Искусственное оплодотворение и репродуктивные технологии

Один выдающийся бык может стать отцом сотен тысяч телят, а корова-рекордистка — матерью десятков потомков в год вместо одного. Бездетные семьи получают возможность иметь детей. Зародыши хранятся в жидком азоте годами и перевозятся через океан вместо живых животных. Всё это — репродуктивные биотехнологии: искусственное осеменение, получение зародышей вне организма, их пересадка и замораживание. Это седьмая статья серии «Биотехнология».

• 1. О чём идёт речь
• 2. Искусственное осеменение в животноводстве
• 3. Трансплантация зародышей
• 4. Экстракорпоральное оплодотворение у человека
• 5. ИКСИ: один сперматозоид на яйцеклетку
• 6. Замораживание половых клеток и зародышей
• 7. Генетическая диагностика зародышей
• 8. Как выращивают зародыш вне организма
• 9. Что дали репродуктивные технологии животноводству
• 10. Репродуктивные технологии и охрана редких видов
• 11. Этические и правовые вопросы
• 12. История репродуктивных технологий
• 13. Что нужно помнить о половых клетках
• 14. Словарь темы
• 15. Половой цикл и управление им
• 16. Репродуктивные технологии в нашей стране
• 17. Почему возникает бесплодие
• 18. Что впереди
• 19. Как работает станция искусственного осеменения
• 20. Связь с другими темами курса
• 21. Особенности у разных видов животных
• 22. Искусственное оплодотворение в рыбоводстве
• 23. Тема в числах
• 24. О чём спорят
• 25. Путь зародыша: от донора к телёнку
• 26. Микроманипуляции: как работают с одной клеткой
• 27. Что говорит закон
• 28. Биологическая основа: что происходит при оплодотворении
• 29. Зачем это знать
• 30. Итог: что важно знать
• 31. Частые ошибки
• 32. Интересные факты
• 33. Частые вопросы
• 34. ЕГЭ
• 35. Для олимпиад
• 36. Задания с разбором
• Литература

1. О чём идёт речь

Кодификатор называет среди элементов биотехнологии «искусственное оплодотворение» [1]. За этими двумя словами стоит целая группа методов — их называют вспомогательными репродуктивными технологиями.

Обратите внимание на терминологию. В русском языке «искусственное осеменение» и «искусственное оплодотворение» — разные вещи: первое означает введение спермы, второе — соединение половых клеток вне организма. В кодификаторе использовано выражение «искусственное оплодотворение» в широком смысле, охватывающем обе группы методов.

Все они опираются на одно и то же: половые клетки и ранние зародыши можно какое-то время поддерживать живыми вне организма — то есть на культуру клеток, о которой шла речь в предыдущих статьях.

2. Искусственное осеменение в животноводстве

Искусственное осеменение — введение заранее полученной и подготовленной спермы в половые пути самки. Этот метод полностью изменил животноводство XX века.

Как это устроено

1. Получение спермы от проверенного производителя на станции искусственного осеменения.
2. Оценка качества: объём, концентрация, подвижность и строение сперматозоидов.
3. Разбавление специальной средой с питательными веществами, буфером и защитными добавками. Одна порция спермы быка разбавляется так, что её хватает на сотни осеменений.
4. Фасовка в тонкие пластиковые соломинки с маркировкой.
5. Замораживание в парах жидкого азота и хранение при −196 °С.
6. Осеменение: соломинку оттаивают, сперму вводят в матку коровы в период охоты.

Что это даёт

• Ускорение селекции. Лучший производитель оставляет не десятки, а десятки тысяч потомков; отбор по качеству производителей становится главным источником улучшения стада. Именно поэтому в молочном скотоводстве основной генетический прогресс идёт «через отцов».
• Экономия. Не нужно держать быков в каждом хозяйстве — это ещё и безопаснее: взрослый бык опасен для человека.
• Профилактика болезней. Не происходит прямого контакта животных, сперма проверяется на инфекции.
• Преодоление расстояний и времени. Замороженную сперму можно перевозить по миру и использовать спустя десятилетия после гибели производителя.
• Точный учёт. Известно происхождение каждого телёнка, что необходимо для племенной работы и оценки производителей по потомству.

Трудности

• Нужны обученные специалисты и точное определение времени охоты — иначе осеменение не даст результата.
• Сперма разных видов по-разному переносит замораживание: у быка и человека хорошо, у хряка и жеребца — хуже, поэтому в свиноводстве чаще используют охлаждённую, а не замороженную сперму.
• Массовое использование немногих производителей сокращает генетическое разнообразие породы и повышает уровень родства в популяции; за этим следят, ограничивая использование отдельных линий.

Сортировка по полу

Пол телёнка определяет сперматозоид: он несёт X- или Y-хромосому. Сперматозоиды с X-хромосомой содержат примерно на 4 % больше ДНК, чем с Y. Это различие позволяет разделить их: клетки окрашивают красителем, связывающимся с ДНК, и пропускают по одной через проточный цитофлуориметр, который измеряет свечение и отклоняет капли с нужными клетками. Так получают сперму, дающую до 90 % тёлочек, — в молочном хозяйстве это выгодно. Метод дорог и снижает оплодотворяющую способность спермы, поэтому применяется выборочно.

3. Трансплантация зародышей

Искусственное осеменение умножает потомство отцов. Но корова даёт одного телёнка в год — и выдающаяся мать оставляет за жизнь лишь несколько потомков. Эту границу снимает трансплантация зародышей [2].

Схема метода

1. Суперовуляция. Корове-донору вводят гормоны (фолликулостимулирующий гормон и другие), и вместо одной яйцеклетки созревает сразу несколько — в среднем 5–10, иногда больше.
2. Осеменение донора спермой выбранного быка.
3. Вымывание зародышей на 6–7-й день: через катетер в матку вводят стерильный раствор и собирают его обратно вместе с зародышами. Операция нехирургическая, корова не страдает.
4. Оценка зародышей под микроскопом: отбирают нормально развивающиеся.
5. Пересадка зародышей коровам-реципиентам, у которых половой цикл синхронизирован с донором, — или замораживание для хранения.
6. Вынашивание. Реципиент вынашивает телёнка, не передавая ему своих наследственных признаков: генотип телёнка определяется донором и быком.

Зачем это нужно

• От выдающейся коровы получают за год не одного, а 10–30 потомков.
• Ценные генотипы быстро размножаются; ускоряется улучшение стада «через матерей».
• Реципиентами могут быть обычные коровы — их материнские качества на наследственность телёнка не влияют.
• Замороженные зародыши удобно перевозить и хранить: вместо перевозки живых животных через границы перевозят соломинку с зародышами, что дешевле и безопаснее в отношении инфекций.
• Метод применяют и для сохранения редких пород и видов: зародыши редкого вида вынашивает самка близкого распространённого вида.

