1. Назначение пособия
Пособие предназначено для использования в качестве демонстрационного материала в 10 классе средней общеобразовательной школы в курсе общей биологии, на уроках по цитологии и основам генетики.
2. Устройство пособия
Пособие включает в себя 21 карточку с изображениями циклов сперматогенеза и овогенеза, а также оплодотворения и формирования зиготы, с символами мужского и женского полов.
Все карточки покрыты матовой антибликовой ламинирующей пленкой и снабжены магнитным креплением, позволяющим монтировать приведенную ниже схему на магнитной доске или экране.
Комплектация
- Карточки с изображениями стадий сперматогенеза – 8 шт. (№ И1, И3, И5, И7, И9, И10)
- Карточки с изображениями стадий овогенеза – 5 шт. (№ И2, И4, И6, И8, И11)
- Карточки с изображением оплодотворения и формирования зиготы – 4 шт. (И12- И15)
- Карточки с символами мужского и женского полов (И16, И17)
- Схема сборки модели
3. Методика работы с моделью
- Объяснить в общих чертах тему занятия учащимся. Задать вопрос: 'Какие фазы гаметогенеза вы можете назвать?' (Фаза размножения, фаза роста, фаза созревания).
- Задать вопросы:
1) Какой тип деления характерен для клеток в фазе размножения? (митоз)
2) Какой набор хромосом в этих клетках? (2n, диплоидный)
Прикрепить к доске карточки клеток предшественников сперматозоидов (И1) и яйцеклеток (И2) с диплоидным набором хромосом, написать на доске (экране) рядом с карточками: 'фаза размножения'. Объяснить, что у человека в диплоидном наборе 46 хромосом, 22 пары аутосом, одна пара половых хромосом. На рисунке это изобразить трудно, поэтому на схеме изображено только 3 пары хромосом: 2 пары аутосом (хромосом одинаковых у мужчин и женщин) и одна пара половых хромосом. Половые хромосомы женщины называются Х, они имеют два плеча. Половые хромосомы мужчины Х и У. У-хромосома, в отличие от Х, меньшего размера, и имеет одно плечо.Показать на карточках в каждой клетке по 2 пары аутосом и половые хромосомы, обращая внимание на их морфологию.
- Задать вопрос учащимся: 'Что происходит с клетками в гаметогенезе в фазе роста?' (Они готовятся к мейозу, в них удваивается количество молекул ДНК, клетки увеличиваются в размерах, в созревающих яйцеклетках накапливаются запасы питательных веществ).
Прикрепить к доске, справа от надписи 'фаза роста' две карточки, соответствующие начальным стадиям сперматогенеза (И3) и овогенеза (И4). Ниже поместить карточки, изображающие начало 'фазы созревания' (И5 и И6). На этих карточках хромосомы должны быть удвоены, то есть состоять из двух хроматид.
Обратить внимание учащихся - хромосомы двойные, они подготовлены к мейозу. Карточка с клеткой предшественницей сперматозоида меньше, чем карточка будущей яйцеклетки. Подчеркнуть, что на самом деле разница их размеров гораздо больше, в тысячу раз.
- Задать вопросы:
1) Каким делением делятся клетки в фазе созревания?
2) Сколько клеток образуется из одной в результате мейоза?Ниже следует 4 карточки со сперматозоидами (И9) и 1 карточку с изображением зрелой яйцеклетки и полярных клеток (И10).
Задать вопрос: 'Какой набор хромосом в клетках после мейоза?' (Гаплоидный).
Обратить внимание учащихся на количество хромосом в клетках на соответствующих карточках. Было по 6 хромосом, по 3 пары, стало 3 хромосомы, по одной хромосоме из каждой пары. Были хромосомы двойные, стали одинарные. В каждой клетке было 2n, 4с, стало 1n, 1с.
Обратить внимание, что 2 сперматозоида содержат Х-хромосому, а другие два - У-хромосому. Яйцеклетка содержит только Х-хромосому.
Сделать вывод: в результате гаметогенеза образуются зрелые половые клетки сперматозоиды и яйцеклетки.
- На доске (экране) пишется: 'оплодотворение и развитие зиготы'. Справа от надписи прикрепить две карточки процесса оплодотворения (слияния гамет) с возможным сочетанием половых хромосом ХХ (И11) и ХУ (И12). Обратить внимание учащихся, что разные половые хромосомы могут прийти только со стороны отца, так как именно сперматозоиды отличаются друг от друга содержанием половых хромосом.
