Биология. 10 класс
Клеточный цикл и способы деления клеток
Деление клетки. Клеточный цикл. Митоз и мейоз
Образование половых клеток у животных и растений
Необходимо запомнить
В основе любого вида размножения лежит деление клеток. Продолжительность жизни многоклеточного организма превышает время жизни большинства составляющих его клеток. Все клетки многоклеточных организмов должны делиться, чтобы заменять погибающие клетки. Все новые клетки возникают путём деления из уже существующих клеток.
Митоз – основной способ деления клеток. Митоз (от греческого mitos – нить) – непрямое деление клетки. Он обеспечивает равномерную передачу наследственной информации материнской клетки двум дочерним. Именно благодаря этому виду клеточного деления образуются практически все клетки многоклеточного организма.
Митотический (клеточный) цикл состоит из подготовительной стадии интерфазы и собственно деления – митоза (фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза).
Интерфаза – процесс подготовки клетки к делению, имеет 3 периода.
Пресинтетический период, период до удвоения хромосом, (G1 от англ. Gar – интервал), 2n2с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка интенсивно растёт, в ней синтезируется РНК и различные белки, увеличивается число рибосом, митохондрий.
Синтетический период, период удвоения хромосом, (S – фаза), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК, в результате каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Постсинтетический период, период после удвоения хромосом, (G2), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка готовится к делению, синтезируются белки, из которых будет сформировано веретено деления, запасается энергия в виде АТФ.
Хромосомы начинают передвигаться к экватору клетки. Метафаза (2n4с). Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую метафазную пластинку.
Анафаза (4n4с). Начинается с деления центромер всех хромосом, в результате чего хроматиды превращаются в две совершенно обособленные, самостоятельные дочерние хромосомы. Затем дочерние хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки.
Телофаза (2n2с). Хромосомы концентрируются на полюсах клетки и деспирализуются. Веретено деления разрушается. Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток, затем происходит деление цитоплазмы клетки.
Биологическое значение митоза
Митоз обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках организма. В процессе митоза происходит распределение ДНК хромосом материнской клетки строго поровну между возникающими из неё двумя дочерними клетками.
Два последовательно сменяющих друг друга деления. Между двумя делениями – короткая интерфаза, во время которой не происходит удвоения ДНК. В результате мейоза из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. Образуются четыре гаплоидные клетки.
Биологическое значение мейоза
Является механизмом образования гамет животных и спор высших растений. Обеспечивает постоянство кариотипа и вида при половом размножении. Обеспечивает генетическое разнообразие.
Оплодотворение – процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида. Процесс оплодотворения состоит из нескольких этапов:
1. Проникновение сперматозоида в яйцеклетку.
2. Слияние гаплоидных ядер обеих гамет, в результате чего образуется зигота (диплоидная клетка).
3. Активация зиготы к дроблению и дальнейшему развитию.
Жизненный цикл клетки
Промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до её гибели или до следующего деления представляет собой жизненный цикл клетки. В это время клетка растёт, специализируется и выполняет свои функции в составе ткани и органов.
Лабораторная работа «Изучение фаз митоза в клетках корешка лука»
Практическая работа «Сравнение процессов митоза и мейоза»
«Крошечные человечки»
Сперматозоиды были открыты в 1677 г. учеником Антони ван Левенгука Людвигом ван Хаммом. Именно он принёс учителю ёмкость со спермой, утверждая, что увидел в сперме под микроскопом маленькие движущиеся существа. А. Левенгук предположил, что в них уже сформирован зародыш. Он назвал сперматозоиды «анималькулюсами» – крошечными человечками. Для того, чтобы этим человечкам увеличиться и превратиться в ребёнка, им необходимо только питание, которое можно получить в организме женщины. Эту гипотезу опроверг Р. де Грааф, который заметил сходство между яичниками птиц и млекопитающих и на этом основании заключил, что у них образуются яйца, только очень маленькие. Позднее, исследуя яичник крольчих, де Грааф рассмотрел яйцеклетку. В честь этого учёного яйцеклетка и окружающая её ткань яичника называется граафовым пузырьком – фолликулом.
