Tế bào sinh sản

Trong sinh học cơ bản ở Việt Nam, tế bào sinh sản đề cập đến tế bào tạo ra giao tử hoặc giao tử ở sinh vật có sinh sản hữu tính.

Tên gọi này đã được sử dụng từ lâu và vẫn rất phổ biến, chỉ hai loại tế bào chủ yếu:

- tế bào có khả năng tạo ra giao tử thông qua quá trình hình thành giao tử.

- Giao tử của sinh vật (như trứng và tinh trùng).

Khái niệm 'tế bào sinh sản' được đưa ra để phân biệt với 'tế bào sinh dưỡng' trong giáo dục và phổ biến kiến thức khoa học.

Hiện tại, so với các thuật ngữ quốc tế, khái niệm 'tế bào sinh sản' ở Việt Nam bao gồm cả hai khái niệm sau đây:

- Tế bào mầm (germ cell) là tế bào có khả năng tạo ra giao tử. Tại Việt Nam, loại tế bào này được gọi là tế bào sinh dục nguyên thủy.

- Giao tử (gamete) là tế bào tham gia trực tiếp vào quá trình thụ tinh để hình thành hợp tử. Các giao tử đực và cái thường được gọi là tinh trùng và trứng.

Khái niệm cơ bản

Các loại tế bào sinh sản

• Nhóm tế bào sinh sản tạo ra giao tử được gọi là tế bào sinh dục nguyên thủy. Loại tế bào này có thể phát sinh giao tử đực hoặc cái, nhưng bản thân chúng không phải là giao tử. Tế bào sinh dục nguyên thủy tạo ra giao tử đực được gọi là tế bào sinh tinh (spermatocyte), còn tế bào sinh dục nguyên thủy tạo ra giao tử cái được gọi là tế bào sinh noãn (oocyte).
• Trong sinh lý học, các tế bào đơn bội xuất hiện trong quá trình tạo giao tử nhưng chưa trưởng thành đủ để tham gia thụ tinh, được gọi là tế bào sinh dục chưa trưởng thành. Những tế bào 'trung gian' này, chẳng hạn như tinh tử hoặc tinh trùng chưa trưởng thành, cần trải qua quá trình chín để phát triển thành giao tử (xem trang hình thành giao tử).
• Giao tử là tế bào có khả năng trực tiếp tham gia vào quá trình thụ tinh và tạo thành hợp tử. Ví dụ, ở con người, giao tử đực chính là tinh trùng trưởng thành.

Minh họa khái niệm

Hầu hết các tế bào trong cơ thể sinh vật đều là tế bào xôma, với nhiều loại khác nhau; trong khi đó, tế bào sinh dục rất hiếm và chỉ có số lượng loại rất hạn chế. Trong cơ thể mỗi người, có hơn 200 loại tế bào xôma do sự chuyên hóa chức năng trong quá trình phát triển, nhưng chỉ có một loại tế bào sinh dục: tế bào sinh trứng và noãn (ở nữ giới) hoặc tế bào sinh tinh và tinh trùng (ở nam giới).

• Tinh hoàn, một bộ phận của cơ quan sinh dục động vật đực, chủ yếu được cấu tạo từ các tế bào xôma, không phải từ tế bào sinh dục. Ví dụ, ở tinh hoàn của lợn rừng (xem hình 1), chỉ có tế bào sinh tinh (chú thích số 2) là tế bào sinh dục.
• Hoa, cơ quan sinh sản của thực vật, chủ yếu cấu tạo từ tế bào xôma, ngoại trừ đại bào tử (trong lá noãn) và tiểu bào tử (tạo hạt phấn) nằm sâu bên trong hoa, có khả năng tạo noãn và tinh tử thực vật. Ví dụ, ở hoa cây Hạt kín: tế bào sinh noãn nằm trong bàu nhụy (hình 2), còn tế bào sinh tinh tử nằm trong hạt phấn (hình 3).

