Дидактический материал к уроку: "Деление клетки. Митоз. Мейоз"

Жизненный цикл клетки. Характеристика ин­терфазы. Деление соматических клеток путем митоза

Все новые клетки возникают в результате деления уже существующих клеток. Если путем деления клетки пополам размножается одноклеточный организм, то в конечном итоге из одного старого организма образуется два новых. Многоклеточные организмы начинают свое развитие тоже с одной клетки; все их многочисленные клетки образуются затем путем многократ­ных клеточных делений. Эти деления продолжаются в течение всей жизни многоклеточных организмов, по мере их развития и роста. Они связаны с процессами регенерации или замещения отслуживших клеток новыми. Так, клетки верхнего слоя кожи отмирают и слущиваются, а на смену им приходят другие, новые клетки, которые образовались путем деления клеток, лежащих в более глубоких слоях эпителия кожи. Вновь образовавшиеся клетки (если они не отмирают в конце своего существования) обычно ста­новятся способными к делению лишь после периода их роста и развития. Активное функционирование клетки между двумя ее делениями называет­ся интерфазой. Продолжительность интерфазы клеток у разных организ­мов бывает различной. В клетках растений и животных, например, она в среднем продолжается 10—20 часов, затем наступает вновь процесс деле­ния клеток. Таким образом, жизненный цикл клетки состоит из ее деле­ния и интерфазы.

В интерфазе клетка как бы готовится к очередному своему делению. Во-первых, в клетке увеличивается число ее органелл; в противном случае в дочерние клетки попадало бы все меньшее и меньшее их количество. Некоторые органеллы, например, хлоропласты и митохондрии сами воспро­изводятся путем деления. Клетке достаточно иметь хотя бы одну такую органеллу, чтобы затем образовать их столько, сколько ей требуется. Каж­дой клетке необходимо также иметь вначале какое-то количество рибосом, чтобы использовать их для синтеза белков, из которых затем можно пост­роить новые рибосомы, эндоплазматический ретикулум и многие другие органеллы. В период интерфазы клетка интенсивно накапливает энергию, созидая молекулы АТФ. Перед началом деления клетка удваивает число своих хромосом с тем, чтобы после деления дочерние клетки получили наследственную информацию, идентичную той, которой обладала материн­ская клетка. В противном случае, дочерние клетки оказались бы не в состо­янии синтезировать все те белки, которые им необходимы для сохранения своей видовой принадлежности. В животных клетках в период интерфазы происходит еще и удвоение центриоли клеточного центра, который за счет этого восстанавливает свое строение, для того чтобы быть готовым к уча­стию в очередном делении клетки.

Итак, в интерфазе клетка растет и развивается, при этом в ней происхо­дят следующие процессы:

- репликация ДНК;

- активный синтез белков;

- увеличение количества некоторых органелл;

- накопление энергии в виде АТФ;

- удвоение клеточного центра (в животных клетках).

После интерфазы наступает второй этап жизненного цикла клетки, кото­рый называется делением. Сигналом к началу деления для клетки являет­ся нарушение в процессе ее роста ядерно-плазматического соотношения, когда объем цитоплазмы увеличивается, а объем ядра остается прежним.

Процесс деления соматических клеток, в результате которого до­черние клетки полностью сохраняют наследственную информацию материнских клеток, называется митозом. Таин­ственный танец, исполняемый хромосомами при их разделении во время митоза на два идентичных набора, впервые наблюдался исследователями более ста лет назад, однако и до сих пор многое в этой фантастически точ­ной хореографии хромосомных движений еще остается неясным. Митоз представляет собой непрерывную цепь событий, но для того чтобы удоб­нее было в них разобраться, биологи условно разделили этот процесс на четыре стадии в зависимости от того, как выглядят в это время хромосо­мы в световом микроскопе. Первая фаза митоза — профаза. Это самая продолжительная стадия митоза. Она характеризуется тем, что в ней:

- происходит суперспирализация ДНК, вследствие чего хроматиды укорачиваются и утолщаются, хромосомы становятся видимыми под мик­роскопом;

- ядрышки исчезают, так как прекращается синтез р-РНК;

- ядерная оболочка распадается на фрагменты, и хромосомы оказы­ваются в цитоплазме;

- начинает формироваться веретено деления: в животных клетках центриоли, которые были расположены в области клеточного центра, направля­ются к противоположным полюсам клетки, между ними начинают появляться нити веретена деления. В клетках высших растений веретено деления форми­руется без участия центриолей. Нити веретена присоединяются к центроме­рам хромосом, которые начинают двигаться к центральной части клетки.

Следующая фаза митоза — метафаза. В ней:

—заканчивает формироваться веретено деления (совокупность микро­трубочек, состоящих из белка турбулина);

—хромосомы выстраиваются в центральной части клетки в одной плос­кости таким образом, что их центромеры располагаются на равных рассто­яниях от полюсов клетки;

—в конце метафазы хроматиды отделяются одна от другой.