Строение сперматозоида и яйцеклетки изучали достаточно долго и не сразу поняли, как они устроены. Учёные даже разделились на два лагеря: одни считали, что в яйцеклетке спрятан мельчайший человечек, который может начать развиваться только после того, как яйцеклетка будет простимулирована сперматозоидом. Другие уверяли, что яйцеклетка – это что-то вроде инкубатора, а маленький человечек находится в сперматозоиде, который и приносит его в яйцеклетку для роста и развития. Тот факт, что сперматозоиды нужны для оплодотворения яйцеклетки, был окончательно установлен только в XIX.
Образованные в семенниках сперматозоиды, уже готовые к оплодотворению, собираются здесь же – в семенниках (яичках у млекопитающих) и могут около месяца дожидаться своего часа. А вот в организме женщины за тот период, когда она способна выносить ребёнка, созревает всего 250–300 яйцеклеток. Созревающая яйцеклетка, которая образуется в яичниках, не способна самостоятельно двигаться по маточным трубам яйцевода, её проталкивают по направлению к матке ворсинки реснитчатого эпителия, выстилающего маточные трубы изнутри. Иногда, на ранних стадиях развития, зигота разделяется на две клетки, каждая из которых даёт начало новому организму. В этом случае на свет родятся два однояйцевых близнеца одного пола родятся два однояйцевых близнеца одного пола.
Что обеспечивает деление клеток многоклеточного организма
Документальные учебные фильмы. Серия «Биология».
Специализация клеток. Клетки многоклеточного организма объединены в различные органы и ткани и специализированы на выполнении разных функций. В зависимости от выполняемых функции клетки организованы по-разному. Они могут отличаться размерами и формой, набором и относительным количеством органоидов, наличием специфических гранул и т. п.
Так, в секретирующих клетках хорошо представлены эндоплазматическая сеть с рибосомами, аппарат Гольджи и различные гранулы, в мышечных клетках — митохондрии и миофибриллы — специальные белковые волокна, обеспечивающие движение, и т. д.
Еще более значительные различия клеток из разных тканей выявляются при анализе внутриклеточных белков и информационных РНК. Хотя ДНК в ядрах всех клеток организма одинакова, однако в каждом конкретном типе клеток и-РНК считывается с различных участков ДНК. Следовательно, и белки, синтезированные на рибосомах с этих РНК, будут разными. Другими словами, в ядерной ДНК имеется информация о работе всех частей организма, но в каждой отдельной клетке используется только часть этой информации, как правило, очень небольшая. Так. для тканей цыпленка показано, что в клетках печени и яйцевода считывается информация всего с 2,05% и 1,8% ДНК соответственно. При этом синтезируемая РНК на три четверти одинакова в обоих типах клеток. Расчеты показывают, что примерно 12 тыс. генов считывается и в печени, и в яйцеводе, 5 тыс. генов — только в печени и 3 тыс. генов — только в яйцеводе.
Гены, транскрипция которых происходит в клетках всех типов, очевидно, обеспечивают выполнение общеклеточных функций. Их иногда называют генами «домашнего хозяйства», в противоположность тем генам, которые определяют выполнение специализированных функций клеток.
Приспособленные к выполнению определенных функций клетки не могут выполнять все остальные функции и для нормальной жизнедеятельности должны пользоваться результатами работы других клеток. Так, клетки кишечника обеспечивают клетки всего организма строительными материалами, но сами нуждаются в кислороде, который им поставляют эритроциты, и т. д. Таким образом, все клетки организма оказываются взаимозависимыми. Координация работы клеток достигается сложной системой их взаимоотношений.
Механизмы взаимодействия клеток. Клетки постоянно поддерживают связь друг с другом. Соседние клетки во многих тканях связаны специальными каналами так, что вещества с небольшой молекулярной массой могут непосредственно переходить из клетки в клетку. С помощью таких контактов достигается согласованная работа многих клеток. Кроме этого, клетки могут обмениваться сигналами на расстоянии, синтезируя специальные химические вещества. Молекулы этих веществ могут очень быстро разрушаться или поглощаться соседними клетками, и тогда сигнал будет воспринят только близко расположенными клетками. Но есть такие вещества, которые по кровеносному руслу способны достигать самых отдаленных клеток, влияя на их функции. К ним относятся гормоны — продукты желез внутренней секреции. У человека и других млекопитающих их известно несколько десятков. Под контролем гормонов протекают все этапы жизнедеятельности организма от его зарождения до старости.
