения всего эмбрионального развития. Выпавшая из яичника после овуляции яйцеклетка (желток) попадает в яйцевод, общая длина которого у курицы-несушки в среднем 63 см (от 37 до 86), а у ненесушки — только 11—18 см. Стенки яйцевода состоят из трех слоев: серозного (богатого кровеносными сосудами), мышечного и эпителиального, покрытого изнутри железистой тканью, выделяющей слизь — белок яйца. Железистая ткань, расположенная в многочисленных складках яйцевода, имеет большую поверхность и вследствие этого может выделять много белка. Высота и толщина складок в белковом отделе, где вырабатывается основное количество белка, в пять раз больше, чем в других отделах. Мышечный слой утолщается от начала яйцевода к клоаке. Куриное яйцо проходит по всей длине яйцевода, под влиянием мышечных сокращений его, примерно в течение суток, а яйцо голубя — в течение 41 часа. Вскрывая кур через 30 мин. после снесения яйца, Мак-Налли и Баерли обнаружили, что у 20 из 32 произошла овуляция. Следовательно, время между снесением двух последующих яиц примерно равно времени пребывания яйца в яйцеводе. Длительность нахождения яйца различна в разных частях яйцевода.
Для сравнения приведем данные Асмундсона о длине яйцевода индеек и кур. Густой, муцинообразный белок откладывается здесь непосредственно на желток в виде нитей, формирующих ячеистую основу халазообразующего слоя. Ячейки этого слоя, как и ячейки плотного белка, заполнены жидким белком. При медленном вращении желтка вокруг своей оси по мере прохождения по яйцеводу микроскопические муциновые нити в халазообразующем слое белка скручиваются и делаются туго натянутыми, упругими. При этом жидкий белок, находившийся в ячейках этих нитей, выжимается и образует слой внутреннего жидкого белка, в котором желток свободно плавает более легким, анимальным полюсом кверху. Потом окончания муцийовых нитей халазообразующего слоя еще более скручиваются и образуют халазы (градинки). По некоторым данным, халазы начинают закручиваться только в матке. В белковом отделе яйцевода образуется плотный слой белка. Растворимые протеины, входящие в состав белка, образуются и откладываются в трубчатых железах белкового отдела яйцевода в период между двумя овуляциями. Скопившийся здесь белок откладывается вокруг желтка при его прохождении по яйцеводу. А муцин производится в бокаловидных железах яйцевода по мере надобности. Когда яйцо достигает матки, в белке содержится почти весь состав протеинов. А здесь, как показал Дрейпер, происходит увеличение количества воды в белке в 2,5—3 раза, причем концентрация натрия снижается, а калия увеличивается в связи с увеличением его количества в 7—8 раз. Наблюдается параллелизм между количеством калия в белке и выводимостью цыплят из этих яиц.
В трубчатых железах перешейка яйцевода секретируется зернистый, кератиноподобный материал, образующий под скор лунные оболочки. Эти зернышки, впитывая влагу, набухают и срастаются в тугие пряди клейких нитей, переплетающиеся и образующие подскорлупные оболочки. Наружный жидкий слой белка образуется в перешейке и матке. К моменту попадания яйца в матку подскорлупные оболочки еще чрезвычайно пористы, и в первые 8 час. пребывания там яйца жидкий материал белка (в основном водный раствор неорганических солей) проходит сквозь поры оболочек в яйцо.
Образование скорлупы начинается с появления зернышек кальциевых солей на поверхности наружной подскорлупной оболочки, которые затем вместе с небольшим количеством протеинового материала превращаются в твердые, шишкообразные сосочки — призматический слой скорлупы. Вершины сосочков вонзаются в нити подскорлупных оболочек и таким образом плотно примыкают к ней. Широкие наружные концы сосочков почти соединяются между собой, но благодаря их округлости между ними остаются щели — поры скорлупы яйца. Затем выделяется протеин (коллаген), который ложится поверх призматического слоя переплетенными между собой нитями. Между ними закладываются кристаллы кальциевых солей и образуется губчатый слой скорлупы, имеющий вдвое большую толщину, чем призматический. Поры в губчатом слое являются продолжением пор в призматическом. Кальций скорлупы поставляется кровью в клетки желез матки, которые секретируют раствор кальциевых солей на яйцо. Брадфилд провел радиографическое изучение образования скорлупы куриного яйца и обнаружил, что темп отложения минеральных веществ идет по S-образной кривой.
В связи с различиями относительной длины отдельных частей яйцевода индюшиное яйцо имеет более легкую скорлупу, более плотные подскорлупные оболочки и больший процент солей в белке. Общий интервал между снесением двух последующих яиц у индеек примерно такой же, как у кур. Вудард и Матер исследовали процесс образования яйца у японской перепелки и обнаружили, что он очень сходен с тем, как образуется яйцо у курицы и индейки. Овуляция происходит через 15—30 мин. после яйцекладки, затем желток проходит по яйцеводу (через воронку за 30 мин., белковый отдел — за 2—2.5 и перешеек — за 1.5—2.0 часа). В матке яйцо находится 19—20 час., причем отложение скорлупы начинается через 5 час. после вхождения туда яйца, а пигментация скорлупы — за 3.5 часа до яйцекладки. По данным Руус, промежуток между снесением двух яиц в кладке гусей (что почти равно длительности пребывания яйца в яйцеводе) равен в среднем 34 час.: от 36 час. в марте до 25 в июне.
Пигментация яйца птиц происходит во время последних часов пребывания его в матке за счет переработанного печенью пигмента эритроцитов. Выделенные печенью пигменты создают основной цвет скорлупы, который может быть различным: красным, желтым, синим, коричневым, голубым и т. п. Позднее непосредственно из гемоглобина протекающей по сосудам матки крови образуются пятна на скорлупе, состоящие из пигментных масс, располагающихся либо в кутикуле, либо поверх нее.
Кутикула (тонкий слой засохшей слизи) выделяется маткой после окончания образования скорлупы. Она, так же как и скорлупа, проницаема для газов, но предотвращает попадание микроорганизмов в яйцо через поры скорлупы.
Перед выходом из матки яйцо поворачивается на 180° и выходит из клоаки тупым концом.
Серия яиц, снесенная птицей без перерыва, называется циклом кладки. У сельскохозяйственных птиц, и особенно у курицы, он продолжительнее, а у диких птиц — много короче. Чем больше цикл кладки у курицы, тем ближе к 24 час. интервал между яйцами, причем этот интервал меньше всего в середине цикла (23— 24 часа), а в начале цикла и к концу его несколько больше (около 25—26 час.). Различие в интервале зависит главным образом от разной длительности пребывания яйца в матке.
Сравнивая интенсивность яйцекладки у кур в первый и второй год носки, Лакасань обнаружил, что она снижается в течение первого года в связи с увеличением веса каждого ооцита. Автор наблюдал, что длительность фазы быстрого роста 1-го фолликула из цикла кладки больше, чем последнего, и с каждым следующим яйцом в цикле происходит уменьшение количества резервов желтка. Мера и Лакасань показали, что в зависимости от очередности яиц в цикле кладки и в кладках с разным количеством яиц выводоспособность их различна. Выяснилось, что яйца однояйцовых кладок имеют более низкую выводоспособность, а семияйцовых — более высокую, чем в других. Первое яйцо в цикле кладки после перерыва в два или больше дней имеет более низкую выводоспособность, чем другие яйца этого цикла.