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fecondazione

obiettivi formativi

• Cos'è la fecondazione?
• Fecondazione esterna ed interna negli animali
• Quattro tipi di fertilizzazione nelle piante
• Processo di fecondazione negli animali e nelle piante

Cos'è la fecondazione?

La fecondazione è il processo mediante il quale i gameti maschili e femminili si fondono insieme, dando inizio allo sviluppo di un nuovo organismo.

Il gamete maschile o "sperma" e il gamete femminile "uovo" o "ovulo" sono cellule sessuali specializzate, che si fondono insieme per iniziare la formazione di uno zigote durante un processo chiamato riproduzione sessuale.

Tipi di fertilizzazione

Fecondazione negli animali

Il processo di fecondazione negli animali può avvenire sia internamente che esternamente, una differenza che è in gran parte determinata dal metodo di nascita. Gli esseri umani forniscono un esempio di fecondazione interna mentre la riproduzione del cavalluccio marino è un esempio di fecondazione esterna.

Fecondazione esterna

La fecondazione esterna di solito si verifica in ambienti acquatici in cui sia le uova che lo sperma vengono rilasciati nell'acqua. Dopo che lo sperma raggiunge l'uovo, avviene la fecondazione.

La maggior parte della fecondazione esterna avviene durante il processo di deposizione delle uova in cui una o più femmine rilasciano le uova e i maschi rilasciano lo sperma nella stessa area, contemporaneamente. Il rilascio del materiale riproduttivo può essere innescato dalla temperatura dell'acqua o dalla durata della luce del giorno. Quasi tutti i pesci depongono le uova, così come i crostacei (come granchi e gamberetti), i molluschi (come le ostriche), i calamari e gli echinodermi (come i ricci di mare e i cetrioli di mare).

Le coppie di pesci che non sono riproduttori trasmessi possono esibire comportamenti di corteggiamento . Ciò consente alla femmina di selezionare un particolare maschio. L'innesco per il rilascio di uova e spermatozoi (deposizione delle uova) fa sì che l'uovo e lo sperma vengano collocati in una piccola area, aumentando la possibilità di fecondazione.

La fecondazione esterna in un ambiente acquatico protegge le uova dall'essiccamento. La deposizione delle uova per trasmissione può comportare una maggiore miscelazione dei geni all'interno di un gruppo, portando a una maggiore diversità genetica e una maggiore possibilità di sopravvivenza delle specie in un ambiente ostile. Per gli organismi acquatici sessili come le spugne, la deposizione delle uova è l'unico meccanismo per la fecondazione e la colonizzazione di nuovi ambienti. La presenza delle uova fecondate e lo sviluppo dei giovani nell'acqua offre opportunità di predazione con conseguente perdita di prole. Pertanto, milioni di uova devono essere prodotte da individui e la prole prodotta con questo metodo deve maturare rapidamente. Il tasso di sopravvivenza delle uova prodotte attraverso la deposizione delle uova è basso.

Fecondazione interna

La fecondazione interna si verifica più spesso negli animali terrestri, sebbene anche alcuni animali acquatici utilizzino questo metodo. Ci sono tre modi in cui la prole viene prodotta dopo la fecondazione interna.

• Nell'oviparità, le uova fecondate vengono deposte all'esterno del corpo della femmina e lì si sviluppano, ricevendo nutrimento dal tuorlo che fa parte dell'uovo. Ciò si verifica nella maggior parte dei pesci ossei, in molti rettili, in alcuni pesci cartilaginei, nella maggior parte degli anfibi, in due mammiferi e in tutti gli uccelli. Rettili e insetti producono uova coriacee, mentre uccelli e tartarughe producono uova con alte concentrazioni di carbonato di calcio nel guscio, che le rende dure. Le uova di gallina sono un esempio di questo secondo tipo.

• Nell'ovoviparità, le uova fecondate vengono conservate nella femmina, ma l'embrione ottiene il suo nutrimento dal tuorlo dell'uovo ei piccoli sono completamente sviluppati quando vengono schiusi. Ciò si verifica in alcuni pesci ossei (come il guppy Lebistes reticulatus ), alcuni squali, alcune lucertole, alcuni serpenti (come il serpente giarrettiera Thamnophis sirtalis ), alcune vipere e alcuni animali invertebrati (come lo scarafaggio sibilante del Madagascar Gromphadorhina portentosa ).

• Nella viviparità i piccoli si sviluppano all'interno della femmina, ricevendo nutrimento dal sangue della madre attraverso una placenta. La prole si sviluppa nella femmina e nasce viva. Ciò si verifica nella maggior parte dei mammiferi, in alcuni pesci cartilaginei e in alcuni rettili.

La fecondazione interna ha il vantaggio di proteggere l'uovo fecondato dalla disidratazione a terra. L'embrione è isolato all'interno della femmina, il che limita la predazione sui giovani. La fecondazione interna migliora la fecondazione delle uova da parte di un maschio specifico. Con questo metodo vengono prodotti meno figli, ma il loro tasso di sopravvivenza è superiore a quello della fecondazione esterna.