На тот или иной гормон реагируют клетки, в плазматической мембране которых или внутри клетки имеется соответствующий рецептор, способный связываться с молекулой гормона. Взаимодействие гормона с рецептором является сигналом для начала синтеза новых или изменения скорости синтеза уже существующих белковых молекул. Синтез самих гормонов регулируется сигналами о состоянии организма, поступающими от всех его рецепторов в промежуточный мозг и далее в гипофиз — центральную железу внутренней секреции.
Гормоны известны не только у позвоночных, но и у высокоразвитых беспозвоночных животных: моллюсков, ракообразных, насекомых. Насекомые, в частности виды рода Drosophila, оказались удобной моделью для изучения механизмов действия гормонов на такие важные этапы онтогенеза, как рост, линька, метаморфоз и половое размножение.
Клетки растений также способны вырабатывать гормоны (фитогормоны), которые регулируют и координируют индивидуальное развитие: ауксины, гиббереллины, цитокинины. Фитогормоны вырабатываются в интенсивно растущих тканях: кончиках корней, верхушках стеблей, в молодых листьях, а затем током жидкости переносятся к другим частям растения, стимулируя их рост и развитие.
Гормоны растений в небольших концентрациях применяют в сельском хозяйстве для стимуляции прорастания семян и посадочного материала, для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Говоря о клеточных взаимодействиях, необходимо особо упомянуть клетки нервной системы, координирующей деятельность всех частей организма и обеспечивающей контакт с внешней средой. Нервные клетки передают друг другу сигналы как с помощью прямого электрического взаимодействия через специальные клеточные контакты, так и через химические вещества — медиаторы (лат. mediator — посредник), вырабатываемые нервными и рецепторными клетками.
Контроль клеточного деления. Регуляция деятельности клеток выражается не только в изменении белкового синтеза, но и в контроле за участием клеток в митотических делениях. Уже во время дробления по мере увеличения числа бластомеров появляется и постепенно нарастает асинхронность деления. У одних видов это происходит быстрее, у других медленнее. По мере развития зародыша многие клетки постепенно специализируются на выполнении тех или иных функций и перестают делиться.
В закончившем рост взрослом организме деление происходит лишь в немногих обновляющихся тканях. У животных это в основном кроветворная, лимфоидная и эпидермальная ткани. Например, продолжительность жизни эритроцитов в организме человека составляет около 120 суток. Каждую секунду в печени и селезенке разрушается примерно 2,5 млн. эритроцитов и столько же возникает их в костном мозге.
Клетки, сохранившие у взросло-го организма способность к размножению и дифференцировке в определенном направлении, называются стволовыми. После каждого деления стволовой клетки одна из вновь образовавшихся начинает дифференцироваться в специализированную клетку, другая остается в стволовой линии.
Некоторые клетки и в дифференцированном состоянии не теряют потенциальной способности к делению и в случае повреждения частей организма могут вступить в митоз. В качестве примера можно упомянуть клетки печени млекопитающих, которые начинают делиться при удалении части органа.
У растений способность к делениям сохраняют клетки меристемы (греч. meristos — делимый). Они обеспечивают непрерывное нарастание массы и обновление ежегодно отмирающих частей растения.
Известны случаи, когда клетки выходят из-под контроля организма и начинают интенсивно делиться — это раковые клетки. Их неконтролируемое размножение приводит к возникновению опухолей.
Клеточные культуры. Извлеченным из организма клеткам можно создать такие условия, при которых они будут жить и размножаться в искусственной среде (in vitro — вне организма, в отличие от in vivo — в организме), образуя культуру клеток. Клеточные культуры можно получать из таких клеток, которые в составе организма потеряли способность к делению, например из лейкоцитов периферической крови. Изучение поведения клеток в культуре помогает понять механизмы контроля деления клеток. Установлено, что в этом контроле главную роль играют клеточные взаимодействия.