Анафаза — самая короткая фаза митоза. Она характеризуется тем, что:

—нити веретена деления укорачиваются и растягивают отделившиеся друг от друга в конце метафазы хроматиды к противоположным полюсам клетки, в силу чего они становятся хромосомами;

—к концу анафазы у каждого полюса клетки оказывается диплоидный набор хромосом.

Телофаза — последняя фаза митоза. В ней происходят следующие процессы:

—деспирализация молекул ДНК, вследствие чего хромосомы превра­щаются в хроматин;

—вокруг скоплений хроматина, образовавшихся у противоположных полюсов клетки, образуются ядерные оболочки;

- в образовавшихся таким образом дочерних ядрах формируются ядрышки;

- на протяжении телофазы, начиная от полюсов клетки и до ее экватора, постепенно разрушается веретено деления;

- в конце телофазы делится цитоплазма материнской клетки, что приводит к образованию двух дочерних клеток.

Биологическое значение митоза заключается в точной передачи наследственной информации от материнской клетки дочерним.

МЕЙОЗ

Господствующим типом размножения является половое размножение. Оно связано с образованием в процессе мейоза специализированных половых клеток (гамет).

При половом размножении родительские особи образуют гаметы, которые представляют собой высоко дифференциро­ванные, физиологически различные половые клетки. Женс­кие неподвижные гаметы называют яйцеклетками, мужские неподвижные - спермиями, подвижные - сперматозоидами.

Ядра мужских и женских гамет в равной мере содержат наследственную информацию. Зигота образуется в результате случайной встречи и слияния гамет (яицеклетки и сперма­тозоида) при оплодотворении (оогамия). При этом в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом.

Изогамия (грёч. «изос» - равный) - половой процесс, при котором сливаются две одинаковые по величине подвижные гаметы (+) и (-), например, у равножгутиковых зеленых водорослей.

Гетерогамия (греч. «гетерос» - разный) - половой процесс, при котором сливаются две подвижные со жгутиками гаметы - одна крупнее, другая меньше, например у некоторых водорослей.

Сущность гаметогенеза заключается в образовании гамет с уменьшенным наполовину, в результате мейоза, числом хромосом, т. е. гаплоидным набором.

Таким образом, гаметогенез и оплодотворение - это единый физиологический механизм, способствующий сохранению в ряду последовательных поколений определенного числа хромосом.

При половом размножении обеспечивается генетическое разнообразие потомства. При этом резко увеличивается наследственная изменчивость потомков, что собственно и составляет биологический смысл полового размножения. В этом заключается преимущество полового размножения перед бесполым.

Мейоз. Образованию половых клеток предшествует осо­бый вид деления клетки - мейоз. Он существенно отличается от митоза.

Мейоз состоит из двух последовательных клеточных деле­ний: первое деление (мейоз I), так называемое редукционное, при котором количество хромосом уменьшается в два раза (т. е. диплоидные клетки становятся гаплоидными), но они остаются двухроматидными; второе деление (мейоз II), так называемое эквационное, при этом образуются 4 гаплоидные клетки.

Мейоз - единый, непрерывный процесс, в котором до начала мейоза I в интерфазе удваивается количество ДНК и хромосом.

Цикл мейоза включает ряд последовательных фаз, в кото­рых хромосомы претерпевают целый ряд закономерных изме­нений.

В световом микроскопе видно, что в профазе I каждая хромосома состоит из двух хроматид, связанных общей центромерой.

В профазе I мейоза осуществляются особенно важные события. Происходят конъюгация (попарное сближение гомо­логичных хромосом и переплетение их хроматид) и кроссинговер (обмен участками гомологичных хромосом, при котором происходит перекомбинация генов).

Метафаза I - хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. К центромерам прикрепляются нити веретена деления.

В анафазе I хромосомы расходятся к полюсам, каждая дочерняя клетка получает по одной из гомологичных хромо­сом.

Телофаза I - у полюсов клетки формируются по гаплоид­ному набору хромосом, но с двойным количеством хроматид.

Интерфаза II - короткая стадия. Синтеза ДНК не происходит.

Характер последующего деления подобен митозу.

Профаза II и метафаза II - формирование экваториальной пластинки из гаплоидного набора двухроматидных хромосом, присоединение к ним нитей веретена деления.

Анафаза II - две сестринские хроматиды (теперь самостоя­тельные хромосомы) расходятся к полюсам клетки, с помощью нитей веретена деления.

Телофаза II - хромосомы деспирализуются, нити веретена исчезают. Вокруг каждого ядра образуется ядерная оболочка. Таким образом, из одной родительской клетки образуется 4 дочерние гаплоидные клетки.

Биологическое значение: в результате образуются гаплоид­ные половые клетки - гаметы; в профазе I происходит реком­бинация генетического материала, что резко увеличивает комбинативную изменчивость, играющую важную роль в эволюции органического мира. Мейоз из поколения в поко­ление обеспечивает постоянство хромосом у каждого вида (восстановление диплоидного набора при оплодотворениии).