Female And Male Gamete Cells: Called Sex Cells

by Daniel Nelson

Gamete cells, also known as sex cells, are the cells responsible for sexual reproduction. A male gamete is called sperm (spermatozoa) and is a haploid cell formed through Spermatogenesis. A female gamete is called an ova or egg cells (Oocytes), which are haploid cells carrying one copy of each chromosome.

Gametes are necessary for DNA to be passed from one organism down to the next generation. How exactly are gametes created, and how do they function? What differences are there between gametes and other types of cells in a body?
Gametes are divided into two different types, male and female. Though there are similarities between male and female gametes, both types of gametes also differ in key ways.

The Function of Gametes

Sperm cells penetrate into egg cells and form a zygote. Photo: Public domain, LadyofHats via Wikimedia Commons

Let’s take a look at the similarities between male and female gametes before moving on to the differences. Both types of gametes are sex cells, and both are involved in sexual reproduction. Both gametes are necessary to create a zygote, a clump of cells made out of the DNA from both gametes that will go on to become a fetus. Both male and female gametes contain a single set of chromosomes. The function of gametes is to combine with the other type of gamete and thus combine their single set of chromosomes to create a new complete double set of chromosomes.
Sperm cells have a layer called the “acrosome” which is made up of enzymes that let the sperm penetrate the membrane of an egg cell. Photo: Public domain

Male gametes are a type of haploid cell. Haploid cells are cells which only contain a single set of chromosomes. People’s cells contain 46 chromosomes normally, except for haploid cells which only contain 23. Male gametes, male sex cells, are called sperm cells. Sperm is created in the testes, and it is a tiny cell that can propel itself with a long flagellum. This gives it the ability to move towards a female sex cell. The “head” of a sperm cell is covered in a layer called “acrosome” which consists of a number of enzymes which enable the sperm and to penetrate the membrane of an egg cell. Since both male and female gametes are haploid cells, once the sperm cell does penetrate the egg cell the two cells fuse creating a diploid cell with 46 chromosomes.

Much like male gametes, gametes in females are haploid cells. In females, they are referred to as egg cells. In many species, including humans, male gametes are much smaller than female gametes. Female gametes also typically stationary, unlike the male gametes which can move with flagella. Egg cells are produced in the ovaries, and they are usually produced in small numbers, with a woman having all the egg cells she will have in her life by the time of puberty.

Eggs cells have a variier called zona pellucida, seen here as a thick clear girdle (the white space inbetween the egg and the cells of the corona radiata). Photo Public domain

Different types of life have different ways of combining sperm and egg cells. In mammals, sexual intercourse usually consists of the male ejaculating sperm into the female and the sperm then seeks out the female’s egg. Plants are stationary, and thus they use pollen to reproduce. Male gametes are produced within pollen sacs on the plant and are released into the environment. This pollen is frequently carried by the wind or by insects to the female gametes of another plant.

Meiosis

Most of the cells within the human body, as well as the bodies of other animals, reproduce through a system known as mitosis. Mitosis is what allows non-sex cells to reproduce, and create copies of themselves. In mitosis, one cell referred to as a mother cell divides itself to create two new cells, the daughter cells. Mitosis is typically divided into four different phases known as prophase, metaphase, anaphase, and telophase.

The job of mitosis is to ensure that the daughter cells receive a full set of 46 chromosomes as if something goes wrong and a cell has fewer chromosomes it frequently dies or causes cancer. While mitosis is responsible for creating the vast majority of cells within a person’s body, sex cells are created through a process known as meiosis.

Meiosis is similar to mitosis in some ways and different in others. Similar to mitosis, meiosis goes through different stages or phases which implement many of the same strategies that mitosis uses to replicate cells. Meiosis separates sister chromatids, which are the two different halves of the same chromosome, and it must also divide the pairs of nonidentical chromosomes that the cell received from its two parent cells. The chromosome pairs that a gamete received from its parent cells are referred to as homologous chromosomes.

While mitosis is divided into four categories, meiosis undergoes these four phases twice. The first instance of cell division separates homologous chromosomes and it is referred to as Meiosis I. The second round of cell division separates the sister chromatids, and it is referred to as Meiosis II. During Meiosis I, the diploid cell is converted into two haploid cells, and each haploid cells will have non-identical sister chromatids. This process is called chromosomal reduction, and it is important because if the chromosomes were not divided before reproduction, the offspring would have four identical sets of chromosomes instead of the desired one complete set with variation. Meiosis II is more like mitosis, and it produces four haploid daughter cells out of the two already existing mother haploid cells.