Наблюдение за клеточными культурами показало, что клетки активно делятся и расползаются по стеклу сосуда, в котором их культивируют до тех пор, пока они не начнут соприкасаться друг с другом. Контакт поверхностей соседних клеток приводит к остановке их движения и одновременно выключает клетки из размножения. Когда клетки плотным слоем покроют всю доступную им поверхность сосуда, деления прекратятся. Некоторое время клетки будут жить, потом в них начнут возникать всевозможные нарушения, и если часть клеток не пересадить в другой сосуд, на новую среду, то культура погибнет.
Интересно, что пересев клеток на новую среду не всегда стимулирует клеточное размножение. Клетки, претерпевшие несколько пересевов, со временем не приступают к делению даже на новой среде. Специальные эксперименты показали, что клетки, взятые из тканей взрослых организмов, способны делиться in vitro меньшее число раз, чем клетки, полученные из эмбрионов. Причину этого явления, названного по имени открывшего его ученого феноменом Хейфлика, многие исследователи видят в старении клеток, и в настоящее время клеточные культуры служат объектом изучения механизмов старения на клеточном уровне.
Клетки, взятые из раковых опухолей, ведут себя в культуре немного иначе. Контакт поверхностей клеток не останавливает их делений, они продолжают размножаться и культура становится многослойной. Не подчиняются опухолевые клетки и правилу Хейфлика: они могут претерпевать неограниченное число делений.
Некоторые клетки в культуре остаются дифференцированными: синтезируют специфические белки, сохраняют морфологические особенности, например опухолевые клетки лимфоидного происхождения. Другие клетки при переносе их в искусственные условия становятся недифференцированными. Изменение условий выращивания иногда приводит к потере, иногда к приобретению свойств дифференцированных клеток. Это позволяет использовать клетки в культуре для изучения механизмов клеточной дифференцировки.
Сохранение некоторыми клетками in vitro дифференцированного состояния послужило толчком для создания клеточных культур с практическими целями для получения из них веществ, которые синтезируются этими клетками. Так получают антитела к различным белкам. Можно получать и лекарственные вещества из клеток тех растений, которые плохо выращиваются на плантациях.
Клеточные культуры нашли применение и в медицине. Для диагностики наследственных заболеваний иногда необходимо достаточно большое количество клеток организма для того, чтобы можно было провести биохимический анализ. Если диагноз нужно установить у эмбриона человека, то взятие материала на анализ представляет большую проблему. В этом случае на помощь приходит техника клеточных культур: несколько сотен клеток, взятых из ворсинок оболочки зародыша без вреда для него, достаточно, чтобы вырастить большую клеточную массу. Клеточные культуры используют и в вирусологии — для выращивания вирусов к изучения их свойств, а также в фармацевтической и химической промышленностях для исследования повреждающего действия на ДНК и хромосомы вновь синтезированных химических веществ.
Способ деления клеток при бесполом размножении
Способ деления клеток
ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ — процесс репродукции клеток, в результате к-рого из исходной материнской клетки образуются новые, дочерние клетки. У многоклеточных организмов Д. к. лежит в основе роста и развития, а также регенерации тканей и органов; у одноклеточных организмов Д. к.— по существу процесс размножения самого организма (см. Бесполое размножение). Благодаря Д. к. обеспечивается непрерывность существования последовательных поколений клеток и целых организмов.
У примитивных организмов (так наз. прокариотов, гл. обр. бактерий), клетки которых не содержат морфологически обособленного ядра, Д. к. происходит путем образования продольной или поперечной перетяжки, почкованием или множественным делением. Во всех случаях Д. к. предшествует репликация генетического материала. У организмов (эукариотов), клетки которых имеют ядра, Д. к. всегда начинается с деления ядра (кариотомия), вслед за к-рым происходит разделение клеточного тела на две части — цитотомия.
У клеток, имеющих ядро, различают два типа Д. к.: митоз (см.), присущий всем соматическим клеткам животных и растительных организмов, и мейоз (см.), характерный для половых клеток животных, а также растений, размножающихся половым путем. Митоз обеспечивает образование генетически равноценных (в ряду поколений) клеток с диплоидным (двойным) набором хромосом. Мейоз представляет собой два следующих друг за другом деления клеток, к-рым предшествует один акт репликации хромосом, в результате чего возникают половые клетки с гаплоидным (одинарным) набором хромосом.
