Vnútorné oplodnenie: princíp, priebeh a význam u živočíchov

Vnútorné oplodnenie je spôsob pohlavného rozmnožovania, pri ktorom samčie a samičie gaméty splývajú vo vnútorných pohlavných orgánoch samice alebo obojpohlavného organizmu. Spermie sa pri ňom dostávajú priamo do pohlavných ciest samice, kde sa stretávajú s vajíčkom a vzniká zygota.

Vnútorné oplodnenie predstavuje dôležitú evolučnú adaptáciu najmä na suchozemské prostredie. Chráni gaméty pred vyschnutím a zvyšuje pravdepodobnosť ich úspešného spojenia. Je typické pre väčšinu suchozemských bezstavovcov, drsnokožce, plazy, vtáky a cicavce.

Oplodnenie a jeho miesto v rozmnožovaní

Rozmnožovanie, známe aj ako reprodukcia, je základný biologický proces, ktorý zabezpečuje pokračovanie existencie druhu. Rozmnožovanie je jedným z charakteristických znakov živých organizmov. Zabezpečuje zachovanie druhu a je základom ontogenézy budúceho jedinca.

U živočíchov môžeme rozlíšiť dva hlavné typy rozmnožovania: nepohlavné (asexuálne) a pohlavné (sexuálne). Tento proces zahŕňa rôzne etologické, fyziologické a morfogenetické deje a prebieha rôznymi spôsobmi v závislosti od typu živočícha.

Väčšina živočíchov sa rozmnožuje pohlavne. Tento proces zahŕňa vznik a splynutie pohlavných buniek, nazývaných gaméty. Pohlavné rozmnožovanie (amfigónia) zahŕňa tvorbu špecializovaných haploidných buniek, ktoré sa spoločne nazývajú gaméty.

Oplodnenie (fertilizácia) je biologický proces, pri ktorom dochádza k splynutiu gamét opačného pohlavného typu - konkrétne vajíčka a spermie. Tento proces vedie k vytvoreniu zygoty, ktorá predstavuje prvú bunku nového jedinca s kompletnou genetickou výbavou oboch rodičov.

Gaméty a ich vznik

Pohlavné bunky vznikajú v špecializovaných orgánoch - gonádach. Proces ich tvorby prebieha redukčným delením (meiózou), preto sú gaméty haploidné, čo znamená, že obsahujú polovičný počet chromozómov oproti somatickým bunkám.

Obe gaméty vznikajú redukčným meiotickým delením (gametogenézou) a sú haploidné, to znamená, že obsahujú len polovičný počet chromozómov. Až ich splynutím (oplodnením) vzniká plnohodnotná diploidná zygota, ktorá kombinuje genetický materiál oboch rodičov a je základom nového jedinca.

V prípade najbežnejšieho typu pohlavného rozmnožovania, eugamie, je nevyhnutné splynutie dvoch špecializovaných buniek - gamét. Ich splynutím vzniká zygota, oplodnené vajíčko, ktoré sa ďalej mitoticky delí a stáva sa z neho embryo.

Gaméty zvyčajne nesú polovičnú (haploidnú) sadu chromozómov. Splynutím dvoch gamét vzniká opäť úplný (diploidný) chromozómový súbor. Preto je dôležité, aby spájajúce sa bunky mali len haploidnú sadu chromozómov a ich spojením by vznikol diploidný jedinec.

Meióza je zvláštnym typom delenia, pri ktorej namiesto dvoch dcérskych buniek vznikajú až 4 dcérske bunky, ale každá len s haploidným počtom chromozómov. Meióza je základným spôsobom vzniku pohlavných buniek.

Samičia pohlavná bunka - vajíčko

Samičie gaméty sú vajíčka alebo makrogaméty. Sú nepohyblivé a môžu obsahovať zásobu živín vo forme žĺtka. Vajíčka sa tvoria vo vaječníkoch (ovarium).