Mở rộng khái niệm

• Tế bào sinh dục có khả năng tạo giao tử, nhưng tế bào xôma cũng có thể làm điều đó. Trong nhiều thực vật, đặc biệt là cây Hạt kín (thực vật có hoa), giao tử được phát sinh từ đại bào tử và tiểu bào tử, vốn là tế bào xôma.
• Tế bào sinh dục có khả năng tham gia giảm phân, nhưng cũng có thể nguyên phân. Trong quá trình tạo giao tử (gametogenesis), tế bào sinh dục sơ khai (tế bào sinh tinh, tế bào sinh noãn) thường trải qua một số lần nguyên phân, tạo ra các thế hệ 'con, cháu' (tế bào sinh dục cấp 1, cấp 2...). Sau đó, giảm phân xảy ra một lần duy nhất để tạo giao tử ở vùng chín của cơ quan sinh sản.
• Trong quá trình thụ tinh, hợp tử được hình thành khi hai loại giao tử kết hợp với nhau (xem trang giao tử), tạo nên tế bào xôma khởi đầu cho sự hình thành cơ thể mới. Hợp tử có sự hợp nhất của bộ gen từ hai giới, dẫn đến việc có cả hai loại nhiễm sắc thể giới tính (xem hình 5).

So sánh giữa tế bào xôma và tế bào sinh dục

Ở các sinh vật đa bào hữu tính trưởng thành, tế bào sinh dục chỉ tồn tại trong cơ quan sinh sản. Ví dụ: ở nam giới trưởng thành, tế bào sinh tinh nằm trong tinh hoàn (hình 4), còn ở nữ giới, tế bào sinh trứng nằm trong buồng trứng.

Các ứng dụng

• Nghiên cứu về tế bào sinh dục và quá trình hình thành giao tử có nhiều ứng dụng quan trọng. Một trong những ứng dụng đầu tiên là thụ tinh nhân tạo trong chăn nuôi và trồng trọt. Thụ phấn nhân tạo đã được áp dụng từ rất sớm trong lịch sử nhân loại, và Mendel đã sử dụng nó trên đậu Hà Lan vào thế kỉ XIX để thực hiện các thí nghiệm lai, từ đó phát triển thành các định luật di truyền của ông. Trong chăn nuôi, việc nghiên cứu tế bào sinh dục đã dẫn đến việc áp dụng thụ tinh nhân tạo cho động vật và kết hợp với bảo quản tinh trùng đông lạnh, giúp bảo tồn các nguồn gen quý hiếm lâu dài, ngay cả khi chúng đã chết hàng chục năm.
• Gần đây, nghiên cứu tế bào sinh dục còn mở ra khả năng giải quyết vấn đề vô sinh ở người và tạo cơ hội cho các cặp vợ chồng đồng giới có con. Nhóm nghiên cứu của Hayashi và Saitou tại Đại học Kyoto đã tiên phong trong việc tạo ra tinh trùng và trứng từ da và tế bào gốc.

Tóm lược

• Ở các sinh vật đa bào sinh sản hữu tính, mỗi cơ thể con bắt đầu từ hợp tử, kết quả của sự kết hợp giữa giao tử đực và giao tử cái qua quá trình thụ tinh.
  • Ở động vật, trong quá trình hợp tử phát triển thành phôi thai, sẽ hình thành hai dòng tế bào chính: dòng tế bào mầm và dòng tế bào xôma. Các tế bào mầm di cư và định cư tại tuyến sinh dục, phát sinh dòng tế bào sinh dục và tạo giao tử. Các tế bào xôma cấu thành tất cả các bộ phận của cơ thể.
  • Ở thực vật bậc cao, khi hợp tử phát triển sẽ hình thành hai dòng tế bào chính: dòng bào tử (sinh ra noãn và tinh tử) và dòng tế bào xôma. Dòng bào tử chính là các tế bào sinh dục.
• Tế bào sinh dục bao gồm các dòng tế bào tạo ra trong quá trình hình thành giao tử. Tế bào xôma (tế bào sinh dưỡng) là các tế bào khác, không liên quan đến việc tạo giao tử.

• Tế bào mầm.
• Tế bào xôma.
• Giao tử.
• Quá trình hình thành giao tử.

Các nguồn tham khảo