Под каждой из карточек, изображающих процесс слияния половых клеток, прикрепить карточку зиготы с диплоидным набором хромосом (И13 и И14). Диплоидный набор 2n = 6 = 3 x 2. В зиготе следует учитывать соответствующий набор половых хромосом, сложившийся в процессе оплодотворения.
Вопросы учащимся:
- Что такое гомологичные хромосомы? Покажите их в зиготе.
- Сколько отцовских и материнских хромосом в каждой из двух зигот?
- Какие половые хромосомы в левой зиготе? Какие в правой?
- Каким делением будет делиться зигота, для того, чтобы развивался плод?
- В каком процессе определяется пол будущего ребенка? (Оплодотворение).
- От кого из родителей зависит пол будущего ребенка?
- В чем преимущество полового размножения? (Биологическое разнообразие генетического материала).Для закрепления разобранного материала следует задать учащимся обобщающие вопросы.
- В чем различие овогенеза и сперматогенеза?
- В чем биологическое значение большого объема яйцеклетки?
- Сравнить количество сперматозоидов и яйцеклеток, образующихся у мужских и женских особей. В чем биологическое значение этого явления?
- Что общего в овогенезе и сперматогенезе?
4. Теория вопроса
Половые клетки называются гаметами, а процесс образования гамет называется гаметогенезом. Мужские гаметы - сперматозоиды, женские гаметы - яйцеклетки (или яйца). Образование сперматозоидов называется сперматогенезом, образование яйцеклеток называется овогенезом.
Гаметы развиваются в половых железах. Мужскими половыми железами являются семенники, а женскими половыми железами называются яичники.
Развитие половых клеток связано с разделением полов в процессе эволюции и возникновением полового размножения. Разделение полов имеет очевидные эволюционные преимущества. Раздельнополость создает возможность специализации родителей по строению и поведению. Наряду с этим возникает новый эволюционный фактор - половой отбор, который способствует развитию различных форм заботы о потомстве. Самцы могут выполнять функции по охране семьи, охоте, участвовать вконкуренции за самку. Половое размножение есть и у животных , и у растений. Некоторые черты гаметогенеза сходны у всех эукариот.
Все гаметы гаплоидны, число хромосом равно n, количество молекул ДНК равно количеству хромосом, но его принято обозначать маленькой буквой латинского алфавита 'с'. Каждая гамета содержит одну половую хромосому и набор аутосом. Гаплоидный набор хромосом (n) образуется в клетках в результате особого клеточного деления - мейоза, при котором из одной диплоидной клетки получается 4 гаплоидных. Мейоз одинаково идет и в клетках растений, и в клетках животных.
Еще одна общая черта для гаметогенеза всех живых организмов состоит в том, что сперматозоиды по размерам клетки небольшие, а яйцеклетки - крупные, в сотни и тысячи раз больше сперматозоидов. Большие размеры яйцеклеток связаны с тем, что в их цитоплазме накапливается запас питательных веществ, необходимый для развития зародыша. Созревание яйцеклеток обычно сопровождается своеобразным делением цитоплазмы по завершении мейоза. Образуются четыре клетки, но одна из них крупная, она содержит весь запас питательных веществ, это будущая яйцеклетка, а три другие клетки - маленькие с тонким слоем цитоплазмы вокруг ядра. Три маленькие клетки являются вспомогательными, они не принимают участия в оплодотворении.
Таким образом, из одной клетки предшественницы сперматозоидов в результате мейоза образуются 4 зрелых мужских гаметы. Из одной клетки предшественницы яйцеклеток - только одна зрелая яйцеклетка, которая будет принимать участие в оплодотворении. Такое различие в процессе образования сперматозоидов и яйцеклеток имеет определенное биологическое значение. Сперматозоидов образуется во много раз больше, чем яйцеклеток. Это необходимо для обеспечения оплодотворения наибольшего числа яйцеклеток, а, следовательно, для сохранения вида.
В процессе образования гамет, как мужских, так и женских, выделяют три стадии: фазу размножения, фазу роста, фазу созревания.