Получение зародышей вне организма

Сегодня всё чаще зародышей получают не вымыванием, а вне организма: яйцеклетки извлекают из яичников живых коров под контролем ультразвука (или из яичников с бойни), доращивают их в культуре до зрелости, оплодотворяют в чашке и доводят зародышей до стадии, пригодной для пересадки, за 7 дней. Так можно получать яйцеклетки от одной коровы регулярно, в том числе от стельной, и даже от телят, что ещё сильнее сокращает интервал между поколениями.

Близнецы и деление зародышей

Зародыш на ранней стадии можно разделить микроинструментом надвое, и из каждой половины разовьётся полноценный организм. Получаются монозиготные близнецы — генетически идентичные животные. Это удобно для опытов (сравнение двух условий на одинаковых животных) и позволяет удвоить число потомков от ценного зародыша. Такое деление — пример искусственного клонирования, не связанного с пересадкой ядер; подробнее о клонировании — в следующей статье серии.

4. Экстракорпоральное оплодотворение у человека

ЭКО (экстракорпоральное оплодотворение, «in vitro fertilization») — метод лечения бесплодия, при котором оплодотворение происходит вне организма.

Как это происходит

1. Стимуляция яичников. Гормональными препаратами добиваются созревания нескольких фолликулов вместо одного.
2. Пункция фолликулов. Под контролем ультразвука тонкой иглой извлекают яйцеклетки.
3. Оплодотворение. Яйцеклетки соединяют со сперматозоидами в чашке со средой либо вводят один сперматозоид в яйцеклетку микроиглой (ИКСИ) [3].
4. Культивирование. Зародыши развиваются в инкубаторе при 37 °С, в среде, воспроизводящей условия яйцевода, 3–5 суток — до стадии бластоцисты.
5. Перенос. Один зародыш (реже два) переносят в матку тонким катетером.
6. Остальные зародыши замораживают для последующих попыток.

Немного истории

Первая девочка, зачатая вне организма, родилась в Великобритании в 1978 г.; работу выполнили физиолог Роберт Эдвардс и врач Патрик Стептоу [4]. Путь к успеху занял более десяти лет и сопровождался резкой критикой. В 2010 г. Эдвардс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине (Стептоу к тому времени умер). В СССР первый ребёнок, зачатый с помощью ЭКО, родился в 1986 г. К настоящему времени в мире так родились миллионы детей.

Что важно понимать

• ЭКО не создаёт «новый генотип»: ребёнок получает гены родителей, как при обычном зачатии. Метод лишь помогает встретиться половым клеткам.
• Главные показания — непроходимость маточных труб, тяжёлые формы мужского бесплодия, некоторые гормональные нарушения, бесплодие неясного происхождения.
• Вероятность беременности за одну попытку зависит прежде всего от возраста женщины и обычно составляет от нескольких десятков процентов у молодых до единиц процентов после 42–43 лет.
• Перенос нескольких зародышей повышает шанс беременности, но ведёт к многоплодной беременности, опасной и для матери, и для детей. Поэтому современная практика — перенос одного зародыша, а остальных замораживают.

5. ИКСИ: один сперматозоид на яйцеклетку

При тяжёлых формах мужского бесплодия сперматозоидов слишком мало или они не способны проникнуть в яйцеклетку. В 1992 г. бельгийская группа показала, что беременность наступает, если ввести один сперматозоид прямо в цитоплазму яйцеклетки микроиглой [3]. Метод назвали ИКСИ — интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида.

Технически это выглядит так: яйцеклетку удерживают тонкой стеклянной пипеткой с отсосом, а другой, ещё более тонкой иглой диаметром несколько микрометров, прокалывают оболочку и мембрану и вводят обездвиженный сперматозоид. Всё происходит под микроскопом с микроманипуляторами, позволяющими двигать иглу с точностью до долей микрометра.

Что это изменило: мужское бесплодие перестало быть непреодолимым. Сперматозоиды можно получить даже при их отсутствии в эякуляте — прямо из ткани яичка.

О чём важно помнить: при естественном оплодотворении происходит отбор — до яйцеклетки добирается подвижный сперматозоид, способный преодолеть её оболочки. При ИКСИ этот отбор заменяет человек, оценивающий сперматозоид по виду и подвижности. Поэтому при тяжёлых формах мужского бесплодия перед процедурой проводят генетическое обследование: часть таких состояний связана с наследственными изменениями, которые могут передаться сыну.

6. Замораживание половых клеток и зародышей

Главная опасность при замораживании живых клеток — кристаллы льда: они разрывают мембраны и повреждают органоиды. Чем больше в клетке воды и чем она крупнее, тем опаснее. Яйцеклетка — самая крупная клетка организма, поэтому её замораживать труднее всего; сперматозоид мелкий и почти лишён цитоплазмы, поэтому переносит заморозку легко.

Два подхода

• Медленное замораживание. Клетки помещают в раствор криопротектора (глицерина, диметилсульфоксида), который частично замещает воду, и охлаждают примерно на 0,3–1 °С в минуту. Вода успевает выйти из клетки, и лёд образуется снаружи.
• Витрификация. Клетки обрабатывают очень концентрированным раствором криопротекторов и мгновенно погружают в жидкий азот. Вода не успевает кристаллизоваться и застывает в стеклообразном состоянии. Этот способ оказался намного эффективнее для яйцеклеток и зародышей и сегодня стал основным.

Размораживают быстро, в тёплой среде, а криопротектор постепенно вымывают, чтобы клетка не лопнула от резкого притока воды.

Зачем замораживают

• Сперма производителей — основа всей системы искусственного осеменения.
• Зародыши сельскохозяйственных животных — хранение и перевозка генетического материала.
• Зародыши при ЭКО — чтобы не стимулировать женщину повторно; замороженные зародыши дают не меньше шансов, чем «свежие».
• Половые клетки перед лечением, повреждающим репродуктивную систему (химиотерапия, облучение), — чтобы сохранить возможность иметь детей.
• Генетические криобанки редких пород и исчезающих видов: сохранённые клетки позволяют восстановить разнообразие даже спустя десятилетия.

Замораживание не останавливает время совсем: при −196 °С биохимические реакции практически прекращаются, но накапливаются повреждения от фонового излучения — очень медленно, за сотни и тысячи лет. Для практических целей это означает неограниченный срок хранения.

7. Генетическая диагностика зародышей

Если в семье есть риск передать тяжёлое наследственное заболевание, при ЭКО можно исследовать зародыш до переноса в матку. Это называют преимплантационным генетическим тестированием.

Как это делают: на 5-й день развития у бластоцисты берут несколько клеток наружного слоя (трофэктодермы, из которого развивается плацента, а не сам зародыш) и анализируют их ДНК. Зародыш при этом продолжает развиваться, а пока идёт анализ, его хранят замороженным.

Что выявляют:

• Моногенные болезни — если известна мутация в семье (муковисцидоз, спинальная мышечная атрофия, гемофилия и др.).
• Хромосомные аномалии — лишние или недостающие хромосомы; это частая причина остановки развития зародыша и невынашивания, особенно у женщин старшего возраста.
• Структурные перестройки хромосом, если один из родителей — носитель сбалансированной перестройки.