Vajíčko má zvyčajne guľovitý, ojedinele oválny tvar a spravidla patrí medzi najväčšie bunky v tele organizmu. Vo vnútri sa nachádza cytoplazma, nazývaná aj ooplazma, ktorá obsahuje dôležité mitochondrie a kvapôčky žĺtka.

Žĺtok tu slúži ako nevyhnutný zdroj výživy a stavebný materiál pre vyvíjajúci sa zárodok (embryo). Vajíčka majú vždy 1 alebo viac obalov a zabezpečujú ochranu zárodku.

Z evolučného hľadiska platí dôležité pravidlo: množstvo žĺtka priamo súvisí s dĺžkou embryonálneho a larválneho vývinu.

Samčia pohlavná bunka - spermia

Samčie gaméty sú spermie alebo mikrogaméty. Sú menšie a väčšinou pohyblivé vďaka bičíku. Spermie vznikajú v semenníkoch (testes) a skladajú sa z hlavičky, krčka a bičíka.

Spermia má hlavičku - tvorenú jadrom s DNA, krček a u väčšiny živočíchov má spermia aj bičík, ktorý je zdrojom pohybu.

U človeka hlavičku vypĺňa jadro s haploidným počtom chromozómov 22 telových a 1 pohlavný X alebo Y. Tvorba spermií začína asi v 14. roku života, prebieha vo veľkom množstve a po celý život, pričom kým spermia dozrie, prejde 72 dní.

Čo odlišuje vnútorné a vonkajšie oplodnenie

U živočíchov rozlišujeme dva hlavné spôsoby oplodnenia: vonkajšie oplodnenie a vnútorné oplodnenie.

Vonkajšie oplodnenie dochádza mimo tela organizmu, takmer výlučne vo vode mimo tela matky. Je to bežné u vodných bezstavovcov, väčšiny rýb a lúčoplutvovcov, a u obojživelníkov.

Vnútorné oplodnenie znamená, že gaméty splývajú bezpečne chránené vo vnútorných pohlavných orgánoch matky. Predstavuje dôležitú evolučnú adaptáciu na suchozemské prostredie, typickú pre väčšinu suchozemských bezstavovcov, drsnokožce, plazy, vtáky a cicavce.

Ako prebieha vnútorné oplodnenie

1. Tvorba a dozrievanie gamét

V semenníkoch vznikajú spermie a vo vaječníkoch vajíčka. Gaméty dozrievajú v organizme v období, keď je živočích schopný rozmnožovania.

V čase párenia sa živočíchy správajú špecificky. Väčšina voľne žijúcich živočíchov sa pári len v presne vymedzenom období.

V čase ovulácie je pravdepodobnosť oplodnenia najväčšia. Vajíčko je schopné oplodnenia približne 24 hodín a spermie môžu na ovuláciu počkať 4-5 dní.

2. Prenos spermií do tela samice

U väčšiny živočíchov, ktoré sa rozmnožujú vnútorným oplodnením, majú samce vyvinuté špecializované kopulačné orgány. Prostredníctvom nich prenášajú počas pohlavného aktu (kopulácie) spermie priamo do pohlavných ciest samice.

Medzi kopulačné orgány patria napríklad párový hemipenis u šupinatých plazov, penis u cicavcov, alebo premenené končatiny, ako sú gonopódy u článkonožcov či pterygopody u drsnokožcov.

Aby sa dosiahlo vnútorné oplodnenie, živočíchy niekedy majú vyvinuté špeciálne orgány, tzv. kopulačné orgány, a oplodneniu predchádza pohlavný styk.

3. Vytvorenie zygoty

Spermia sa približuje k vajíčku a preniká do jeho vnútra. Vajíčko je oplodnené len 1 spermiou, prejde dovnútra, bičík odpadá a hlavička splýva s jadrom vajíčka.

Splynutím pohlavných buniek nastáva oplodnenie. Vzniká zárodok 2n - jednobunkový, ktorý sa mitoticky delí.