Фаза размножения - это период, в котором предшественники половых клеток активно делятся путем митоза, их количество прогрессивно увеличивается. Эти клетки диплоидны, их набор хромосом 2n и количество ДНК 2с. Фаза размножения у мужских особей млекопитающих и человека начинается с раннего этапа эмбрионального развития и затухает к старости. Фаза размножения предшественников женских половых клеток также начинается с раннего эмбрионального периода. У низших позвоночных животных продолжается в течение всей жизни, а у млекопитающих, в том числе и у человека, этот период активно протекает лишь в началевнутриутробного развития, а затем прекращается, и количество клеток предшественников яйцеклеток больше не увеличивается.
Фаза роста связана с подготовкой клеток к вступлению в мейоз. В это время клетки увеличиваются в размерах. Прежде всего, у них возрастает объем ядра. В ядре происходит удвоение молекул ДНК (было 2с, станет 4с). Одновременно с этим удваивается каждая хромосома. Их количество остается диплоидным (2n), но каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных вместе первичной перетяжкой.
Фаза роста клеток предшественников яйцеклеток, помимо роста ядра сопровождается многократным ростом цитоплазмы, в которой накапливается большой запас питательных веществ. В значительной мере рост незрелых женских гамет осуществляется за счет веществ, образуемых другими клетками организма. В цитоплазме будущих яйцеклеток откладываются разнообразные белки в большом количестве, накапливаются РНК (информационные, транспортные) и рибосомы. Все эти вещества и структуры упаковываются в цитоплазме строго определенным образом. Такая упаковка направляет правильное развитие зародыша.
Фаза созревания начинается со вступления клеток в мейоз. В это время будущие гаметы имеют количество хромосом 2n, количество ДНК 4с. Мейоз протекает в две стадии. Сначала из одной клетки диплоидной (2n) образуются две гаплоидные (n)х2, но каждая хромосома состоит из двух хроматид, следовательно, содержит две молекулы ДНК (общее количество молекул ДНК в каждой клетке - 2с). Затем каждая гаплоидная клетка еще раз делится, при этом хромосомы распадаются на хроматиды. К полюсам в каждой клетке расходятся сестринские хроматиды каждой хромосомы. Количество хромосом остается гаплоидным (n), а количество ДНК уменьшается в 2 раза (с). В образовавшихся клетках хроматиды принимают на себя функции хромосом.
У особей мужского пола все четыре гаплоидные клетки, образовавшиеся в результате мейоза, преобразуются в сперматозоиды.
У особей женского пола цитоплазма будущих яйцеклеток делится неравномерно. Получается одна крупная клетка - яйцеклетка и 3 маленькие клетки с тонким ободком цитоплазмы вокруг ядра, которые вскоре погибают.
Оплодотворение - это сложный процесс, приводящий к слиянию яйцеклетки и сперматозоида, объединению их ядер и образованию диплоидной зиготы. Из зиготы впоследствии будет развиваться новый организм путем деления клеток митозом.
Генетическое значение процесса оплодотворения состоит в объединении гаплоидных наборов хромосом гамет двух родителей: отца и матери. Число хромосом: n + n = 2n, количество молекул ДНК 2с. Каждая хромосома состоит из одной хроматиды. В каждой паре гомологичных хромосом одна хромосома отцовская, другая - материнская. Процесс мейоза обеспечивает генетическое разнообразие гамет родителей, несмотря на количественное постоянство хромосомного набора.
В процессе оплодотворения определяется пол будущей особи. Рассмотрим это на примере человека. Мужчины во всех диплоидных клетках организма имеют половые хромосомы Х и У (ХУ). Во время мейоза у них образуется два типа гамет. Половина сперматозоидов содержит Х-хромосому, и половина - У-хромосому. У женщин в диплоидном наборе две половые Х-хромосомы (ХХ). В процессе мейоза они попадают в разные гаметы, и, каждая яйцеклетка содержит Х-хромосому. В процессе оплодотворения хромосомы яйцеклетки и сперматозоида объединяются в одном ядре. В зиготе возможны сочетания ХХ или ХУ. Наличие двух одинаковых половых хромосом ХХ обеспечивает развитие особи по женскому типу. Сочетание половых хромосом ХУ направляет развитие эмбриона по мужскому типу. Таким образом, количество мальчиков и девочек при рождении должно быть примерно одинаковым. Пол будущего ребенка зависит от отца.
Развитие яйцеклетки хордового животного (на примере ланцетника) рассматривается в модели-аппликации 'Переливание крови'.
5. Правила хранения
Хранить модель следует в сухом отапливаемом помещении, при температуре около 15-250С и влажности не более 80%.
После демонстрации рекомендуется проверить комплектность модели.