Причины, побуждающие клетки к делению, еще не изучены, и их связывают чаще с репликацией генетического материала, с изменениями в обмене веществ, наступающими в процессе жизнедеятельности клеток.
Наибольшей митотической активностью обладают клетки эмбрионального периода развития. Во взрослом организме клетки различных тканей и органов обладают различной способностью к делению. Интенсивно делятся клетки кроветворных органов, мужских половых желез, крипт кишечника, тогда как нервные и мышечные клетки в постнатальном периоде теряют способность к делению. Однако большинство клеток, обычно не делящихся, при определенных условиях способно к делению. Такими условиями могут стать травма или удаление органа, вследствие чего наблюдается явление репаративной регенерации (см.), а также культивирование высокоспециализированных клеток вне организма. Патология деления клеток весьма разнообразна. Она может быть связана с повреждением хромосом, с изменениями в митотическом аппарате, с нарушениями цитотомии. Так, при формировании в клетке многополюсного веретена деления наступает множественное деление — по числу полюсов. При этом имеет место неравномерное распределение хромосом между дочерними клетками, т. е. анэуплоидия (см. Хромосомный набор). Патол, митозы часто встречаются в опухолевых клетках, при лучевой болезни, вирусных инфекциях и т. д.
Для прямого деления, или амитоза (см.), характерно отсутствие образования хромосом и веретена деления, часто отсутствует цитотомия. Амитотическое деление обычно возникает как реакция ткани на изменившиеся условия, и сам термин в понимании его как способа размножения клеток, по-видимому, утратил свое значение.
Библиография: Алов И. А. Цитофизиология и патология митоза, М., 1972, библиогр.; Алов И. А., Брауде А. И. и Аспиз М. Е. Основы функциональной морфологии клетки, М., 1969; Афанасьев Ю. И., Королев В. В. и Котовский Е. Ф. Ядро клетки и некоторые вопросы цитогенетики, М., 1970, библиогр.; Введение в цитологию, под ред. В. П. Михайлова, М., 1968, библиогр.; М э з и я Д. Митоз и физиология клеточного деления, пер. с англ., М., 1963, библиогр.; Робертис де Э., Новинский В. и Саэс Ф. Биология клетки, пер. с англ., М., 1973; Цанeв Р. Г. и Марков Г. Г. Биохимия клеточного деления, пер. с болг., М., 1964, библиогр.Е. Ф. Котовский.
Клеточный цикл клетки
Клеточный цикл – период жизни клетки от момента ее образования путем деления материнской до собственного деления.
Способы деления соматических клеток:
1) деление надвое, или бинарное;
2) амитоз – прямое деление;
3) митоз – непрямое деление;
4) мейоз – редукционное деление.
Деление надвое, или бинарное характерно для клеток прокариот (бактерий), в которых имеется нуклеоид – генетический аппарат бактериальной клетки (бактериальная хромосома).
Представляет собой кольцевидную молекулу ДНК, не соединенную с гистонами. Нуклеоид обычно находится в центре клетки и не отграничен своей мембраной от содержимого клетки. Деление нуклеоида происходит после завершения репликации ДНК. Расхождение дочерних ДНК обеспечивается ростом клеточной мембраны. Перед делением клетки ДНК удваивается, и образуются 2 кольцевые молекулы ДНК. Затем клеточная мембрана врастает в цитоплазму, встраивается между 2 молекулами ДНК и делит клетку надвое.
Амитоз – прямое деление интерфазного ядра клетки путем перетяжки, при котором не происходит образование веретена деления.
При амитозе ядро делится, а цитоплазма может оставаться неразделенной. В этом случае хромосомы распределяются неравномерно. Путем амитоза делятся клетки, в которых протекают патологические процессы, например, клетки злокачественных опухолей. У человека и животных амитотически делятся клетки печени, хрящевой ткани, роговицы глаза. У растений амитотически делятся клетки эндосперма. Признаки, характеризующие амитоз:
1) деление ядра может происходить без деления цитоплазмы;
2) встречается он в специализированных клетках (в клетках хрящевой ткани, роговицы глаза);
3) клетка, в которой произошел амитоз, не способна к митозу.