Fertilizzazione nelle piante

La fecondazione nelle piante avviene dopo l'impollinazione e la germinazione. L'impollinazione avviene attraverso il trasferimento del polline - che sono i microgameti maschili delle piante da seme, che producono lo sperma - da una pianta allo stigma (l'organo riproduttivo femminile) di un'altra. Il granello di polline assorbe l'acqua e si verifica la germinazione.

Il granello di polline germinato fa germogliare un tubo pollinico, che cresce e penetra nell'ovulo (la struttura dell'uovo della pianta) attraverso un poro chiamato micropilo. Lo sperma viene quindi trasferito attraverso il tubo pollinico dal polline.

Nelle piante da fiore avviene un evento di fecondazione secondaria. Due spermatozoi vengono trasferiti da ciascun granello di polline, uno dei quali feconda la cellula uovo per formare uno zigote diploide. Il nucleo del secondo spermatozoo si fonde con due nuclei aploidi contenuti all'interno di un secondo gamete femminile chiamato cellula centrale. Questa seconda fecondazione forma una cellula triploide, che successivamente si gonfia e sviluppa un corpo fruttifero.

Autofecondazione

Il processo di fecondazione, che prevede la fecondazione incrociata tra gameti di due individui diversi, maschio e femmina, è chiamato allogamia. L'autogamia, nota anche come autofecondazione, si verifica quando due gameti di un individuo si fondono; questo si verifica negli ermafroditi, come i platelminti e alcune piante.

Processo di fecondazione

Fertilizzazione delle piante

La fusione di due unità riproduttive sessuali dissimili (gameti) è chiamata fecondazione. Questo processo è stato scoperto da Strasburger (1884).

1. GERMINAZIONE

Germinazione del granello di polline sullo stigma e crescita del tubo pollinico: i granelli di polline raggiungono lo stigma ricettivo del carpello mediante l'atto dell'impollinazione. I granelli di polline, dopo essersi attaccati allo stigma, assorbono l'acqua e si gonfiano. Dopo il mutuo riconoscimento e l'accettazione dei granuli di polline, il granello di polline germina (in vivo) per produrre un tubo pollinico che cresce in stigma verso la cavità ovarica.

GB Amici (1824) scoprì il tubetto pollinico in Portulaca oleracea. Generalmente, un solo tubo pollinico è prodotto da un granello pollinico (monosifono). Ma alcune piante come i membri delle Cucurbitacee producono molti tubi pollinici ( polisifoni ). Il tubo pollinico contiene un nucleo vegetativo o nucleo tubolare e due gameti maschili. Successivamente, la cellula vegetativa degenera. Il tubetto pollinico ora raggiunge l'ovulo dopo essere passato attraverso lo stilo.

2. ENTRATA DEL TUBO POLLINE NELL'ovulo

Dopo aver raggiunto l'ovaio, il tubo pollinico entra nell'ovulo. Il tubo pollinico può entrare nell'ovulo attraverso una delle seguenti vie:

un. Porogamia - Quando il tubo pollinico entra nell'ovulo attraverso il micropilo, si chiama porogamia . È il tipo più comune, ad esempio Lily

b. Calazogamia - L'ingresso del tubo pollinico nell'ovulo dalla regione del calazale è noto come calazogamia. La calazogamia è meno comune, ad esempio Casuarina, Juglans, Betula, ecc.

c. Mesogamia - Il tubo pollinico entra nell'ovulo attraverso la sua parte centrale, cioè attraverso il tegumento (es . Cucurbita, Populus ) o attraverso il funicolo (es. Pistacia ).

3. ENTRATA DEL TUBO POLLINE NEL SACCO EMBRIONALE

Il tubo pollinico entra nel sacco embrionale solo dall'estremità del micropilo, indipendentemente dalla sua modalità di ingresso nell'ovulo. Il tubo pollinico passa tra una sinergide e le cellule uovo o entra in una delle sinergidi attraverso l'apparato filiforme. Le sinergidi dirigono la crescita del tubo pollinico secernendo alcune sostanze chimiche ( secrezione chemiotropica ). La punta del tubo pollinico entra in una sinergia. La sinergia penetrata inizia a degenerare. Dopo la penetrazione, la punta del tubo pollinico si allarga e si rompe rilasciando nella sinergia la maggior parte del suo contenuto, compresi i due gameti maschili e il nucleo vegetativo.

4. DOPPIA CONCIMAZIONE

I nuclei di entrambi i gameti maschili vengono rilasciati nel sacco embrionale. Un gamete maschile si fonde con l'uovo per formare lo zigote diploide. Il processo è chiamato syngamy o fecondazione generativa.