Po oplodnení vzniká diploidná zygota. Zygota predstavuje prvú bunku nového jedinca a obsahuje genetickú informáciu oboch rodičov.

4. Prvé delenia zárodku

Oplodnené vajíčko sa mitotickým delením postupne brázdi, až vznikne guľovitý útvar - morula, ktorá pripomína morušu.

Množením buniek dochádza ku vzniku dutej gule - blastula, ktorej vnútro vypĺňa prvotná telová dutina - blastocél.

Z jednovrstvovej blastuly vznikne vakovitý, dvojvrstvový útvar - gastrula. Jej vonkajšiu vrstvu tvorí ektoderm a vnútornú endoderm.

Pri dvojstranne súmerných živočíchoch sa vo vývine célomu medzi ekto- a endodermom tvorí aj tretia zárodočná vrstva - mezoderm.

Spôsoby prenosu spermií pri vnútornom oplodnení

Kopulácia a kopulačné orgány

Kopulácia je pohlavný akt, pri ktorom samec prenáša spermie priamo do pohlavných ciest samice. U jednotlivých skupín živočíchov sa na tento účel vyvinuli rozličné orgány.

• Penis je typický pre cicavce.
• Párový hemipenis sa vyskytuje u šupinatých plazov.
• Pterygopody sú premenené brušné plutvy drsnokožcov.
• Gonopódy môžu vzniknúť premenou končatín alebo iných telesných štruktúr.
• Hektokotylové rameno hlavonožcov slúži na prenos spermií a môže sa dokonca oddeliť od tela samca.

Typickým príkladom sú pterygopody u žralokov, gonopódium u živorodých rýb, párový hemipenis plazov alebo hektokotylové rameno hlavonožcov.

Spermatofory

Niektoré živočíchy s vnútorným oplodnením však pevné kopulačné orgány nemajú. Namiesto toho samce vytvárajú spermatofory.

Spermatofory sú slizovité, často chitinózne puzdrá a nosiče spermií. Samce ich umiestňujú buď priamo do tela samice, alebo do vonkajšieho prostredia, odkiaľ si ich samica sama nasaje alebo zavedie do pohlavného otvoru.

Využívajú to mnohé druhy pavúkovcov, stonožiek, hmyzu, pijavice, ale aj stavovce ako mloky.

Z evolučného hľadiska sa odkladanie spermatofórov do prostredia považuje za dôležitý prechodový stupeň medzi mimotelovým a vnútrotelovým oplodnením.

Vtáky

Špecifickým prípadom sú vtáky. Zväčša nemajú penis a spermie si partneri odovzdávajú len priložením a pritlačením svojich kloák.

Vnútorné oplodnenie u vybraných skupín živočíchov

Bezstavovce

Vnútorné oplodnenie je typické pre väčšinu suchozemských bezstavovcov. Prenos spermií môže prebiehať kopuláciou, pomocou špecializovaných orgánov alebo prostredníctvom spermatoforov.

Niektoré druhy pavúkovcov, stonožiek, hmyzu a pijavíc používajú spermatofory, ktoré samce umiestňujú na telo samice alebo do prostredia.

Pri niektorých skupinách sa vnútorné oplodnenie spája s hermafroditizmom. Dážďovky a slimáky pri kopulácii často vymieňajú spermie, pretože samčie a samičie bunky nedozrievajú naraz.

Drsnokožce

Drsnokožce patria medzi živočíchy s vnútorným oplodnením. Samce využívajú pterygopody, teda premenené brušné plutvy, ktorými prenášajú spermie do pohlavných ciest samice.

Plazy

Plazy sa rozmnožujú vnútorným oplodnením. U šupinatých plazov sa pri prenose spermií využíva párový hemipenis.

Vnútorné oplodnenie umožňuje plazom rozmnožovať sa na súši bez potreby voľnej vody, v ktorej by sa gaméty stretli.