Митоз – основной тип деления эукариотических клеток.
Митоз – это непрямое деление соматических клеток эукариотических организмов, при котором дочерние ядра несут такое же число хромосом, что и родительская клетка.
Митоз обеспечивает увеличение числа клеток в организме, рост, процессы регенерации.В 1874 г. И.Д. Чистяков описал некоторые фазы митоза у спор плауна и хвоща. Затем детально исследовали митоз немецкий ботаник, Э. Страсбургер (1876–1879 гг.) – в клетках растений и немецкий цитолог, В. Флемминг (1882 г.) – в клетках животных.
Митотический цикл – совокупность процессов, происходящих в клетке при подготовке ее к делению и в период ее деления.
В постмитотическом (пресинтетическом) периоде – фаза G1 идет подготовка клетки к удвоению ДНК: интенсивный рост клетки; активный биосинтез РНК, белков, липидов, углеводов, АТФ и ферментов.
Способ синтеза ДНК – репликация, или самоудвоение молекулДНК. В ходе репликации происходит передача наследственной информации от материнской ДНК к дочерней ДНК путем точного ее воспроизведения.
В результате репликации ДНК каждая хромосома удваивается и состоит из двух хроматид. Хроматиды соединены в центромерной области.
В премитотическом (постсинтетическом) периоде – фаза G2, длящемся от 2 до 6 часов, происходит: удвоение органелл; синтез белков, липидов, углеводов, синтез АТФ; синтезируются белки, необходимые для образования микротрубочек веретена деления.
Рис. 26. Схема митотического цикла
В делении животных клеток принимает участие органелла – клеточный центр (центросома). Это немембранная органелла, расположенная около ядра, в цитоплазме клетки. Клеточный центр участвует в формировании веретена деления при воспроизводстве клеток. Хромосомы в интерфазе удвоены, и, вступая в митоз, состоят из двух сестринских хроиматид.
Митоз (М) подразделяется на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 27).
Профаза – стадия митоза, в ходе которой происходит конденсация хромосом, распад ядрышек, начинает формироваться веретено деления. В профазе каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой в области центромеры. В конце профазы исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки.
Возникает митотическое веретено, состоящее из микротрубочек.
Хроматиды хорошо различимы во время метафазы митоза, когда хромосома состоит из двух хроматид.
Анафаза – стадия митоза, характеризующаяся расхождением сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки.Это самая короткая стадия митоза. После деления центромеры хроматиды расходятся в дочерние ядра и становятся самостоятельными хромосомами.
Движение хромосом осуществляется благодаря кинетохору и нитям веретена, которые сокращаются и растягивают хроматиды от экватора к полюсам клетки
Телофаза – стадия митоза, характеризующаяся формированием дочерних ядер.
Они являются генетической копией материнской клетки и содержат диплоидный набор хромосом – 2nc.
Рис. 27. Фазы митоза животной клетки: А–В профаза; Г– прометафаза; Д– метафаза; Е– анафаза; Ж– телофаза; З– цитокинез
Биологическое значение митоза
Митоз обеспечивает генетическую преемственность поколений клеток, генетическую стабильность, т. е. видовое постоянство числа хромосом в клетках.
Митотический индекс (m)– отношение числа претерпевающих митоз клеток в ткани к общему числу клеток ткани или культуры. Митотический индекс определяется по формуле m= Nm / N, где Nm – число претерпевающих митоз клеток в ткани, а N – общее число клеток ткани (1000 клеток).
У каждой ткани – свой митотический индекс. Более высокие его показатели характерны для росткового слоя кожи (0,7), верхушечная и боковая меристемы (0,7), эпителия тонкого кишечника (0,78), клеток красного костного мозга (0, 74), а более низкие – для скелетной мышечной ткани (0,0001) и нервной ткани (0,0001).
Мейоз
Мейоз – процесс деления диплоидных клеток половых желез, в ходе, которого наблюдаются редукционное деление, приводящее к уменьшению числа хромосом в дочерних клетках вдвое и уравнительное деление, приводящее к образованию гамет.
