Деление клеток - это репродуктивный механизм, при котором живые организмы растут, развиваются и производят потомство. По завершению митотического одна клетка делится на две дочерние клетки. Родительская клетка, подвергающаяся мейозу, продуцирует четыре дочерние клетки.

В то время как митоз свойственен как прокариотическим, так и эукариотическим организмам, мейоз возникает в животных, растений и грибов.

Дочерние клетки в митозе

Митоз - это этап клеточного цикла, который включает деление и разделение хромосом. Процесс деления завершается цитокинезом, когда разделяется и образуются две разные дочерние клетки. До митоза клетка готовится к делению, реплицируя ДНК, увеличивает массу и количество . Митоз включает несколько фаз: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. На этих фазах хромосомы отделяются, перемещаются в противоположные полюсы клетки и включаются во вновь образованные ядра. В конце процесса деления, дублированные хромосомы разделяются поровну между двумя клетками. Эти дочерние клетки являются генетически идентичными , которые имеют одинаковое количество и тип хромосом.

Соматические клетки являются примерами клеток, делящихся посредством митоза. К ним относятся все , за исключением половых клеток.

Раковые клетки, делящиеся через митоз, способны продуцировать три или более дочерних клетки. Эти клетки имеют либо слишком много, либо недостаточно хромосом из-за нерегулярного деления.

Дочерние клетки в мейозе

В организмах, способных к , дочерние клетки продуцируются мейозом. Мейоз - это процесс, состоящий из двух этапов, которые продуцируют . Делящаяся клетка дважды проходит через профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В конце мейоза и цитокинеза четыре продуцируются из одной диплоидной клетки. Эти гаплоидные дочерние клетки имеют половину числа хромосом от родительской клетки и генетически не идентичны ей. Во время полового размножения гаплоидные гаметы объединяются при и становятся диплоидной зиготой. Зигота продолжает разделяться митозом и развивается в полностью функционирующий организм.

Дочерние клетки и хромосомное движение

Как дочерние заканчивают деление с соответствующим числом ? Ответ на этот вопрос касается устройства веретена деления, состоящего из микротрубочек и белков, которые манипулируют хромосомами во время деления клеток. Волокна веретена прикрепляются к реплицированным хромосомам, перемещая и разделяя их, когда это необходимо.

Митотические и мейотические веретена перемещают хромосомы в противоположные полюса клеток, гарантируя, что каждая дочерняя клетка получит правильное количество хромосом. Веретено деления также определяет расположение метафазной пластины - плоскость, на которой клетка в конечном счете разделается.

Дочерние клетки и цитокинез

Последний этап в деления клеток происходит в цитокинезе. Этот процесс начинается во время анафазы и заканчивается после телофазы. Во время цитокинеза делящаяся клетка разделяется на две дочерние с помощью веретена деления. В устройство веретена определяет местоположением важной структуры в процессе деления клеток, называемой сократительным кольцом. Сократительное кольцо образовано из филаментов, белков актина и микротрубочек, включая моторный белок миозин. Миозин сжимает кольцо актиновых нитей, образуя глубокую бороздку, называемую бороздкой расщепления. Поскольку сократительное кольцо продолжает сжиматься, оно делит цитоплазму и разделяет клетку на две вдоль бороздки расщепления.

Процесс цитокинеза отличается в . Растительные клетки не содержат астры, звездообразные микротрубочки, которые помогают определить место бороздки расщепления. На самом деле в цитокинезе растительных клеток не образуется спайная бороздка. Вместо этого дочерние клетки разделяются клеточной пластиной, образованной везикулами, которые высвобождаются из органелл сестринских хроматид , которое происходит в анафазе митоза и анафазы II мейоза. Дочерние хромосомы развиваются из репликации одноцепочечных хромосом в фазе синтеза (S-фаза) клеточного цикла.

Одноцепочечные хромосомы превращаются в двухцепочечные хромосомы, которые удерживаются вместе в области, называемой . Двухцепочечные хромосомы известны как сестринские . Сестринские хроматиды в конечном счете разделяются и делятся между вновь образованными дочерними клетками. Каждая отдельная хроматида известна как дочерняя хромосома.

Половое размножение животных, растений и грибов связано с формированием специализированных половых клеток - гамет, которые при оплодотворении сливаются, объединяя свои ядра. Естественно, что при этом в зиготе оказывается в два раза больше хромосом, чем в каждой из гамет. Такой же двойной набор хромосом будут иметь и клетки всего организма, выросшего из зиготы. Действительно, неполовые, соматические (от греч. «сома» - тело), клетки большинства многоклеточных организмов имеют двойной, диплоидный (2n), набор хромосом, где каждая хромосома имеет парную, гомологичную, хромосому. Гаметы же имеют одинарный, гаплоидный (n), набор хромосом, в котором все хромосомы уникальны и не имеют пар - гомологов. Особый тип деления клеток, в результате которого образуются половые клетки, называют мейозом (рис. 30). В отличие от митоза, при котором сохраняется число хромосом, получаемых дочерними клетками, при мейозе число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое.