Vtáky

Vtáky majú vnútorné oplodnenie, hoci väčšina samcov nemá penis. K prenosu spermií dochádza priložením a pritlačením kloák.

Po oplodnení samica kladie vajíčko mimo tela. Vajíčko je obalené bielkom, papierovitými blanami a škrupinou.

Cicavce

Cicavce sa takmer výlučne rozmnožujú pohlavne a oplodnenie prebieha vnútri tela samice. Spermie sa prenášajú penisom do pohlavných ciest samice.

Vajíčka cicavcov obsahujú pomerne málo žĺtka, pretože vyvíjajúci sa zárodok získava živiny z tela matky prostredníctvom placenty.

Vývin zárodku po vnútornom oplodnení

Individuálny vývin živočícha sa nazýva ontogenéza a zahŕňa celý jeho životný cyklus. Ontogenéza sa začína oplodnením vajíčka a končí sa smrťou.

Ontogenéza zahŕňa obdobie od splynutia gamét a vzniku zygoty až po vyliahnutie alebo narodenie nového jedinca. Je obdobím, ktoré je rozhodujúce pre organizáciu - vnútorné usporiadanie a stavbu tela jedinca.

Na 3.-5. deň sa zárodok dostane ako gastrula do maternice (uterus). Zárodok sa vnára do mäkkej, mokom presiaknutej sliznice - nastáva zahniezdenie (nidácia), až ho sliznica úplne ponorí.

Z trofoblastu sa vytvára vonkajší plodový obal chorion. Ten vytvára výbežky a z nich sa vytvára orgán placenta, nazývaný aj plodový koláč.

V placente sú cievy matky aj plodu. S placentou je plod spojený pupočnou šnúrou, v ktorej sú cievy a žily vstupujúce do placenty, ale krv matky sa s krvou dieťaťa nemieša.

Prvé mesiace ide o zárodok (embryo), na začiatku 3. mesiaca, keď už funguje placenta aj niektoré orgány, ide o plod (foetus).

Vnútorné oplodnenie a spôsob vývinu mláďat

Po oplodnení sa mláďatá môžu vyvíjať rôznymi spôsobmi. Samotné vnútorné oplodnenie neznamená vždy rovnaký spôsob príchodu mláďaťa na svet.

Vajcorodosť

Vajcorodosť (oviparia) je spôsob rozmnožovania, pri ktorom samice kladú vajíčka, ktoré sa vyvíjajú mimo tela matky. Mláďatá sa vyliahnu z vajec po určitom inkubačnom čase.

Vajcorodosť je typická pre väčšinu vtákov a plazov, ale vyskytuje sa aj u niektorých ďalších skupín živočíchov.

Živočíchy s vonkajším oplodnením, ktoré sa vyvíjajú mimo tela, majú vajíčka s dostatkom žĺtka a obalené ochrannými vrstvami, napríklad bielkovinovými, rôsolovitými, kožovitými alebo vápenatými.

Vajcoživorodosť

Vajcoživorodosť (ovoviviparia) predstavuje prechodný medzistupeň medzi vajcorodosťou a živorodosťou. Vajíčka sa vyvíjajú a liahnu vo vnútri tela matky, ale mláďatá dostávajú výživu iba z vajíčka, nie priamo od matky.

Živorodosť

Viviparia je spôsob rozmnožovania, pri ktorom sa mláďatá vyvíjajú priamo v tele matky a rodia sa živé, teda nie v podobe vajec.

Matka poskytuje mláďatám živiny počas ich vývinu. Živorodosť je typická pre väčšinu cicavcov, ale vyskytuje sa aj u niektorých druhov hadov, jašteríc a žralokov.

Vajíčko a množstvo žĺtka

Podľa množstva a lokalizácie žĺtka delíme vajíčka na viaceré typy.