Законодательство разных стран ограничивает, что именно можно определять. Выбор пола по немедицинским причинам в большинстве стран, включая Россию, запрещён; разрешён он только когда болезнь сцеплена с полом. Отбор зародышей по признакам, не связанным со здоровьем, повсеместно считается недопустимым.

В животноводстве определение пола зародыша, наоборот, применяется свободно: на молочной ферме нужны тёлочки, в мясном скотоводстве чаще выгоднее бычки.

8. Как выращивают зародыш вне организма

Зародыш первых дней жизни — объект культуры клеток со своими требованиями.

• Среда воспроизводит состав жидкости яйцевода и матки: соли, аминокислоты, источники энергии (пируват и лактат на ранних стадиях, глюкоза — позже), белки, витамины. Состав среды меняют по мере развития: потребности зародыша на стадии дробления и на стадии бластоцисты различаются.
• Температура 37 °С, точно поддерживаемая, в том числе во время работы с чашкой под микроскопом.
• Газовая среда: около 5–6 % CO₂ для поддержания pH и пониженное содержание кислорода — около 5 %, как в яйцеводе, а не 20 %, как в воздухе. Избыток кислорода вреден: он усиливает образование активных форм кислорода.
• Покой и минимум воздействий: яркий свет, перепады температуры и pH, вибрации вредят зародышу. Современные инкубаторы со встроенными камерами позволяют наблюдать развитие, не вынимая чашку.

Стадии развития в чашке

Перенос на стадии бластоцисты позволяет отобрать зародышей, прошедших критический рубеж: примерно половина зародышей останавливается в развитии раньше, чаще всего из-за хромосомных нарушений.

9. Что дали репродуктивные технологии животноводству

Вместе с геномной селекцией — отбором по ДНК-маркёрам, о котором рассказывалось в статье серии «Доместикация и селекция» об отборе по генотипу, — репродуктивные технологии резко ускорили улучшение пород. Молочная продуктивность коров в развитом животноводстве за несколько десятилетий выросла более чем вдвое, и значительная часть этого прироста обеспечена именно селекцией, опирающейся на искусственное осеменение.

Оборотная сторона

• Сужение генетического разнообразия. Когда миллионы коров происходят от немногих быков, уровень родства в породе быстро растёт, а с ним — риск проявления вредных рецессивных аллелей. Поэтому ведут учёт родства и ограничивают использование отдельных линий.
• Односторонний отбор. Длительный отбор только по продуктивности ухудшал здоровье и плодовитость животных; сегодня в индексы отбора обязательно включают долголетие, здоровье вымени, лёгкость отёлов.
• Требования к условиям. Высокопродуктивное животное требовательно к кормлению и содержанию; без этого его потенциал не реализуется, а здоровье страдает.

10. Репродуктивные технологии и охрана редких видов

Для видов на грани исчезновения каждое животное и каждая половая клетка на счету. Здесь применяют те же методы, что в животноводстве, но с поправкой на незнание биологии конкретного вида.

• Криобанки («замороженные зоопарки») хранят сперму, яйцеклетки, зародыши и клетки кожи редких видов. Клетки кожи ценны тем, что из них можно получить iPS-клетки, а в перспективе — половые клетки.
• Искусственное осеменение применяют у хищников, копытных, птиц; оно позволяет обмениваться генами между зоопарками, не перевозя животных.
• Пересадка зародышей межвидовым реципиентам: зародыша редкого вида вынашивает самка близкого распространённого вида. Так получали потомство у диких кошачьих и у диких быков.
• Оплодотворение вне организма для видов, у которых осеменение неэффективно.

Главное ограничение — биология каждого вида изучена по-разному: циклы, гормональная регуляция, состав сред подбираются заново. Кроме того, технологии не решают основной проблемы — утраты мест обитания; они лишь дают время и помогают поддерживать генетическое разнообразие малых популяций.

11. Этические и правовые вопросы

Вмешательство в размножение человека регулируется строже, чем почти любая другая область биотехнологии.

• Статус зародыша. Вопрос о том, с какого момента зародыш подлежит защите, решается в разных странах по-разному; от ответа зависят правила хранения, использования в исследованиях и уничтожения зародышей. Во многих странах принято ограничение на культивирование зародыша вне организма сроком около двух недель развития.
• «Лишние» зародыши. При ЭКО часто получают больше зародышей, чем переносят. Их судьбу (хранение, передача другой паре, использование в исследованиях с согласия родителей, уничтожение) определяют родители в рамках закона.
• Донорство клеток и суррогатное материнство регулируются законом; в России суррогатное материнство разрешено с рядом ограничений, в части стран запрещено.
• Выбор признаков. Генетическая диагностика зародышей допускается для предотвращения тяжёлых болезней. Выбор пола и тем более «улучшение» признаков по желанию родителей не допускаются.
• Редактирование генома зародышей, предназначенных для беременности, запрещено подавляющим большинством стран: изменения передались бы потомкам, а последствия непредсказуемы.
• Доступность. Репродуктивные технологии дороги; вопрос о том, в какой мере их должно оплачивать государство, решается по-разному.

Общий принцип тот же, что и в других областях: технология сама по себе не говорит, как её применять. Границы задают закон, медицинская этика и обсуждение в обществе.

12. История репродуктивных технологий

• Конец XVIII в. — Ладзаро Спалланцани проводит искусственное осеменение собаки и получает щенков, а также изучает оплодотворение у земноводных.
• 1890 — Уолтер Хип впервые пересаживает зародышей кролика другой самке: рождаются крольчата, по признакам соответствующие донорам, а не реципиенту. Это доказало, что наследственность определяется зародышем, а не вынашивающей матерью [2].
• 1900–1930-е — И. И. Иванов в России разрабатывает практические приёмы искусственного осеменения сельскохозяйственных животных; метод начинает применяться в хозяйствах.
• 1949–1950-е — открытие защитного действия глицерина позволяет замораживать сперму; появляются станции искусственного осеменения, хранение в жидком азоте.
• 1951 — описание капацитации: сперматозоид приобретает способность оплодотворять яйцеклетку только после пребывания в половых путях самки. Это знание оказалось необходимым для оплодотворения вне организма.
• 1959 — Мин Чжэ Чан получает крольчат от оплодотворения вне организма, доказав, что метод работает у млекопитающих.
• 1978 — рождение первого ребёнка после ЭКО [4].
• 1980-е — промышленная трансплантация зародышей у крупного рогатого скота; первые успехи замораживания зародышей.
• 1986 — первый ребёнок после ЭКО в СССР.
• 1992 — ИКСИ [3].
• 1990-е — 2000-е — преимплантационная диагностика, витрификация яйцеклеток, сортировка спермы по полу.
• 2010 — Нобелевская премия Роберту Эдвардсу за разработку ЭКО.
• 2010-е — наши дни — получение зародышей вне организма у скота как рутинная технология, геномная селекция в сочетании с репродуктивными методами, успехи в получении половых клеток из стволовых клеток у лабораторных животных.