Мейоз открыт В. Флеммингом в 1882 г. у животных, а Э. Страсбургер в 1888 г. выявил редукцию числа хромосом у растений.
Интерфаза мейоза. В интерфазе происходит удвоение молекул ДНК в синтетическом периоде.
При этом удваиваются хромосомы. В каждой хромосоме содержится по 2 хроматиды (2n2c).
1. Первое деление мейоза
Профаза 1. В профазу 1 вступают хромосомы, удвоенные в интерфазе.
Поэтому в начале профазы хромосомы удвоены (диплоидный набор) и в каждой из них содержится по 2 хроматиды (2n2c).
Затем осуществляются процессы (рис. 28) конъюгации и кроссинговера. В профазе-1 различают стадии: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез.
Конъюгация хромосом – процесс попарного временного сближения гомологичных хромосом.
Лептотена – стадия тонких нитей. На стадии зиготены гомологичные хромосомы сближаются попарно и образуют тетрады – структуры из четырех хроматид, или биваленты. Вследствие конъюгации каждый бивалент состоит из 4 сестринских хроматид. Формула генетического материала имеет вид 2n4c.
Кроссинговер – перекрест гомологичных хромосом или хроматид, сопровождающийся обменом соответствующими участками между хроматидами (процессом рекомбинации). На стадии пахитены в бивалентах происходит кроссинговер: взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом, формируются хиазмы – места перекреста хромосом.
Поскольку каждая хиазма соответствует одному событию кроссинговера, в котором участвуют две несестринские хроматиды, то по количеству хиазм можно судить об интенсивности процесса кроссинговера. В хромосомном наборе человека число хиазм колеблется от 35 до 66. Возможен обмен участками между несестринскими хроматидами соседних хромосом – (несестринский обмен) или между сестринскими хроматидами – в пределах одной хромосомы (сестринский обмен).
Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация генов, образуется генетически неоднородный материал, возникают генетические различия между хроматидами, что обеспечивает широкую генетическую изменчивость гамет.
На стадии диплотены тетрадный комплекс разрушается. Гомологи отталкиваются друг от друга. Диакинез – стадия завершающая профазу мейоза-1, переходная к метафазе-1. Биваленты укорачиваются, разрушается ядро, начинает формироваться веретено деления.
Метафаза 1. Биваленты, уже генетически неоднородные, располагаются в 2 слоя по экватору клетки.
В анафазе к полюсам расходятся хромосомы, состоящие из 2 хроматид, т. е. расходятся половинки бивалентов. Этот процесс называется редукционное деление, в результате которого образуются две клетки, в которых содержится по одной хромосоме, но каждая хромосома состоит из двух хроматид.
Формируется гаплоидный набор хромосом. Поэтому формула генетического материала в анафазе-1 имеет вид – n2c).
Телофаза 1. Образуются 2 клетки с гаплоидным набором хромосом и удвоенным количеством ДНК.
в каждую клетку попадают 2 сестринские хроматиды, соединенные центромерой.
Итак, уже после первого мейотического деления в клетке содержится гаплоидный набор хромосом, и каждая хромосома состоит из двух хроматид.
2.Второе деление мейоза – уравнительное деление (митоз мейоза). Между первым и вторым делениями мейоза присутствует период – интеркинез.
В отличие от интерфазы в интеркинезе не реплицируется ДНК, и удвоение хромосом не происходит.
Второе деление мейоза включает такие же фазы, что и первое деление –профазу-2, метафазу-2, анафазу-2, телофазу-2.
В профазе-2 и метафазе-2 мейоза еще сохраняются по две хроматиды в каждой хромосоме. В профазе II мейоза хромосомный набор клетки можно записать в виде формулы 1 n 2 c (n – число хромосом, c – число хроматид).
В анафазе-2 сестринские хроматиды расходятся к полюсам клетки, и каждая из них становится самостоятельной хромосомой.
В результате расхождения хроматид к полюсам клетки происходит уравнительное деление.
Рис. 28. Стадии мейоза. Поведение хромосом. Отцовские хромосомы окрашены в черный цвет, материнские – в белый.