• Oligolecitálne a izolecitálne vajíčka obsahujú pomerne málo žĺtka, ktoré je rovnomerne rozložené po celej cytoplazme.
• Mezolecitálne a heterolecitálne vajíčka majú žĺtok koncentrovaný na jednom konci, ktorý nazývame vegetatívny pól.
• Polylecitálne vajíčka obsahujú veľké množstvo žĺtka.
• Telolecitálne vajíčka majú žĺtok, ktorý zapĺňa dominantnú časť alebo takmer celé vajíčko.
• Centrolecitálne vajíčka sú typické pre hmyz; jadro s malým množstvom cytoplazmy sa nachádza v strede.
• Alecitálne vajíčka sú takmer úplne bez zásobného žĺtka.

Množstvo žĺtka ovplyvňuje dĺžku a spôsob embryonálneho vývinu. Živočíchy, ktorých zárodok sa vyvíja mimo tela matky, zvyčajne potrebujú vajíčka s väčším množstvom zásobných látok a s ochrannými obalmi.

Gonochorizmus a hermafroditizmus

Gonochorizmus

Gonochorizmus, teda jednopohlavnosť, znamená, že jedinec produkuje buď samčie, alebo samičie pohlavné bunky. Väčšina živočíchov patrí medzi gonochoristy a je oddeleného pohlavia.

Pre väčšinu živočíchov platí, že sú oddeleného pohlavia, teda majú buď len samčie, alebo len samičie pohlavné orgány, v ktorých sa vyvíjajú pohlavné bunky.

Hermafroditizmus

Hermafroditizmus alebo obojpohlavnosť je stav, pri ktorom jedinec produkuje samčie aj samičie pohlavné bunky. Niekedy je dokonca pre obe pohlavia vytvorená spoločná obojpohlavná žľaza nazývaná ovotestis.

Hermafroditizmus predstavuje skôr ekologickú adaptáciu na prostredie. Vyskytuje sa najčastejšie v prípadoch, keď je populácia veľmi riedka, keď majú živočíchy obmedzenú pohyblivosť alebo vedú parazitický spôsob života.

Súčasný hermafroditizmus znamená, že vajíčka a spermie sa v tele tvoria a dozrievajú naraz. Živočích má však vyvinuté mechanizmy, ktoré aktívne zabraňujú samooplodneniu.

Využívajú to napríklad ploskulice, dážďovky či slimák záhradný, ktoré si spermie pri kopulácii navzájom vymenia.

Postupný hermafroditizmus znamená, že jedinec počas života cielene mení pohlavie. Ak funguje najprv ako samec a neskôr sa fyziologicky stáva samicou, nazýva sa to proterandria. Ak je to naopak a zo samice sa neskôr stane samec, ide o proterogyniu.

Primárne a sekundárne pohlavné znaky

Pohlavné znaky u živočíchov zohrávajú dôležitú úlohu v ich reprodukčnom správaní a podieľajú sa na odlišovaní samcov od samíc, čím priamo prispievajú k vzniku pohlavnej dvojtvárnosti (sexuálneho dimorfizmu).

Primárne pohlavné znaky

Primárne pohlavné znaky sú priamo spojené s rozmnožovacím systémom a orgánmi. Predstavujú základné reprodukčné štruktúry nevyhnutné pre tvorbu a prenos gamét.

Patria sem samotné pohlavné žľazy, teda vaječníky a semenníky. K primárnym znakom radíme aj vývody týchto žliaz a všetky prídavné žľazy, napríklad prostatu, ktoré vylučujú látky potrebné pre bezpečné oplodnenie alebo úspešný vývin zárodku.

Sekundárne pohlavné znaky

Sekundárne pohlavné znaky zahŕňajú rôzne fyzické, morfologické a behaviorálne charakteristiky, ktoré navonok odlišujú samce od samíc. Prispievajú k rozmnožovaciemu úspechu, ale nie sú priamo spojené so samotnou produkciou gamét.

Medzi sekundárne pohlavné znaky patria sfarbenie peria alebo srsti, hriva leva, chvost páva, parohy u samcov cicavcov, pachové žľazy, žiarivé sfarbenie samcov rýb v období neresu, svadobné tance a sezónne zmeny sfarbenia.