13. Что нужно помнить о половых клетках

Репродуктивные технологии работают с гаметами, поэтому напомним их особенности — на экзамене эти сведения спрашивают вместе с темой.

Отсюда несколько практических следствий:

• Митохондрии ребёнок получает от матери — с цитоплазмой яйцеклетки. Поэтому митохондриальные болезни наследуются по материнской линии, а в животноводстве линия митохондрий всегда «материнская».
• Запас яйцеклеток ограничен и закладывается до рождения. С возрастом женщины растёт доля яйцеклеток с нарушенным расхождением хромосом — отсюда снижение вероятности беременности и рост риска хромосомных аномалий. Технологии не отменяют это ограничение.
• Мейоз в яйцеклетке завершается только после оплодотворения — вот почему при ИКСИ иногда требуется искусственная активация.
• Сперматозоид приносит центриоль, необходимую для образования веретена деления зиготы (у человека и большинства млекопитающих).

14. Словарь темы

• Искусственное осеменение — введение подготовленной спермы в половые пути самки.
• Суперовуляция — гормонально вызванное созревание многих яйцеклеток.
• Донор и реципиент — животное, от которого получают зародышей, и животное, которое их вынашивает.
• Трансплантация зародышей — пересадка зародышей реципиенту.
• ЭКО — оплодотворение вне организма; ИКСИ — введение сперматозоида в яйцеклетку микроиглой.
• Капацитация — дозревание сперматозоида, без которого он не может оплодотворить яйцеклетку.
• Бластоциста — стадия зародыша с полостью, внутренней клеточной массой и трофэктодермой.
• Криопротектор — вещество, защищающее клетки при замораживании; витрификация — сверхбыстрое охлаждение без образования кристаллов льда.
• Преимплантационное генетическое тестирование — анализ клеток зародыша до переноса в матку.
• Синхронизация охоты — приведение полового цикла реципиентов в соответствие с циклом донора.

15. Половой цикл и управление им

Все репродуктивные технологии опираются на умение управлять половым циклом самки. Без этого ни осеменение, ни пересадка зародышей невозможны: нужно точно знать, когда созревает яйцеклетка и когда матка готова принять зародыша.

Как устроена регуляция

Цикл управляется цепочкой: гипоталамус выделяет рилизинг-гормон → гипофиз выделяет фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ) гормоны → яичник отвечает ростом фолликула, выделением эстрогенов, затем овуляцией и образованием жёлтого тела, выделяющего прогестерон. Прогестерон готовит матку к беременности и подавляет новый цикл; если беременность не наступила, жёлтое тело разрушается, и цикл повторяется.

Что это даёт на практике

• Синхронизация охоты. Группе коров вводят препараты простагландина или прогестерона — и они приходят в охоту почти одновременно. Это позволяет осеменить всю группу в один день, а при пересадке зародышей — подобрать реципиентов, чья матка находится в той же стадии, что и у донора. Если стадии не совпадут, зародыш не приживётся.
• Суперовуляция. Инъекции ФСГ в определённые дни цикла заставляют расти не один фолликул, а много.
• Вызов охоты вне сезона. У овец и коз размножение сезонное; гормональными методами и управлением световым днём получают ягнят вне обычного сезона.
• Контроль у человека. При ЭКО схемы стимуляции построены на том же: препараты ФСГ вызывают рост фолликулов, аналоги ЛГ запускают окончательное созревание яйцеклеток, а время пункции рассчитывают с точностью до часов.

Отсюда понятно, почему эти технологии требуют высокой квалификации: ошибка в сутки может свести на нет всю работу.

16. Репродуктивные технологии в нашей стране

Отечественная школа искусственного осеменения — одна из старейших в мире. Илья Иванович Иванов в начале XX в. разработал практические методы искусственного осеменения лошадей, овец и крупного рогатого скота; к 1930-м гг. метод применялся в хозяйствах страны в больших масштабах, раньше, чем во многих других странах. Работы по разбавлению и хранению спермы, по оценке её качества, по технике осеменения легли в основу мировой практики.

Сегодня в России:

• работают племенные предприятия (станции) по искусственному осеменению, поставляющие замороженную сперму быков;
• применяются трансплантация зародышей и получение зародышей вне организма в племенных хозяйствах;
• в молочном животноводстве используется геномная оценка быков;
• действует сеть центров ЭКО, лечение по ряду показаний входит в программу обязательного медицинского страхования;
• существуют криобанки для сохранения пород и редких видов.

Отдельная задача — сохранение отечественных пород (холмогорской, ярославской, романовской овцы и других): их численность сокращается под натиском высокопродуктивных импортных пород, и криобанки позволяют сберечь их генофонд.

17. Почему возникает бесплодие

Бесплодием называют отсутствие беременности в течение года регулярной половой жизни без предохранения. С ним сталкивается примерно каждая шестая-седьмая пара. Понимание причин объясняет, какой метод применяют в каждом случае.

Примерно в трети случаев причина связана с женским организмом, в трети — с мужским, в остальных — с обоими или остаётся неясной. Поэтому обследуют обоих партнёров.

Полезно помнить и о профилактике: на репродуктивное здоровье влияют инфекции, передающиеся половым путём (частая причина непроходимости труб), курение, избыточный вес, перегрев, некоторые профессиональные вредности, а также возраст — у женщин запас яйцеклеток ограничен и качество их с годами снижается.

18. Что впереди

• Отбор зародышей без биопсии. Разрабатываются методы, оценивающие зародыша по составу среды, в которой он растёт, или по видеозаписи его развития, — чтобы не брать клетки.
• Половые клетки из стволовых. У мышей уже удавалось получить из iPS-клеток яйцеклетки и сперматозоиды и родить потомство. Для человека это пока невозможно и вызывает серьёзные этические вопросы.
• Совершенствование сред и инкубаторов: системы с непрерывным наблюдением, «искусственный интеллект» для отбора зародышей.
• Сохранение фертильности у детей, получающих лечение от онкологических заболеваний: сохранение ткани яичника и яичка с последующей пересадкой.
• В животноводстве — сочетание геномной оценки, получения яйцеклеток у тёлок и трансплантации зародышей: это сокращает интервал между поколениями до года и менее.
• Для редких видов — межвидовое вынашивание, криобанки клеток кожи и попытки получить из них половые клетки.

Общее направление: как можно меньше вмешиваться в сами клетки и как можно точнее воспроизводить условия, в которых они работают нормально.

19. Как работает станция искусственного осеменения

Племенное предприятие по искусственному осеменению — пример биотехнологического производства, где «продукт» измеряется не тоннами, а дозами.