Fertilization

When both female and male gametes merge the process is referred to as fertilization. Fertilization occurs within the fallopian tubes, a region of the reproductive tract in females. During sexual intercourse, millions of sperm are released into the fallopian tubes and they will travel up to the egg. Typically only one sperm out of these millions will penetrate the egg, though rarely more than one sperm will manage to penetrate it. This happens because the egg is covered in a layer referred to as the “zona pellucida”. The zona pellucida transforms into a barrier once a sperm successfully penetrates the membrane and then begins to merge with the egg. If multiple sperm were to penetrate an egg, the condition is referred to as polyspermy and the result is that the zygote has extra chromosomes, in which case it is no longer viable.

Once fertilization happens the two haploid cells become one zygote, with a full 46 chromosomes. This zygote will continue to divide via the process of mitosis until it matures into a functioning baby. The sex of the individual is determined by which sex chromosomes the zygote inherits. A cell that inherits only one X chromosome will have a Y chromosome as well, and it will be a male. A zygote that inherited two X chromosomes will be a female.

After fertilization, the fertilized egg will remain in the fallopian tube for about 3 to 4 days where it rapidly divides into many different cells through mitosis. It will keep undergoing mitotic division as it moves through the fallopian tube and into the uterus, where it will attach to the uterine wall and continue to divide as it develops into a fetus.