Рис. 30. Схема мейоза

Процесс мейоза состоит из двух последовательных клеточных делений - мейоза I (первое деление) и мейоза II (второе деление). Удвоение ДНК и хромосом происходит только перед мейозом I.

В результате первого деления мейоза, называемого редукционным, образуются клетки с уменьшенным вдвое числом хромосом. После второго деления следует формирование зрелых половых клеток.

Фазы мейоза. Во время профазы I мейоза двойные хромосомы хорошо видны в световой микроскоп. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые связаны вместе одной центромерой. В процессе спирализа-ции двойные хромосомы укорачиваются. Гомологичные хромосомы тесно соединяются друг с другом продольно (хроматида к хроматиде), или, как говорят, конъюгируют. При этом хроматиды нередко перекрещиваются или перекручиваются одна вокруг другой. Затем гомологичные хромосомы начинают как бы отталкиваться друг от друга. В местах перекреста хроматид происходят поперечные разрывы, и хроматиды обмениваются участками. Это явление называют перекрестом хромосом (рис. 31). Одновременно, как и при митозе, распадается ядерная оболочка, исчезает ядрышко, образуются нити веретена. Отличие профазы I мейоза от профазы митоза состоит в конъюгации гомологичных хромосом и взаимном обмене участками в процессе перекреста хромосом.

Рис. 31. Перекрест хромосом в мейозе

Характерный признак метафазы I - расположение в экваториальной плоскости клетки гомологичных хромосом, лежащих парами. Вслед за этим наступает анафаза I, во время которой целые гомологичные хромосомы (каждая состоит из двух хроматид) отходят к противоположным полюсам клетки. (Заметим, что при митозе к полюсам деления расходились хроматиды.) Очень важно подчеркнуть одну особенность расхождения хромосом на этой стадии мейоза: гомологичные хромосомы каждой пары расходятся в стороны случайным образом, независимо от хромосом других пар. У каждого полюса оказывается вдвое меньше хромосом, чем было в клетке при начале деления. Затем наступает телофаза I, во время которой образуются две клетки с уменьшенным вдвое числом хромосом.

Интерфаза короткая, так как синтеза ДНК не происходит. Далее следует второе мейотическое деление (мейоз II). Оно отличается от митоза только тем, что количество хромосом в метафазе II вдвое меньше, чем количество хромосом в метафазе митоза у того же организма. Поскольку каждая хромосома состоит из двух хроматид, то в метафазе II центромеры хромосом делятся, и к полюсам расходятся хроматиды, которые становятся дочерними хромосомами. Только теперь наступает настоящая интерфаза. Из каждой исходной клетки возникают четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.

Разнообразие гамет. Рассмотрим мейоз клетки, имеющей 3 пары хромосом (2n=6). После двух мейотических делений образуются 4 клетки с гаплоидным набором хромосом (n=3). Поскольку хромосомы каждой пары расходятся в дочерние клетки независимо от хромосом других пар, равновероятно образование восьми типов гамет с различным сочетанием хромосом, имевшихся в материнской клетке.

Еще большее разнообразие гамет обеспечивается конъюгацией и перекрестом гомологичных хромосом в профазе мейоза.

Биологическое значение мейоза. Если бы в процессе мейоза не происходило уменьшения числа хромосом, то в каждом следующем поколении при слиянии ядер яйцеклетки и сперматозоида число хромосом увеличивалось бы бесконечно. Благодаря мейозу зрелые половые клетки получают гаплоидное (n) число хромосом, при оплодотворении же восстанавливается свойственное данному виду диплоидное (2n) число. При мейозе гомологичные хромосомы попадают в разные половые клетки, а при оплодотворении парность гомологичных хромосом восстанавливается. Следовательно, обеспечивается постоянный для каждого вида полный диплоидный набор хромосом и постоянное количество ДНК.

Происходящие в мейозе перекрест хромосом, обмен участками, а также независимое расхождение каждой пары гомологичных хромосом определяют закономерности наследственной передачи признака от родителей потомству. Из каждой пары двух гомологичных хромосом (материнской и отцовской), входивших в хромосомный набор диплоидных организмов, в гаплоидном наборе яйцеклетки или сперматозоида содержится лишь одна хромосома. Она может быть:

1. отцовской хромосомой;
2. материнской хромосомой;
3. отцовской с участком материнской;
4. материнской с участком отцовской.