1. Отбор быков. На станцию попадают бычки от лучших родителей, отобранные по происхождению и по геномной оценке. Их проверяют на наследственные дефекты и на инфекции, выдерживают в карантине.
2. Получение спермы по графику, в условиях, исключающих загрязнение.
3. Оценка. Сразу после получения определяют объём, концентрацию, подвижность, долю клеток с нарушенным строением. Эякулят, не прошедший контроль, выбраковывают.
4. Разбавление. Среда содержит буфер, источники энергии, вещества, защищающие мембраны (например, компоненты желтка или сои), антибиотики и криопротектор — глицерин.
5. Эквилибрация — выдержка при пониженной температуре, чтобы глицерин проник в клетки.
6. Фасовка в соломинки по 0,25 мл с маркировкой: кличка и номер быка, порода, дата.
7. Замораживание в парах жидкого азота по заданной программе, затем погружение в азот.
8. Контроль после оттаивания. Из каждой партии оттаивают образец и проверяют подвижность: после заморозки выживает примерно половина сперматозоидов. Партия допускается к продаже, только если показатели в норме.
9. Хранение и отгрузка в сосудах Дьюара с жидким азотом.

Важная часть работы — оценка быков по потомству и по геному: пока дочери первых телят не начнут доиться, достоверно оценить быка нельзя, поэтому его сперму либо придерживают, либо используют ограниченно. Геномная оценка позволяет предсказывать племенную ценность бычка сразу после рождения, что сокращает интервал между поколениями втрое.

20. Связь с другими темами курса

Репродуктивные технологии — удобный «узел», связывающий несколько разделов биологии.

Поэтому вопрос по этой теме на экзамене часто оказывается «комбинированным»: чтобы объяснить, почему телёнок похож на донора, нужно вспомнить, где хранится наследственная информация; чтобы объяснить необходимость суперовуляции — особенности овогенеза; чтобы объяснить риск многоплодия — развитие зародыша.

21. Особенности у разных видов животных

Одни и те же методы работают у разных видов по-разному — это хорошая иллюстрация того, как биология вида определяет технологию.

Полезный вывод: технология не «накладывается» на животное — её каждый раз приспосабливают к биологии вида, к его циклу, числу потомков и особенностям клеток.

22. Искусственное оплодотворение в рыбоводстве

Отдельно стоит сказать о рыбах: у них искусственное оплодотворение применяется дольше и шире, чем у млекопитающих, и выглядит проще.

Метод, разработанный ещё в XIX в. русским учёным В. П. Врасским («сухой», или русский, способ), состоит в том, что икру отцеживают в сухой таз, добавляют молоки и лишь затем воду. При естественном нересте значительная часть икры не оплодотворяется, потому что в воде сперматозоиды сохраняют подвижность десятки секунд, а микропиле икринки быстро закрывается. Сухой способ резко повышает долю оплодотворённой икры.

Дальше икру помещают в инкубационные аппараты с проточной водой, где она развивается под наблюдением; погибшие икринки удаляют. Выклюнувшихся личинок подращивают и выпускают в водоёмы или выращивают в хозяйствах.

Зачем это нужно:

• восстановление запасов ценных видов — осетровых, лососёвых, сиговых, которым плотины перекрыли путь к нерестилищам;
• товарное рыбоводство: карп, форель, осётр;
• селекция рыб: отбор производителей, получение гибридов (например, бестера — гибрида белуги и стерляди), полиплоидных форм;
• сохранение редких популяций.

Здесь же применяют приёмы, невозможные у млекопитающих: температурным или гидростатическим ударом подавляют выделение направительного тельца и получают триплоидных рыб — они стерильны и быстрее растут, так как не тратят ресурсы на икру.

23. Тема в числах

Эти числа полезно помнить: они часто встречаются в заданиях и помогают проверять собственные рассуждения на правдоподобие.

24. О чём спорят

Не все вопросы в этой области решены — и полезно понимать, где проходит граница между установленным и обсуждаемым.

• Насколько безопасны технологии для детей. Большинство исследований не находят существенных различий в здоровье детей, зачатых с помощью ЭКО, но наблюдения продолжаются: первым «детям из пробирки» ещё нет пятидесяти лет.
• Сколько зародышей культивировать и хранить. Обсуждаются правила, уменьшающие число «лишних» зародышей, в том числе замораживание яйцеклеток вместо зародышей.
• Преимплантационный скрининг на хромосомные нарушения. Его польза для всех пациенток не доказана: часть зародышей с «мозаичным» набором клеток способна дать здоровую беременность, и отбраковка таких зародышей может снижать шансы.
• Границы вмешательства. Где проходит черта между лечением болезни и выбором признаков? Этот вопрос решается не наукой, а обществом.
• Сохранение генетического разнообразия пород. Как совместить быстрый прогресс и сохранение разнообразия — практическая задача, которую решают с помощью учёта родства и криобанков.
• Половые клетки из стволовых. Технология, работающая у мышей, поднимает вопрос о допустимости её применения у человека.

Умение отделять «установлено» от «обсуждается» — часть биологической грамотности, и эта тема даёт для него хороший материал.

25. Путь зародыша: от донора к телёнку

Соберём всё сказанное в один связный рассказ — так легче запомнить последовательность и смысл каждого шага.

День 0. Корове-донору — рекордистке стада, оценённой по продуктивности и по геному, — начинают вводить препараты ФСГ. Одновременно группе коров-реципиентов вводят препараты, синхронизирующие их цикл с циклом донора: если стадии не совпадут, зародыши не приживутся.

День 4–5. У донора наступает охота. Его осеменяют спермой быка, выбранного по индексу племенной ценности. Сперма приходит в соломинке из жидкого азота: бык может находиться за тысячи километров, а может быть и давно умершим.

День 11–12. Через 6–7 дней после осеменения зародыши спускаются в матку. Их вымывают: в рог матки вводят катетер, подают стерильный раствор и собирают его обратно. В собранной жидкости под микроскопом находят зародышей — обычно 5–10.

Оценка. Каждого зародыша рассматривают: правильно ли он развивается, нет ли разрушенных клеток, соответствует ли стадия сроку. Годных отбирают.

Развилка. Часть зародышей сразу пересаживают реципиентам: катетером, через шейку матки, в рог со стороны того яичника, где есть жёлтое тело. Остальных замораживают витрификацией и помещают в азот — их можно перевезти в другое хозяйство или в другую страну и перенести через месяцы и годы.

Через 9 месяцев. Реципиент телится. Телёнок несёт гены коровы-донора и быка-производителя. Молочная продуктивность его матери-реципиента никак на нём не сказывается — на наследственность влияет только генотип.

Итог. За год от одной выдающейся коровы получают 10–30 телят вместо одного. Сочетание с геномной оценкой позволяет отбирать лучших ещё до начала их собственной продуктивной жизни — и интервал между поколениями в стаде сокращается с 5–6 лет до 2–3.

Если же зародышей получают вне организма, схема меняется: яйцеклетки извлекают у донора иглой под контролем ультразвука каждые одну-две недели, доращивают, оплодотворяют и культивируют 7 дней до стадии бластоцисты — а дальше всё то же самое. Этот путь позволяет получать яйцеклетки даже от тёлок, не достигших возраста размножения, и от стельных коров.

26. Микроманипуляции: как работают с одной клеткой

ИКСИ, биопсия зародыша, деление зародыша, пересадка ядра — все эти операции выполняются на одной клетке под микроскопом. Набор инструментов для них общий.