Таким образом, мейоз состоит из двух последовательных делений (редукционного и уравнительного).
Перед первым делением мейоза, в интерфазе, происходит синтез ДНК, вследствие чего, в каждой хромосоме будет по две хроматиды (однократная репликация ДНК – 2n2c). Редукционное деление заканчивается образованием двух клеток, содержащих гаплоидный набор хромосом, состоящих их двух хроматид (1n2c). Перед вторым делением в мейозе отсутствует интерфаза. Поэтому второму делению не предшествует синтез ДНК и удвоение хромосом. В результате уравнительного деления (митоза мейоза) из одной исходной диплоидной клетки половой железы образуются 4 гаплоидные генетически разнородные клетки.
После уравнительного деления формула генетического материала имеет вид – 1n1c.
Биологическое значение мейоза состоит: 1) в формировании генетически разнообразного материала, вследствие кроссинговера; 2) в разнообразии видов, т. к. мейоз служит основой комбинативной изменчивости организмов; 3) в формировании гамет, участвующих в половом размножении; 4) в поддержании генетического постоянства видов.
Способы деления клеток
Одноклеточные сочетают в себе свойства клетки и организма. У многоклеточных организмов разные клетки специализируются на выполнении различных функций. Для того чтобы многоклеточный организм существовал как целое, деятельность отдельных клеток должна быть хорошо согласована и подчинена задачам обеспечения деятельности целого организма.
Развития многоклеточных организмов связано с делением клеток и возникновением морфологических и функциональных различий между ними.
Представление о самовоспроизведении клеток сложилось у биологов к середине XIX в. В концентрированной форме его выразил один из основоположников клеточной теории Рудольф Вирхов в утверждении: «Всякая клетка от клетки».
Ни одна клетка не может существовать вечно. Все новые клетки образуются путем деления уже существующих. При этом весь материал делящейся (материнской) клетки равномерно распределяется между двумя новыми (дочерними) клетками.
У одноклеточных организмов деление клеток является и способом размножения.
Многоклеточный организм начинает свое развитие также с одной-единственной клетки. Последовательные ее деления приводят к возникновению многочисленных новых клеток, которые дифференцируются и образуют различные структуры многоклеточного зародыша, а затем и взрослого организма.
Фото: Ano Lobb
Деление клетки – это процесс образования двух или нескольких дочерних клеток из одной – материнской.
Благодаря делению клеток происходит рост многоклеточного организма, регенерация, а также размножение всех клеточных форм жизни.
Период жизни клетки от начала деления до следующего деления называется клеточным циклом. Период между делениями называется интерфазой. Интерфаза вместе с митозом образуют клеточный, или митотический, цикл.
В зависимости от специализации клетки многоклеточного организма заметно отличаются друг от друга по продолжительности жизни и функциям.
Все клетки, составляющие многоклеточный организм, подразделяют на половые и соматические (от сома – тело). Известно, что нервные клетки после завершения эмбрионального периода развития уже не делятся и функционируют на протяжении всей жизни организма.
Другие же соматические клетки, например, клетки костного мозга, эпителия или тонкого кишечника, в процессе жизнедеятельности быстро разрушаются, и поэтому в этих тканях клетки размножаются непрерывно. Процесс размножения соматических клеток называют пролиферацией. Скорость пролиферации при развитии организма, а также локализация этого процесса находятся под строгим генетическим контролем, определяющим возникновение характерной формы, свойственной представителям данного вида.
В клеточном цикле различают:
— хромосомный цикл, в котором репликация ядерной ДНК (синтез ДНК) чередуется с митозом (делением ядра), в котором разделяются реплицированные копии генома.
— цитоплазматический цикл, при котором клетка растет, удваиваются в числе другие клеточные компоненты, чередуется с цитокинезом – делением всей клетки на две. Оба этих взаимосвязанных цикла должны быть скоординированы между собой. Клеточный цикл регулируется факторами внеклеточной среды (индукторы пролиферации), а также внутриклеточным состоянием аппарата регуляции активности генов.
Интерфаза – период между делениями клетки.
Это достаточно длительный процесс, обычно занимающий не менее 90 % всего времени клеточного цикла.