Lo zigote diploide si sviluppa infine in un embrione. L'altro gamete maschile si fonde con i due nuclei polari (o nucleo secondario) per formare il nucleo dell'endosperma primario triploide. Il processo è chiamato tripla fusione o fecondazione vegetativa. Questi due atti di fecondazione costituiscono il processo della doppia fecondazione. La doppia fecondazione si verifica solo nelle angiosperme.

Processo di fecondazione negli animali

La fecondazione è il processo in cui un singolo spermatozoo aploide si fonde con un singolo uovo aploide per formare uno zigote. Lo sperma e le cellule uovo possiedono ciascuna caratteristiche specifiche che rendono possibile questo processo.

L'uovo è la cellula più grande prodotta nella maggior parte delle specie animali. Una cellula uovo umana è circa 16 volte più grande di uno spermatozoo umano. Le uova di specie diverse contengono quantità variabili di tuorlo , sostanze nutritive per sostenere la crescita dell'embrione in via di sviluppo. L'uovo è circondato da uno strato di gelatina , composto da glicoproteine (proteine a cui sono attaccati gli zuccheri), che rilascia sostanze chemiotattiche (attrattori chimici) specie-specifiche che guidano lo sperma all'uovo. Nei mammiferi, questo strato è chiamato zona pellucida . Nei mammiferi placentari, uno strato di cellule follicolari circonda la zona pellucida. Lo strato di zona pellucida/gelatina è separato dall'uovo da una membrana chiamata busta vitellina , che si trova all'esterno della membrana plasmatica della cellula. Appena sotto la membrana plasmatica dell'uovo ci sono granuli corticali, vescicole contenenti enzimi che degradano le proteine che trattengono l'involucro vitellino attorno alla membrana plasmatica quando avviene la fecondazione.

Lo sperma è una delle cellule più piccole prodotte nella maggior parte delle specie animali. Lo sperma è costituito da una testa contenente DNA compatto, una coda flagellare per nuotare e molti mitocondri per fornire energia al movimento dello sperma. La membrana plasmatica dello sperma contiene proteine chiamate bindin, che sono proteine specifiche della specie che riconoscono e si legano ai recettori sulla membrana plasmatica dell'uovo. Oltre al nucleo, la testa dello spermatozoo contiene anche un organello chiamato acrosoma, che contiene enzimi digestivi che degradano lo strato gelatinoso/zona pellucida per consentire allo sperma di raggiungere la membrana plasmatica dell'uovo.

Per garantire che la prole abbia un solo set diploide completo di cromosomi, solo uno spermatozoo può fondersi con un uovo. La fusione di più di uno spermatozoo con un uovo o polispermia è geneticamente incompatibile con la vita e provoca la morte dello zigote. Esistono due meccanismi che prevengono la polispermia: il "blocco rapido" alla polispermia e la polispermia a "blocco lento".

Quanto sopra e gli altri passaggi della fecondazione sono discussi di seguito:

• Lo sperma è attratto e contatta lo strato gelatinoso/zona pellucida.
• Le interazioni tra i recettori sulla cellula spermatica e le glicoproteine sulla cellula uovo avviano la reazione acrosomiale. Gli enzimi digestivi vengono rilasciati dall'acrosoma e distruggono lo strato di gelatina/zona pellucida creando così un percorso attraverso il quale lo sperma si avvicina all'uovo.
• Lo sperma raggiunge la membrana plasmatica dell'uovo e le membrane plasmatiche dello sperma e dell'uovo si fondono. Questa interazione è mediata dalle proteine bindina dello sperma, che si legano alle proteine del recettore legante sulla membrana plasmatica dell'uovo. Questa interazione è specie-specifica, con versioni leggermente diverse della proteina bindina e delle proteine del recettore della bindina in ogni specie diversa.
• La fusione delle membrane dello sperma e dell'uovo avvia la depolarizzazione elettrica dell'intera membrana plasmatica dell'uovo, impedendo temporaneamente (per 10-20 secondi) a qualsiasi altro spermatozoo di fondersi con la membrana plasmatica dell'uovo. Questa depolarizzazione della membrana, mediata da un afflusso di ioni sodio, è il blocco rapido della polispermia.
• La depolarizzazione della membrana avvia un'onda incrociata di calcio rilasciato attraverso la membrana plasmatica.
• L'onda di calcio avvia la reazione corticale nell'uovo: i granuli corticali si fondono con la membrana plasmatica dell'uovo, rilasciando enzimi digestivi che degradano le proteine del recettore della bindina che fungono da siti di attracco dello sperma e le proteine che trattengono lo strato vitellino contro la membrana plasmatica.
• La reazione corticale provoca il sollevamento dello strato vitellino dalla membrana plasmatica dell'uovo, per creare l'involucro della fecondazione. L'involucro della fecondazione è una barriera che impedisce agli spermatozoi aggiuntivi di raggiungere l'ovulo ed è il lento blocco della polispermia.
• Gli eventi culminano nell'attivazione dell'uovo, facendo sì che l'uovo riconosca che si è verificata la fecondazione e con conseguente inizio dello sviluppo.