• Инвертированный микроскоп с увеличением в 200–400 раз и специальной оптикой, позволяющей видеть прозрачные структуры клетки без окрашивания.
• Микроманипуляторы — механизмы, переводящие движение руки исследователя в движение иглы, уменьшенное в сотни раз. Они бывают механическими, гидравлическими и электронными.
• Микроинструменты — стеклянные капилляры, вытянутые на специальном приборе до диаметра в несколько микрометров и обработанные в пламени. Удерживающая пипетка имеет гладкий широкий кончик и присасывает клетку; рабочая игла — острая и тонкая.
• Нагреваемый столик, поддерживающий 37 °С: клетки не должны остывать даже на время работы.
• Капли среды под слоем минерального масла — масло не даёт среде испаряться и защищает от перепадов pH и температуры.
• Лазерная система для точечного «прокола» блестящей оболочки — применяется при биопсии зародыша.

Сложность работы — не только в точности движений, но и в том, что каждая клетка уникальна и второй попытки может не быть. Поэтому подготовка специалиста занимает месяцы практики, а сами процедуры выполняют по строгим протоколам с двойной проверкой маркировки: перепутать материал двух пациенток или двух доноров недопустимо.

Любопытно, что те же инструменты применяются в совершенно других областях — в электрофизиологии, при введении веществ в отдельную клетку, при микрохирургии растительных клеток. Микроманипуляция — общий метод клеточной биологии, а репродуктивные технологии лишь одна из областей его применения.

27. Что говорит закон

В России вспомогательные репродуктивные технологии регулируются законодательством об охране здоровья граждан и приказами Министерства здравоохранения. Основные положения, которые полезно знать.

• Применение методов возможно по медицинским показаниям, при информированном добровольном согласии; супруги (или одинокая женщина) подписывают согласие на каждую процедуру.
• Донорство половых клеток допускается при соблюдении требований к возрасту и состоянию здоровья донора и обязательном обследовании.
• Суррогатное материнство разрешено при наличии медицинских показаний и в установленных законом рамках.
• Выбор пола будущего ребёнка не допускается, за исключением случаев наследственных заболеваний, сцепленных с полом.
• Часть процедур ЭКО выполняется в рамках обязательного медицинского страхования.
• Клонирование человека запрещено отдельным федеральным законом.

Законодательство разных стран различается очень сильно: где-то запрещено донорство яйцеклеток, где-то — суррогатное материнство, где-то ограничено число получаемых зародышей. Поэтому при обсуждении темы важно уточнять, о какой стране идёт речь.

28. Биологическая основа: что происходит при оплодотворении

Чтобы понимать репродуктивные технологии, нужно помнить механизм естественного оплодотворения — технологии либо воспроизводят его шаги, либо обходят их.

1. Капацитация. Сперматозоид, попавший в половые пути самки, несколько часов «дозревает»: с его мембраны удаляются белки семенной жидкости, меняется состав липидов, усиливается подвижность. Без этого он не способен оплодотворить яйцеклетку. При оплодотворении вне организма капацитацию вызывают, помещая сперматозоиды в специальную среду.
2. Движение к яйцеклетке — за счёт биения жгутика, сокращений половых путей и направляющих сигналов.
3. Акросомная реакция. У головки сперматозоида вскрывается акросома — пузырёк с ферментами, которые растворяют оболочки яйцеклетки.
4. Проникновение и слияние мембран. Ядро сперматозоида попадает в цитоплазму яйцеклетки.
5. Кортикальная реакция. Содержимое кортикальных гранул выделяется под оболочку, она уплотняется — и другие сперматозоиды внутрь не проходят. Так обеспечивается оплодотворение одним сперматозоидом (моноспермия).
6. Активация яйцеклетки. Колебания концентрации ионов кальция в цитоплазме запускают завершение мейоза и начало развития.
7. Образование зиготы. Ядра сперматозоида и яйцеклетки (пронуклеусы) сближаются; их хромосомы объединяются в первом делении дробления.

Теперь ясно, что делает каждая технология. При искусственном осеменении человек лишь доставляет сперму ближе к яйцеклетке, остальное идёт естественным путём. При ЭКО воспроизводятся условия яйцевода, но отбор сперматозоида происходит сам. При ИКСИ пропускаются сразу несколько шагов: капацитация, акросомная реакция, проникновение — сперматозоид вводится силой, и даже активацию яйцеклетки иногда приходится вызывать искусственно.

29. Зачем это знать

• Репродуктивные технологии — то место, где биология напрямую касается судеб людей и целых отраслей хозяйства.
• Понимание механизмов помогает отличать помощь природе от вмешательства в наследственность: ЭКО не меняет генотип, а редактирование генома — меняет.
• Тема связывает школьные разделы: мейоз и гаметогенез, оплодотворение, индивидуальное развитие, селекция, генетика человека.
• Здесь особенно видно, что у любой технологии есть не только возможности, но и ограничения: возраст женщины нельзя «отменить», генетическое разнообразие породы можно нечаянно растратить, а утрату мест обитания редких видов криобанк не компенсирует.

30. Итог: что важно знать

• Искусственное осеменение — введение заранее полученной спермы в половые пути самки; позволяет получить от одного производителя десятки тысяч потомков, ускоряет селекцию, облегчает профилактику болезней.
• Сперму разбавляют, фасуют в соломинки и хранят в жидком азоте при −196 °С.
• Суперовуляция — гормональная стимуляция созревания многих яйцеклеток; трансплантация зародышей — пересадка их коровам-реципиентам, которые не влияют на наследственность телят.
• ЭКО — оплодотворение вне организма: стимуляция, пункция фолликулов, оплодотворение в чашке, культивирование до бластоцисты, перенос в матку. Первый ребёнок — 1978 г. (Эдвардс и Стептоу), Нобелевская премия 2010 г.
• ИКСИ — введение одного сперматозоида в яйцеклетку микроиглой при мужском бесплодии (1992).
• Криоконсервация: медленное замораживание и витрификация; криопротекторы предотвращают образование кристаллов льда.
• Преимплантационная диагностика — анализ клеток зародыша до переноса; применяется для предотвращения тяжёлых наследственных болезней.
• Технологии не изменяют наследственность: ребёнок или телёнок получает гены своих биологических родителей.
• Риски: сужение генетического разнообразия пород, многоплодная беременность при переносе нескольких зародышей, этические вопросы работы с зародышами человека.