U stavovcov sú sekundárne pohlavné znaky ovplyvňované najmä hormónmi, u hmyzu sú často geneticky determinované.

Rozdiel medzi vnútorným oplodnením a umelým oplodnením

Vnútorné oplodnenie je prirodzený biologický proces, ktorý prebieha v organizme samice. Umelé oplodnenie je medicínska metóda, pri ktorej sa oplodnenie alebo transport spermií uskutočňuje pomocou lekárskych postupov.

Umelé oplodnenie, teda in vitro fertilizácia (IVF), je laboratórna metóda, ktorá má zabezpečiť otehotnenie, ak to prirodzenou cestou nejde. Patrí k najúspešnejším metódam reprodukčnej medicíny.

IVF

Pri IVF sa žene odoberú vajíčka a mužovi spermie. Mimo tela ženy dôjde k oplodneniu vajíčok spermiami a vzniká embryo. Embryo sa vkladá do maternice, kde by sa malo uhniezdiť.

Pri IVF je dobrá pohyblivosť spermie dôležitá, keďže musí sama vojsť do vajíčka. IVF patrí k invazívnejším a časovo aj finančne náročnejším metódam.

ICSI

Intracytoplazmatická fertilizácia ICSI sa používa, ak sa pomocou IVF nedarí otehotnieť. Ihlou sa dopomôže spermii vojsť do vajíčka, čo sa vykonáva v laboratóriu.

Inseminácia

In vitro inseminácia je menej invazívnou metódou. Základom je vstreknutie ejakulátu priamo do dutiny maternice počas ovulácie, aby sa čo najviac skrátila cesta, ktorú musí spermia pri oplodnení prekonať.

Celý cyklus IVF trvá približne 4 až 6 týždňov. Pred začatím liečby treba počítať s tým, že žiadna z metód asistovanej reprodukcie nie je stopercentná.

Umelé oplodnenie patrí medzi drahšie metódy liečby neplodnosti a jeho ceny sa pohybujú od 800-1500 eur na jeden IVF cyklus.

Význam vnútorného oplodnenia

Vnútorné oplodnenie zvyšuje ochranu gamét a znižuje ich straty v prostredí. Spermie sa dostávajú priamo do pohlavných ciest samice, takže nie sú odkázané na náhodné stretnutie vo veľkom priestore.

V porovnaní s vonkajším oplodnením nie je potrebné uvoľniť do prostredia obrovské množstvo gamét, aby sa aspoň časť z nich úspešne spojila.

Vnútorné oplodnenie zároveň umožňuje rozmnožovanie na súši, kde by voľne uvoľnené spermie a vajíčka rýchlo vyschli. S jeho rozvojom sa spájajú aj ďalšie adaptačné znaky, napríklad kopulačné orgány, spermatofory, ochranné obaly vajíčok, vajcorodosť, vajcoživorodosť a živorodosť.

Na rozdiel od nepohlavného spôsobu reprodukcie vedie pohlavné rozmnožovanie ku genetickej premenlivosti potomstva. Pohlavné rozmnožovanie väčšinou vytvára organizmus s novou, unikátnou genetickou výbavou, ktorá nikdy nie je úplne totožná s genetickou výbavou rodičov.

Výhodou pohlavného rozmnožovania je rôznorodosť vzniknutého potomstva, ktorá umožňuje jedincom rovnakého druhu reagovať na faktory prostredia odlišne a obsadiť širšiu ekologickú niku.

Nevýhodou pohlavného rozmnožovania je jeho relatívna pomalosť v porovnaní s nepohlavným. Jedince sa môžu pohlavne rozmnožovať až po dosiahnutí pohlavnej dospelosti a pohlavné rozmnožovanie často vyprodukuje menší počet jedincov.

tags: #vnutorne #ajsie #oplodnenie