Эти процессы возникновения большого количества качественно различных половых клеток способствуют наследственной изменчивости.

В отдельных случаях вследствие нарушения процесса мейоза, при нерасхождении гомологичных хромосом, половые клетки могут не иметь гомологичной хромосомы или, наоборот, иметь обе гомологичные хромосомы. Это приводит к тяжелым нарушениям в развитии организма или к его гибели.

1. Сравните митоз и мейоз, выделите черты сходства и различия.
2. Охарактеризуйте понятия: мейоз, диплоидный набор хромосом, гаплоидный набор хромосом, конъюгация.
3. Какое значение имеет независимое расхождение гомологичных хромосом в первом делении мейоза?
4. В чем заключается биологическое значение мейоза?

Вспомните из курса зоологии, как осуществляется оплодотворение у животных.

1. В каких случаях происходит мейоз?

Ответ. Половые клетки животных формируются в результате особого типа деления, при котором число хромосом во вновь образующихся клетках в два раза меньше, чем в исходной материнской клетке. Таким образом, из диплоидной клетки образуются гаплоидные клетки. Это необходимо для того, чтобы сохранить постоянный набор хромосом организмов при половом размножении. Данный тип деления клетки получил название – мейоз. Мейоз (от греч. meiosis - уменьшение) - редукционное деление, при котором хромосомный набор клетки уменьшается вдвое. Для мейоза характерны те же стадии, что и для митоза, но процесс состоит из двух последовательных делений - I деление и II деление мейоза. В результате образуются не две, а четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.

2. Какой набор хромосом называется диплоидным?

Ответ. Диплоидный набор хромосом - (другие названия - двойной набор хромосом, зиготический набор хромосом, полный набор хромосом, соматический набор хромосом) совокупность хромосом, присущая соматическим клеткам, в которой все характерные для данного биологического вида хромосомы представлены попарно; у человека диплоидный набор хромосом содержит 44 аутосомы и 2 половые хромосомы.

Вопросы после §30

1. В чем отличие мейоза от митоза?

Ответ. Основные отличия:

1. мейоз уменьшает вдвое число хромосом в дочерних клетках, митоз поддерживает число хромосом на стабильном уровне, как и в материнской клетке

2. в мейозе следуют 2 подряд деления, причем перед вторым-нет интерфазы

3. в профазе 1 мейоза есть конъюгация и возможен кроссинговер

4. в анафазе 1 мейоза к полюсам расходятся целые хромосомы. при митозе-хроматиды

5. в метафазе 1 мейоза вдоль экватора клетки выстраиваются биваленты хромосом, в митозе все хромосомы выстраиваются в одну линию

6. в результате мейоза образуется 4 дочерних клетки, в митозе-2 клетки.

2. Каково биологическое значение мейоза?

Ответ. У животных и человека мейоз приводит к образованию гаплоидных половых клеток - гамет. В ходе последующего процесса оплодотворения (слияния гамет) организм нового поколения получает диплоидный набор хромосом, а значит, сохраняет присущий данному виду организмов кариотип. Следовательно, мейоз препятствует увеличению числа хромосом при половом размножении. Без такого механизма деления хромосомные наборы удваивались бы с каждым следующим поколением.

У растений, грибов и некоторых протистов путем мейоза образуются споры. Процессы, протекающие в ходе мейоза, служат основой комбинативной изменчивости организмов. Таким образом, мейоз:

1) является основным этапом гаметогенеза;

2) обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;

3) дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой.

3. В какую фазу мейоза происходит кроссинговер?

Ответ. Профаза I мейоза наиболее продолжительна. В этой фазе помимо типичных для профазы митоза процессом спирализации ДНК и образования веретена деления про исходят два очень важных в биологическом отношении процесса: конъюгация (спаривание) и кроссинговер (перекрест) гомологичных хромосом.

При кроссинговере происходит обмен идентичными участками гомологичных хромосом. Подумайте, какое значение может иметь это явление.

Ответ. Благодаря сцепленному наследованию удачные сочетания аллелей оказываются относительно устойчивыми. В результате образуются группы генов, каждая из которых функционирует как единый суперген, контролирующий несколько признаков. В то же время, в ходе кроссинговера возникают рекомбинации – т. е. новые комбинации аллелей. Таким образом, кроссинговер повышает комбинативную изменчивость организмов.