31. Частые ошибки

• «При ЭКО создают ребёнка с заданными признаками». ЭКО лишь помогает половым клеткам родителей встретиться; генотип ребёнка складывается из их генов так же, как при обычном зачатии.
• «Корова-реципиент передаёт телёнку свои признаки». Не передаёт: наследственность определяется зародышем, то есть донором и быком. Реципиент влияет лишь на условия вынашивания.
• «Искусственное осеменение — то же, что искусственное оплодотворение в пробирке». При осеменении сперму вводят в половые пути, оплодотворение происходит в организме; при ЭКО — вне организма.
• «Суперовуляция — это рождение многих телят». Это созревание многих яйцеклеток; телята рождаются у разных коров-реципиентов.
• «Замораживание убивает клетки». При правильном режиме (криопротекторы, витрификация) клетки сохраняют жизнеспособность; губят клетки кристаллы льда, а не низкая температура сама по себе.
• «ИКСИ применяют всем парам при ЭКО». ИКСИ нужна прежде всего при тяжёлом мужском бесплодии; в остальных случаях предпочитают обычное оплодотворение в чашке.
• «Преимплантационная диагностика позволяет выбрать любые признаки». Она выявляет конкретные мутации и хромосомные нарушения; отбор по немедицинским признакам, включая пол, в большинстве стран запрещён.
• «Технологии полностью решают проблему бесплодия». Вероятность беременности за попытку ограничена и сильно снижается с возрастом женщины.
• «Клонирование и ЭКО — одно и то же». При ЭКО происходит обычное оплодотворение, зародыш получает гены двух родителей; при клонировании ядро соматической клетки переносят в яйцеклетку, и потомок генетически повторяет донора ядра.

32. Интересные факты

• Опыт Уолтера Хипа 1890 г. с пересадкой зародышей кролика был поставлен не ради технологии, а чтобы опровергнуть распространённое тогда мнение, будто вынашивающая мать «влияет» на наследственность потомства.
• Одна порция спермы быка после разбавления даёт сотни доз для осеменения; за жизнь выдающийся производитель может стать отцом сотен тысяч телят.
• Соломинка с замороженной спермой весит около грамма, а «перевозит» генетику целого производителя через океан.
• Глицерин как средство защиты клеток при замораживании открыли случайно в 1949 г., перепутав реактивы: в опытах использовали раствор, содержавший глицерин, и сперматозоиды неожиданно выжили после оттаивания.
• Сперматозоиды с X-хромосомой тяжелее сперматозоидов с Y примерно на 4 % по количеству ДНК — именно это различие используют при сортировке по полу.
• Первой пациенткой, у которой в 1978 г. родился ребёнок после ЭКО, была Лесли Браун; её дочь Луиза впоследствии сама стала матерью, зачав детей естественным путём.
• Зародыши крупного рогатого скота, замороженные в 1980-х гг., успешно давали потомство спустя десятилетия хранения.
• Яйцеклетка человека — самая крупная клетка тела, её диаметр около 0,1 мм; её можно разглядеть и невооружённым глазом, хотя работают с ней под микроскопом.
• Инструментальное осеменение пчелиных маток проводят под микроскопом с помощью микрошприца — без него племенная работа в пчеловодстве почти невозможна: матка спаривается в воздухе, и проконтролировать выбор трутней иначе нельзя.
• «Сухой» способ оплодотворения икры, предложенный В. П. Врасским в середине XIX в., повышает долю оплодотворённых икринок в несколько раз и до сих пор лежит в основе рыбоводства.
• В жидком азоте зародыши и сперма не «спят», а практически остановлены: при −196 °С биохимические реакции не идут, и возраст клетки перестаёт считаться.

33. Частые вопросы

Чем отличаются искусственное осеменение и ЭКО?

При искусственном осеменении сперму вводят в половые пути, и оплодотворение происходит внутри организма естественным образом. При ЭКО яйцеклетки извлекают, оплодотворение и первые дни развития проходят вне организма, а затем зародыш переносят в матку.

Почему при ЭКО стимулируют созревание нескольких яйцеклеток?

Часть яйцеклеток окажется незрелыми или не оплодотворится, часть зародышей остановится в развитии. Чем больше исходных яйцеклеток, тем выше вероятность получить хотя бы одного полноценного зародыша. Кроме того, «лишних» зародышей можно заморозить для следующих попыток без повторной стимуляции.

Почему переносят один зародыш, если несколько повышают шанс?

Многоплодная беременность опасна: преждевременные роды, низкий вес детей, осложнения у матери. Современный подход — перенос одного зародыша, а остальных хранить замороженными; суммарная вероятность успеха при этом не снижается, а риски заметно уменьшаются.

Отличаются ли дети, рождённые после ЭКО?

По основным показателям здоровья и развития они не отличаются от сверстников. Повышенные риски, которые отмечались в исследованиях, в значительной мере связаны с многоплодием и с состоянием здоровья родителей, а не с самой процедурой.

Можно ли заморозить яйцеклетки «про запас»?

Технически да — витрификация позволяет сохранять яйцеклетки. Это делают, например, перед лечением, повреждающим яичники. Важно понимать, что замораживание сохраняет качество клеток на момент заморозки, а не гарантирует будущую беременность.

Почему у одних видов сперму замораживают легко, а у других трудно?

Устойчивость сперматозоидов к замораживанию зависит от состава их мембран и количества воды в клетке. У быка и человека сперматозоиды переносят заморозку хорошо, у хряка и жеребца — хуже, поэтому там чаще используют охлаждённую сперму с коротким сроком хранения.

Что такое суррогатное материнство с биологической точки зрения?

Это вынашивание зародыша, полученного от других родителей. Биологически это та же трансплантация зародыша, что в животноводстве: вынашивающая женщина не передаёт ребёнку своих генов. Правовая и этическая стороны вопроса регулируются законом каждой страны.

Зачем в животноводстве получать зародышей вне организма, если есть вымывание?

Вымывание требует гормональной стимуляции и даёт зародышей несколько раз в год. Извлечение яйцеклеток под контролем ультразвука можно повторять каждую неделю-две, в том числе у стельных коров и у тёлок, не достигших возраста размножения. Это резко сокращает интервал между поколениями и увеличивает выход зародышей.

34. ЕГЭ

Тема относится к элементу 3.7 кодификатора [1], где прямо названо «искусственное оплодотворение». Она связана с разделами о половом размножении, гаметогенезе, оплодотворении и индивидуальном развитии, а также с методами селекции животных.

Что обязательно знать

• Что такое искусственное осеменение, зачем оно нужно в животноводстве, какие преимущества даёт.
• Что такое суперовуляция и трансплантация зародышей; почему реципиент не влияет на наследственность потомка.
• Что такое ЭКО, его основные этапы; что генотип ребёнка при этом не изменяется.
• Для чего замораживают половые клетки и зародышей.
• Отличие искусственного оплодотворения от клонирования.

Разбор типичных формулировок

«Установите соответствие между методом и его характеристикой». Искусственное осеменение — оплодотворение происходит в организме самки; ЭКО — вне организма; трансплантация зародышей — вынашивание чужого зародыша; пересадка ядра — получение генетической копии.

«Выберите три верных утверждения об искусственном осеменении». Верные: позволяет получить много потомков от одного производителя; сперму хранят в жидком азоте; ускоряет селекцию; снижает риск передачи инфекций. Ловушки: «изменяет наследственность потомства», «оплодотворение происходит вне организма», «применяется только в медицине».

Часть 2: «Какие преимущества даёт искусственное осеменение в животноводстве?» Элементы ответа: 1) один производитель оставляет тысячи потомков, что ускоряет селекцию; 2) сперму можно хранить в замороженном виде и перевозить, используя спустя годы; 3) снижается риск передачи заразных болезней; 4) не нужно содержать производителей в каждом хозяйстве; 5) ведётся точный учёт происхождения потомства.

Часть 2: «Почему телёнок, выношенный коровой-реципиентом, не похож на неё?» Элементы: 1) наследственная информация содержится в ядрах клеток зародыша; 2) зародыш получен от коровы-донора и быка; 3) реципиент лишь вынашивает зародыша и не передаёт ему своих генов; 4) условия вынашивания могут влиять на развитие, но не на наследственность.

35. Для олимпиад

Сколько потомков даёт производитель

Пусть от быка за год получают 300 эякулятов, каждый после разбавления даёт 300 доз, а оплодотворяемость составляет 0,5. Тогда за год рождается 300 · 300 · 0,5 = 45 000 телят. При естественном спаривании бык покрыл бы за год порядка 50 коров. Разница — почти в тысячу раз; именно она объясняет, почему интенсивность отбора среди быков настолько высока: отбирают единицы из тысяч.

Интенсивность отбора и генетический прогресс

Прогресс за поколение пропорционален интенсивности отбора и точности оценки и обратно пропорционален интервалу между поколениями. Искусственное осеменение повышает интенсивность отбора среди отцов (можно выбирать лучшего из тысяч), трансплантация зародышей — среди матерей, а получение яйцеклеток от молодых животных сокращает интервал между поколениями. Все три множителя работают в одну сторону, поэтому вместе эти технологии дают значительно больший эффект, чем каждая по отдельности.

Задача про суперовуляцию

Корова-донор даёт за одну обработку в среднем 6 пригодных зародышей; обработки повторяют 4 раза в год; приживаемость при пересадке 60 %. Сколько телят в год получают от такой коровы? 6 · 4 · 0,6 = 14,4 — около 14 телят вместо одного. Если бы те же зародыши замораживали и переносили в течение нескольких лет, результат по числу телят не изменился бы, но распределился во времени.

Почему яйцеклетку труднее заморозить, чем сперматозоид

Скорость обезвоживания клетки при охлаждении зависит от отношения её поверхности к объёму: чем оно больше, тем быстрее вода успевает выйти и тем меньше риск образования внутриклеточного льда. У сперматозоида это отношение огромно (клетка крошечная, цитоплазмы почти нет), у яйцеклетки диаметром 0,1 мм — в десятки раз меньше. Отсюда и решение: для яйцеклеток применяют витрификацию, при которой сверхбыстрое охлаждение не оставляет воде времени кристаллизоваться.

Оценка: сколько зародышей доживает до бластоцисты

Пусть при ЭКО получено 10 яйцеклеток; 80 % из них зрелые, из них 70 % оплодотворяются нормально, и 45 % зигот доходят до стадии бластоцисты. Сколько бластоцист получится? 10 · 0,8 · 0,7 · 0,45 ≈ 2,5, то есть 2–3. Этот расчёт объясняет, почему стимулируют созревание многих яйцеклеток: цепочка вероятностей быстро сокращает исходное число.

Вопрос на понимание

Почему при длительном использовании немногих выдающихся производителей в породе растёт число животных с наследственными болезнями? Ответ: вместе с полезными генами широко распространяются и вредные рецессивные аллели, которые производитель нёс в гетерозиготном состоянии. Через несколько поколений потомки этого быка начинают скрещиваться между собой, и вредные аллели переходят в гомозиготное состояние. Решение — учёт родства, проверка производителей на носительство известных мутаций по ДНК и ограничение использования отдельных линий.

36. Задания с разбором

Задание 1

Что такое искусственное осеменение? Назовите не менее трёх его преимуществ в животноводстве.

Задание 2

Чем искусственное осеменение отличается от экстракорпорального оплодотворения?

Задание 3

Что такое суперовуляция и зачем её вызывают?

Задание 4

Почему телёнок, выношенный коровой-реципиентом, наследует признаки донора, а не реципиента?

Задание 5

Перечислите основные этапы ЭКО.

Задание 6

Что такое ИКСИ и когда её применяют?

Задание 7

Почему при замораживании клеток используют криопротекторы?

Задание 8

Найдите ошибки и исправьте: 1) При ЭКО ребёнок получает гены приёмных родителей. 2) Корова-реципиент передаёт телёнку часть своих признаков. 3) Сперму хранят в жидком азоте при −196 °С. 4) Суперовуляция — это рождение нескольких телят у одной коровы. 5) ИКСИ применяют при мужском бесплодии.

Задание 9

Зачем сортируют сперматозоиды по полу и на чём основан метод?

Задание 10

Что такое преимплантационная генетическая диагностика и зачем она нужна?

Задание 11

Почему при ЭКО зародыши культивируют при пониженном содержании кислорода?

Задание 12

Назовите не менее трёх применений криоконсервации в репродуктивных технологиях.

Задание 13

Как получают генетически идентичных телят без пересадки ядер?

Задание 14

Почему массовое использование нескольких выдающихся производителей может навредить породе?

Задание 15

Что такое капацитация и почему о ней важно знать при оплодотворении вне организма?

Задание 16

Как репродуктивные технологии помогают сохранять редкие виды?

Задание 17

Чем клонирование отличается от искусственного оплодотворения?

Задание 18

Почему при ЭКО сегодня предпочитают переносить один зародыш?

Задание 19 (олимпиадное)

От быка за год получают 250 эякулятов, из каждого после разбавления — 250 доз; оплодотворяемость 0,55. Сколько телят в год? Во сколько раз это больше, чем при естественном спаривании (около 50 коров в год)? Как это сказывается на интенсивности отбора быков?

Задание 20 (олимпиадное)

При ЭКО получили 12 яйцеклеток. Зрелыми оказались 75 %, из них оплодотворились 70 %, до бластоцисты дошли 45 % зигот, а нормальный хромосомный набор имели 60 % бластоцист. Сколько зародышей пригодно для переноса? Объясните, почему вероятности на каждом шаге меньше единицы и почему это оправдывает стимуляцию.

Литература

1. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
2. Betteridge K. J. A history of farm animal embryo transfer and some associated techniques // Animal Reproduction Science. 2003. Vol. 79, № 3–4. P. 203–244. DOI: 10.1016/S0378-4320(03)00166-0.
3. Palermo G., Joris H., Devroey P., Van Steirteghem A. C. Pregnancies after intracytoplasmic injection of single spermatozoon into an oocyte // The Lancet. 1992. Vol. 340, № 8810. P. 17–18. DOI: 10.1016/0140-6736(92)92425-F.
4. Steptoe P. C., Edwards R. G. Birth after the reimplantation of a human embryo // The Lancet. 1978. Vol. 312, № 8085. P. 366. DOI: 10.1016/S0140-6736(78)92957-4.