Ciclos de vida em plantas

O ciclo de vida de um organismo inicia-se com a formação do zigoto e termina com a formação dos gâmetas necessários à reprodução.  Tendo em conta que a reprodução sexuada apresenta dois fenómenos complementares, a meiose e a fecundação, durante o ciclo de vida de um organismo existe uma alternância entre células haplóides e diplóides.  Assim, tem-se: alternância de fases nucleares– a fase haplóide tem n cromossomas, ocorrendo após a meiose, e a fase diplóide tem 2n cromossomas, ocorrendo após a fecundação; alternância de gerações– geração é a parte do ciclo de vida de um organismo que se inicia com uma célula, dando esta  origem a uma estrutura,  ou entidade, multicelular, a qual irá produzir uma outra célula, através de parte da estrutura multicelular. Segundo esta definição, um ciclo de vida sexuado poderá, no máximo, apresentar duas gerações: geração gametófita– fase haplóide do ciclo de vida, inicia-se com o esporo e termina nos gâmetas. A estrutura multicelular da geração gametófita designa-se gametófito, onde se irão diferenciar gametângios, estruturas que contêm células que produzirão gâmetas. Os gametângios femininos designam-se oogónios (unicelulares) ou arquegónios (pluricelulares), enquanto os masculinos se designam anterídeos; geração esporófita - fase diplóide do ciclo, inicia-se com o zigoto e termina com a célula-mãe dos esporos. A estrutura multicelular desta fase designa-se esporófito. No esporófito diferenciam-se estruturas designadas por esporângios, contendo células que se dividem por meiose e originam esporos. A meiose pode ocorrer em diferentes momentos do ciclo de vida de um organismo: meiose pós-zigótica - quando este fenómeno ocorre no zigoto, sendo este a única entidade diplóide do ciclo; meiose pré-espórica - a meiose ocorre na formação dos esporos. O zigoto, por mitoses sucessivas, origina uma entidade diplóide, onde se diferenciam células especiais que, por meiose, originam esporos; meiose pré-gamética - ocorre durante a formação dos gâmetas, sendo estes as únicas células haplóides do ciclo. A extensão relativa de cada uma das gerações e fases nucleares está dependente da posição, no ciclo de vida, da meiose e fecundação. Por este motivo, consideram-se três tipos de ciclos de vida: ciclo haplonte - neste tipo de ciclo de vida a fase haplóide predomina, sendo a fase diplóide constituída apenas pelo zigoto. Deste modo, considera-se que não existe verdadeira alternância de gerações. A meiose ocorre imediatamente a seguir à fecundação (meiose pós-zigótica). Este tipo de ciclo de vida é característico das algas (caminhos A e C); ciclo diplonte - neste tipo de ciclo a fase diplóide predomina, sendo a fase haplóide formada apenas pelos gâmetas. Também neste caso, não existe verdadeira alternância de gerações. A meiose ocorre imediatamente antes da fecundação (meiose pré-gamética). Este tipo de ciclo é característico de animais e de algumas algas (caminhos B e D); ciclo haplodiplonte - neste tipo de ciclo existe nítida alternância de fases nucleares e de gerações pois a meiose e a fecundação estão separadas no tempo. A meiose designa-se pré-espórica. Este tipo de ciclo de vida, o mais complexo, é característico das plantas superiores.  A alternância de gerações tira o máximo partido dos dois tipos de reprodução: a geração gametófita aumenta a variabilidade genética e a esporófita facilita a  dispersão, pela produção de esporos. Nas plantas, as gerações são heteromórficas, ou seja, ao contrário de algumas algas haplodiplontes, o gametófito e o esporófito têm aparências totalmente diferentes (caminhos A e D). Existem, igualmente, vários tipos de reprodução sexuada: isogâmica - gâmetas morfologicamente iguais, geralmente flagelados, que são libertados para o meio, onde ocorre a fecundação; anisogâmica - gâmetas morfologicamente diferentes, sendo o feminino maior, em que ambos são libertados para o meio, existindo fecundação externa;   oogâmica - caso particular da anisogamia, ocorre quando o gâmeta feminino é tão grande que se torna imóvel, enquanto o masculino é pequeno e móvel. Neste caso a fecundação é interna, no interior do gametângio feminino. Uma planta designa-se monóica quando apresenta os dois sexos no mesmo corpo e dióica quando apresenta sexos separados.  O monoicismo pode ser suficiente quando um indivíduo produz um zigoto por autofecundação, ou insuficiente, quando é necessária a fecundação cruzada, seja por causas morfológicas ou fisiológicas (amadurecimento desencontrado dos gâmetas, por exemplo).
Tendências evolutivas nos ciclos de vida de plantas	Do estudo dos ciclos de vida vegetais pode retirar-se uma série de tendências evolutivas, nomeadamente:   as plantas apresentam sempre alternância de fases nucleares no seu ciclo de vida; apresentam um ciclo de vida haplodiplonte; a meiose pré-espórica produz esporos que, ao germinar, originam um gametófito haplóide, o qual produz gâmetas por mitose; há uma nítida tendência para a dominância da diplofase, pois a recombinação genética que ocorre na sua formação permite uma maior capacidade de adaptação a condições em alteração; as estruturas reprodutoras são cada vez mais especializadas; ao longo da evolução surgiram estruturas estéreis a proteger os gâmetas (anterídeos e arquegónios); há uma tendência para que a determinação sexual seja feita no esporófito – heterosporia; há uma tendência para a fecundação ser independente da água e existem reservas na semente, o que permite ao embrião permanecer num estado de latência durante períodos menos favoráveis e ajudando à dispersão.
Aspectos comparativos de ciclos de vida de algumas plantas	Planta Espirogira Bodelha Musgo Feto Açucena Dependência da água para a fecundação   Presente Presente Presente Presente Ausente Morfologia dos gâmetas Isogamia Anisogamia Oogamia Oogamia Oogamia Morfologia dos esporos   Ausentes Ausentes Isosporia Isosporia Heterosporia Alternância de fases nucleares Presente Presente Presente Presente Presente Alternância de gerações   Ausente Ausente Presente Presente Presente Geração dominante Gametófita Esporófita Gametófita Esporófita Esporófita Meiose Pós-zigótica Pré-gamética Pré-espórica Pré-espórica Pré-espórica Tipo de Ciclo de vida   Haplonte Diplonte Haplodiplonte Haplodiplonte Haplodiplonte
Análise comparativa das estruturas de alguns ciclos de vida em plantas	Planta Bodelha Musgo Feto Açucena Zigoto (2n)   Zigoto Zigoto Zigoto Zigoto Esporófito (2n) Planta adulta Esporogónio Planta adulta Planta adulta Esporófilo (2n)   - - Folha com soros Estame (m)  Carpelo (f) Esporângio (2n) - Cápsula Esporângio Antera (m) Óvulo (f) Célula-mãe dos esporos (2n)   - Célula-mãe dos esporos Célula-mãe dos esporos Célula-mãe do grão de pólen (m) Célula-mãe do saco embrionário (f) Esporos (n)   - Esporos Esporos Grão de pólen (m) Saco embrionário (f) Gametófito (n) - Planta adulta Protalo Tubo polínico (m) Saco embrionário germinado (f) Gametângio (n) Anterídeo (m) Oogónio (f) Anterídeo (m) Arquegónio (f) Anterídeo (m) Arquegónio (f) Núcleo germinativo (m) Sinergídeas (f) Gâmetas (n)   Anterozóide (m) Oosfera (f) Anterozóide (m) Oosfera (f) Anterozóide (m) Oosfera (f) Anterozóide (m) Oosfera (f)