Это означает, что:

а) в ходе естественного отбора в одних хромосомах происходит накопление «полезных» аллелей (и носители таких хромосом получают преимущество в борьбе за существование), а в других хромосомах скапливаются нежелательные аллели (и носители таких хромосом выбывают из игры – элиминируются из популяций);

б) в ходе искусственного отбора в одних хромосомах накапливаются аллели хозяйственно-ценных признаков (и носители таких хромосом сохраняются селекционером), а в других хромосомах скапливаются нежелательные аллели (и носители таких хромосом выбраковываются).

В результате кроссинговера неблагоприятные аллели, первоначально сцепленные с благоприятными, могут переходить в другую хромосому. Тогда возникают новые сочетания, не содержащие неблагоприятных аллелей, и эти неблагоприятные аллели элиминируются из популяции.

1. Дайте определения понятий.
Яйцеклетка – женская гамета.
Гаметы – репродуктивные клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом и участвующие в половом размножении.
Гаметогенез – процесс созревания половых клеток, или гамет.
Мейоз – деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза.

2. Изобразите схематично половые клетки и подпишите их основные части.

3. В чем принципиальное отличие в строении яйцеклетки и сперматозоида?
Яйцеклетки крупные, неподвижные, с запасом питательных веществ, а сперматозоиды мелкие, подвижные, содержат митохондрии.

4. Закончите схему «Гаметогенез у человека».

5. Чем отличаются процессы гаметогенеза в женском и мужском организме?
В сперматогенезе кроме стадий размножения, роста и созревания, есть также стадия формирования, когда у сперматозоидов появляется жгутик.

6. Используя рисунок 59 в § 3.6, заполните таблицу.

7. Укажите черты сходства и различия митоза и мейоза.

8. Рассмотрите рисунок 60 на с. 118 учебника. Какое значение имеет перекрест хромосом и обмен гомологичными участками? На какой фазе мейоза он происходит?
В профазе 1 происходит конъюгация – процесс сближения гомологичных хромосом, и кроссинговер – обмен гомологичными участками при конъюгации. Этот процесс обеспечивает комбинативную генотипическую изменчивость вида.

9. Какова биологическая роль мейоза?
1) является основным этапом гаметогенеза;
2) обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;
3) дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой (комбинативная генотипическая изменчивость вида).
4) благодаря мейозу половые клетки гаплоидны, а при оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом.

10. В чем биологический смысл неравномерного деления цитоплазмы и гибели одной из дочерних клеток на каждой стадии мейоза при образовании яйцеклетки?
В ходе овогенеза из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных. Но весь запас питательных веществ получает лишь одна (яйцеклетка), а остальные 3 роли не играют и отмирают (это полярные, или направительные тельца).
Яйцеклетке нужен запас питательных веществ, т.к. именно из нее развивается после оплодотворения зародыш. Полярные тельца служат лишь для удаления избытка генетического материала.

11. Установите соответствие между половыми клетками и признаками, характерными для них.
Признаки
1. Большое количество цитоплазмы
2. Подвижность
3. Очень плотная упаковка ДНК в ядре
4. Округлая форма
5. Содержит запас питательных веществ
6. Отсутствуют многие типичные органоиды
7. Относительно большие размеры
8. В головке находится акросома - органоид, содержащий ферменты для растворения оболочки гаметы противоположного пола
Половые клетки
А. Яйцеклетка

Б. Сперматозоид

12. Выберите правильные суждения.
1. В зоне роста хромосомный набор клеток - 2п.
2. В зоне созревания происходит мейотическое деление.
5. Профаза первого мейотического деления (профаза I) значительно длиннее, чем профаза митоза.
7. У женщины образование первичных половых клеток завершается еще в эмбриональном периоде.

13. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

14. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – сперматозоид.
Соответствие – не только мужские, но и женские половые клетки имеют право называться «семенем», так как содержат генетический материал, что не было известно в древности.

15. Сформулируйте и запишите основные идеи § 3.6.
Гаметогенез – процесс образования половых клеток (гамет). Гаметы гаплоидны, в отличие от соматических клеток, что обеспечивается мейозом на стадии созревания их. Процесс образования сперматозоидов – сперматогенез, яйцеклеток – оогенез. В сперматогенезе есть 4 стадии, последняя (формирования) отсутствует при оогенезе.
Стадии мейоза похожи на стадии митоза, отличия в том, что при мейозе 2 есть последовательных деления, без интерфазы между ними, наблюдается конъюгация, образуются 4 гаплоидных половых клетки из 1 диплоидной.
Роль гаметогенеза и мейоза – развитие половых клеток, передача генетической информации от организма к организму, обеспечение комбинативной генотипической изменчивости вида. Также, благодаря мейозу половые клетки гаплоидны, а при оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом.