УСР 1. Деление клетки. Митоз и мейоз
.docx
Голуб Сергей гр.23 БХ-1
1. Клеточный цикл и митоз
Клеточный цикл — это весь путь жизни клетки от момента её рождения до собственного деления. Он включает в себя не только само деление, но и подготовку к нему. Делится он на два больших периода: интерфазу и митотическую фазу.
Интерфаза — это время, когда клетка активно живёт: растёт, синтезирует необходимые белки, и самое главное — удваивает свою ДНК, чтобы передать её потомкам. Интерфаза состоит из трёх фаз: в G1-фазе клетка увеличивается в размере и активно синтезирует РНК и белки; в S-фазе происходит удвоение ДНК — каждая хромосома теперь состоит из двух хроматид; в G2-фазе клетка синтезирует ферменты и тубулины, необходимые для митоза.
Когда всё готово, клетка вступает в митотическую фазу (М-фазу), которая включает два процесса: деление ядра (митоз) и деление цитоплазмы (цитокинез). Митоз — это основной способ бесполого размножения соматических клеток, он обеспечивает точную передачу генетического материала от материнской клетки к дочерним.
Митоз занимает относительно небольшой промежуток времени по сравнению с интерфазой. В зависимости от типа клетки и условий среды, митоз может длиться от 30 минут до нескольких часов.
Митоз состоит из четырёх последовательных стадий: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Эти стадии условны, потому что процессы плавно переходят один в другой.
В профазе хромосомы становятся видимыми под микроскопом — они уплотняются и спирализуются. Каждая хромосома состоит из двух идентичных хроматид, соединённых центромерой. Ядерная оболочка начинает разрушаться, исчезает ядрышко. Параллельно формируется веретено деления — структура из микротрубочек, которые будут перемещать хромосомы.
В метафазе хромосомы максимально спирализованы и выстраиваются по экватору клетки, формируя так называемую метафазную пластинку. Волокна веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом.
Анафаза начинается с расщепления центромер, после чего каждая сестринская хроматида начинает двигаться к противоположным полюсам клетки. На этом этапе происходит равномерное распределение генетического материала.
В телофазе хромосомы деспирализуются — становятся менее компактными и снова превращаются в хроматин. Вокруг них формируются новые ядерные оболочки. Наконец, происходит цитокинез — разделение цитоплазмы, в результате чего из одной материнской клетки образуются две дочерние, генетически идентичные клетки.
Митоз играет огромную роль в жизни многоклеточного организма. Он обеспечивает рост и развитие организма за счёт увеличения числа клеток. Кроме того, митоз лежит в основе регенерации — восстановления повреждённых тканей. Особенно важен митоз для поддержания генетической стабильности: в результате митоза каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, как и материнская.
Существуют различные типы митоза. Наиболее известны открытый митоз — при котором ядерная оболочка разрушается (такой митоз характерен для животных), и закрытый митоз — когда оболочка сохраняется (такой тип встречается, например, у грибов и некоторых простейших).
2. Мейоз
Мейоз — это особый тип клеточного деления, при котором из одной диплоидной клетки (с двойным набором хромосом) образуются четыре гаплоидные клетки (с одинарным набором). В отличие от митоза, мейоз не просто копирует материнскую клетку, а создаёт новые клетки с уникальным набором генов.
Мейоз состоит из двух последовательных делений: мейоза I и мейоза II. Между ними нет удвоения ДНК, благодаря чему число хромосом уменьшается вдвое.
В мейозе I происходит разделение гомологичных хромосом. На стадии профазы I хромосомы сближаются попарно и может произойти кроссинговер — обмен участками между гомологами. Это важнейший источник генетического разнообразия. В метафазе I гомологичные пары выстраиваются по экватору клетки, в анафазе расходятся к полюсам. В телофазе I и последующем цитокинезе образуются две клетки с гаплоидным набором хромосом, каждая из которых всё ещё содержит по две хроматиды.
Мейоз II — это процесс, аналогичный митозу. Здесь уже разделяются сестринские хроматиды. В результате всего мейоза образуются четыре гаплоидные клетки, каждая из которых уникальна.
Мейоз необходим для полового размножения, так как именно он формирует половые клетки (гаметы) с гаплоидным набором хромосом. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки число хромосом восстанавливается. Благодаря кроссинговеру и случайному распределению хромосом в мейозе, каждое поколение получается генетически уникальным.
3. Типы мейоза
Существует три основных типа мейоза: гаметный, споровый и зиготный.
Гаметный мейоз — это тот, что наблюдается у животных и человека. Он происходит сразу при образовании гамет. Например, у человека мейоз протекает в половых железах: в яичках у мужчин и яичниках у женщин.
Споровый мейоз встречается у растений. Здесь мейоз приводит не к образованию гамет, а к формированию спор. Эти споры дают начало гаметофитам, которые уже потом образуют гаметы. Это связано с чередованием поколений — спорофита и гаметофита.
Зиготный мейоз характерен для некоторых простейших. У них диплоидной стадией является только зигота, которая сразу после оплодотворения делится мейозом.
4. Гаметный мейоз
У млекопитающих мейоз происходит при формировании половых клеток. У мужчин этот процесс называется сперматогенезом, у женщин — оогенезом.
Сперматогенез начинается с деления стволовых клеток — сперматогоний. Они многократно делятся митозом, после чего превращаются в первичные сперматоциты. Эти клетки вступают в мейоз I, и на выходе образуются два вторичных сперматоцита. Затем каждый из них проходит мейоз II, формируя по две сперматиды. Таким образом, из одного сперматоцита I порядка образуются четыре гаплоидных сперматиды, которые затем дозревают и превращаются в подвижные сперматозоиды.
Оогенез — более длительный и асимметричный процесс. Первичные половые клетки — оогонии — делятся митозом во внутриутробном периоде. Затем они превращаются в первичные ооциты и «засыпают» до полового созревания. Во время овуляции один из них завершает мейоз I, образуя вторичный ооцит и маленькое полярное тельце. Вторичный ооцит начинает мейоз II, но завершает его только при слиянии с сперматозоидом. В итоге образуется одна яйцеклетка и до трёх полярных телец, которые дегенерируют.
5. Споровый мейоз
У высших растений спорофит (диплоидное поколение) даёт начало специализированным клеткам — микроспороцитам и мегаспороцитам, которые проходят мейоз и формируют споры.
В пыльниках тычинки микроспороциты проходят мейоз и дают четыре микроспоры, каждая из которых развивается в пыльцевое зерно — мужской гаметофит. Оно содержит две клетки: вегетативную и генеративную. Генеративная клетка делится и даёт два спермия, которые участвуют в оплодотворении.
В завязи пестика одна диплоидная мегаспороцитная клетка проходит мейоз и формирует четыре мегаспоры, из которых только одна остаётся жизнеспособной. Она делится митозом трижды, в результате чего образуется зародышевый мешок — женский гаметофит, содержащий восемь ядер и семь клеток.
Двойное оплодотворение — уникальный процесс, характерный исключительно для цветковых растений (покрытосеменных). Этот механизм был открыт русским ботаником Сергеем Гавриловичем Навашиным в 1898 году и представляет собой важнейший этап полового размножения высших растений.
Процесс начинается с опыления — переноса пыльцы с тычинок на рыльце пестика. После попадания на рыльце пыльцевое зерно прорастает, образуя пыльцевую трубку, которая растет через столбик пестика по направлению к зародышевому мешку, находящемуся в семязачатке. В пыльцевой трубке находятся две мужские половые клетки — спермии, которые не имеют жгутиков и пассивно перемещаются к женским гаметам.
Когда пыльцевая трубка достигает зародышевого мешка, происходит двойное слияние. Первый спермий сливается с яйцеклеткой, образуя диплоидную зиготу (2n), которая впоследствии развивается в зародыш нового растения. Второй спермий сливается с центральной клеткой, содержащей два ядра (диплоидной), что приводит к образованию триплоидного эндосперма (3n) — особой питательной ткани.
Эндосперм играет критически важную роль в развитии семени. Он обеспечивает зародыш необходимыми питательными веществами: углеводами, белками и жирами. У разных растений эндосперм может либо полностью расходоваться в процессе развития семени (как у фасоли), либо сохраняться в зрелом семени (как у пшеницы).
Биологическое значение двойного оплодотворения чрезвычайно велико. Этот процесс обеспечивает:
синхронное развитие зародыша и питательной ткани;
экономию ресурсов растения, так как эндосперм образуется только после оплодотворения;
генетическое разнообразие потомства благодаря участию мужских и женских геномов в формировании эндосперма;
повышение выживаемости семян за счет оптимального обеспечения питательными веществами.
Особенностью двойного оплодотворения является его строгая специфичность — оно встречается только у покрытосеменных растений. У голосеменных растений, например у хвойных, хотя и наблюдается образование нескольких зародышей, процесс принципиально отличается и не включает формирования триплоидного эндосперма.
Этот уникальный механизм репродукции обеспечил цветковым растениям значительные эволюционные преимущества, позволив им стать доминирующей группой растений на Земле. Двойное оплодотворение — прекрасный пример биологической экономии и эффективности, когда один процесс решает сразу несколько важнейших задач развития нового организма.