Do sự gặp gỡ ngẫu nhiên hoặc có chọn lọc của các cơ thể bố mẹ cùng loài và sự bài xuất đồng thời của các cơ thể bố mẹ cùng loài và sự bài xuất đồng thời của các giao tử đã chin thành thục qua hình thức thụ tinh ngoài hoặc thụ tinh trong, tinh trùng sẽ di chuyển để đến gặp trứng và xâm nhập vào tế bào trứng, đó là quá trình thụ tinh. Mỗi lần phóng tính có thể có tới vài tổ tinh trùng song thường chỉ có một tinh trùng thụ tinh với trứng thôi.
Về bản chất thụ tinh gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn kết hợp của hai bộ phận nhân đơn bội khác nguồn để tạo thành bộ nhân lưỡng bội của tế bào hợp tử duy nhất, khởi nguồn cho cơ thể mới.
- Giai đoạn hoạt hóa tế bào trứng - Giai đoạn hình thàng màng thụ tinh.
Hình 7.2. Sự thụ tinh
Ba giai đoạn này diễn ra đồng thời như sau:
Khi gặp tế bào trứng, phần chóp của tinh trùng khoan và tiết ra enzymee để dung giải vỏ ngoài của trứng. Hàng loạt các biến đổi sinh học và hóa học của trứng được bắt đầu. Trên mặt trứng chỗ lổ noãn xuất hiện một nón hút lồi ra để hút tinh trùng vào, đồng thời trứng nhanh chóng hoàn thành lần phân bào giảm nhiễm II để tống cực cầu II ra ngoài.
Trứng tiết ra fectilizin trên bề mặt kết với với anti-fectilizin trên cực đầu của tinh trùng đảm bảo cho sự kết dính của tinh trùng và bề mặt trứng.
Sau khi đầu và cổ của tinh trùng (ở động vật có vú bao gồm cả đuôi) đã chui vào trong trứng và tế bào trứng hoàn thành lần phân chia giảm nhiễm II thì tinh trùng di chuyển ở trong sinh chất của trứng tới nơi đối diện nơi đã tống cực cầu. Đầu tinh trùng phồng lên và nhân trứng cũng nở lớn. Lượng DNA được nhân đôi, NST ở dạng kép. Khi nhân đực nguyên ủy và nhân cái nguyên ủy đã tới vị trí đối diện với nơi đã tống cực cầu thì thể sao kép xuất hiện và thoi vô sắc đựoc hình thành. Nhân đực và nhân cái hình thành NST kích thước hiển vi rồi dần nhập vào thoi vô sắc. Màng nhân biến mất. Các NST sắp xếp trên mặt phẳng xích đạo. Trạng thái bộ đôi của các NST tương đồng được khôi phục; tế bào hợp tử được hình thành ngay trong lần phân cắt đầu tiên của phôi.
Khi tinh trùng di chuyển trong tế bào trứng, các sắc tố ở vùng vỏ trứng di chuyển theo, để lại một vùng không có sắc tố gọi là vùng liền xám. Về sau vùng này trở thành vùng cảm ứng của phôi.
Nhờ tác dụng của tinh trùng, tế bào trứng được hoạt hóa thoát khỏi trạng thái ngưng trệ. Hệ thống enzymee từ trạng thái bất hoạt trở nên hoạt động mạnh. Hàng loạt các biến đổi hóa học diễn ra trong bào tương. Nhu cầu oxy tăng 600%. Lượng trao đổi phosphor tăng 100 lần, Ca và Mg tăng 10 lần; sự tổng hợp protein tăng cao. Các mRNA có sẵn trong trứng trước thụ tinh từ trạng thái nghỉ được giải phóng khỏi sự kìm hãm để làm khuôn tổng hợp các chuỗi polypeptide. Các ribosome tự do trong bào tương tạo thành polysome để tham gia tổng hợp protein chuẩn bị cho phân bào.
Trong giai đoạn tạo hợp tử, ở nhiều loài sau khi tinh trùng chui vào tế bào trứng, tế bào trứng hình thành ngay màng thụ tinh, ngăn cản không cho các tinh trùng khác xâm nhập vào trứng nữa, loại trừ hiện tượng đa thụ tinh vì thừa nhân đực trong tế bào trứng có thể thành thành thoi phân bào ba/nhiều cực, phá rối sự phát triển bình thường của nhiều hợp tử.