§ 18. Мейоз

Определения и обозначения

Мейоз — особый тип деления клетки, при котором из одной исходной клетки образуются четыре клетки с уменьшенным вдвое числом хромосом. Его результатом становятся клетки с гаплоидным набором, необходимым для полового размножения. Это отличает мейоз от митоза, при котором число наборов обычно сохраняется.

Редукционное деление — первое деление мейоза, в ходе которого расходятся гомологичные хромосомы и число наборов уменьшается вдвое. Термин «редукционное» указывает именно на сокращение наборов, а не на исчезновение половины хромосом без закономерности. На этом этапе хромосомы ещё состоят из двух хроматид.

Конъюгация — сближение и попарное соединение гомологичных хромосом в профазе первого деления мейоза. Гомологичные хромосомы содержат гены для одних и тех же признаков, хотя варианты генов могут различаться. Их сближение позволяет хромосомам взаимодействовать и обмениваться участками.

Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами, который приводит к новым сочетаниям генетического материала. Благодаря этому наследственная информация распределяется по новым комбинациям, а образующиеся клетки не являются точными копиями друг друга. Кроссинговер помогает объяснить разнообразие потомства.

Как это устроено

До начала мейоза клетка удваивает ДНК, чтобы при последующих делениях наследственный материал можно было распределить между дочерними клетками. После удвоения каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид — одинаковых копий, соединённых в области центромеры. При этом число хромосом остаётся прежним: меняется количество ДНК, а не число центромер. Поэтому при подсчётах нужно отдельно учитывать хромосомы и молекулы ДНК.

В профазе первого деления гомологичные хромосомы сближаются и образуют пары — происходит конъюгация. Поскольку в паре оказываются сходные хромосомы, между их хроматидами может произойти кроссинговер, то есть обмен участками. В результате каждая хромосома может получить сочетание генетического материала от обеих гомологичных хромосом. Это один из источников наследственной изменчивости.

В первом делении к противоположным полюсам клетки расходятся гомологичные хромосомы из каждой пары. Сестринские хроматиды пока остаются соединёнными, поэтому каждая хромосома, попавшая в дочернюю клетку, всё ещё состоит из двух частей. В каждой клетке оказывается только один представитель каждой гомологичной пары. Поэтому число наборов становится вдвое меньше — первое деление называют редукционным.

Во втором делении расходятся уже сестринские хроматиды: они отделяются друг от друга и попадают в разные клетки. По этому принципу второе деление сходно с митозом, но перед ним ДНК не удваивается. Если бы между делениями происходило новое удвоение, количество наследственного материала снова возросло бы, и смысл уменьшения числа наборов был бы нарушен. В итоге из двух клеток после первого деления образуются четыре.

Генетические различия между результатами мейоза возникают не только из-за обмена участками. Гомологичные хромосомы разных пар распределяются по дочерним клеткам независимо и случайно, поэтому возможны разные сочетания хромосом. Эти механизмы создают разнообразие половых клеток. При оплодотворении их гаплоидные наборы соединяются и восстанавливают диплоидный набор организма.

Сравнение первого и второго делений мейоза

Сначала определите, какие структуры расходятся: это поможет отличить редукционное деление от второго. Затем проверьте число наборов и состояние хромосом, не смешивая число хромосом с количеством ДНК. Последняя строка показывает число клеток на соответствующем этапе, а не число хромосом в каждой клетке.

Разбор задач

Задача 1. В исходной клетке 2n = 8. Сколько хромосом будет в каждой клетке после первого деления мейоза? Нужно определить гаплоидное число и помнить, что хроматиды на этом этапе ещё не разошлись.

1. Исходное обозначение 2n = 8 означает, что в клетке восемь хромосом, объединённых в четыре гомологичные пары.
2. При первом делении расходятся гомологичные хромосомы, поэтому каждая дочерняя клетка получает по одному представителю каждой пары.
3. Число наборов уменьшается вдвое: n = 8 ÷ 2 = 4. Каждая из четырёх хромосом всё ещё состоит из двух хроматид.

Ответ: после первого деления в каждой клетке 4 хромосомы, каждая двухроматидная.

Задача 2. В клетке после первого деления мейоза 5 хромосом. Сколько хромосом и хроматид будет в каждой клетке после второго деления? Здесь важно не делить число хромосом ещё раз пополам: во втором делении разделяются хроматиды, а не гомологичные пары.

1. Перед вторым делением в клетке пять хромосом, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид.
2. Сестринские хроматиды расходятся к разным полюсам и становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами.
3. В каждой дочерней клетке остаётся по пять хромосом. У каждой теперь одна хроматида, поэтому число хроматид также равно пяти.

Ответ: в каждой клетке после второго деления 5 хромосом и 5 хроматид.

Задача 3. У организма диплоидный набор 2n = 6. Определите число хромосом и молекул ДНК в одной клетке после удвоения ДНК, после первого деления и после второго деления мейоза. Под молекулой ДНК здесь понимается одна хроматида, поэтому нужно вести два отдельных подсчёта.

1. После удвоения ДНК число хромосом остаётся равным 6, но каждая содержит две хроматиды: 6 × 2 = 12 молекул ДНК.
2. После первого деления в каждой клетке один набор, то есть 3 хромосомы. Каждая ещё двухроматидная, следовательно, в клетке 3 × 2 = 6 молекул ДНК.
3. После второго деления хроматиды разошлись. В каждой клетке 3 однохроматидные хромосомы, то есть 3 молекулы ДНК.

Ответ: после удвоения — 6 хромосом и 12 молекул ДНК; после первого деления — 3 и 6; после второго — 3 и 3.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что число хромосом удваивается вместе с ДНК. Её допускают, потому что хромосомы после удвоения становятся визуально сложнее и содержат две хроматиды. Проверьте, сколько в клетке центромер: пока сестринские хроматиды соединены, число хромосом не изменилось, хотя молекул ДНК стало вдвое больше.

Ошибка: путать расхождение гомологичных хромосом с расхождением сестринских хроматид. Оба события связаны с разделением наследственного материала, поэтому их легко смешать. Спросите себя, какое деление происходит: в первом расходятся гомологичные хромосомы, во втором — хроматиды одной хромосомы.

Ошибка: утверждать, что перед каждым делением мейоза ДНК удваивается. Такое представление возникает из-за того, что мейоз включает два последовательных деления. Проверьте последовательность этапов: удвоение происходит до первого деления, а перед вторым хромосомы уже состоят из двух хроматид, готовых разойтись.

Ошибка: считать все клетки после мейоза генетически одинаковыми. Можно ошибочно предположить, что одинаковое число хромосом означает одинаковый набор наследственной информации. Для проверки вспомните о кроссинговере и случайном распределении хромосом: эти процессы создают разные сочетания генетического материала.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в мейозе, нужно знать строение хромосомы, различать диплоидный и гаплоидный наборы и понимать ход митоза. Мейоз объясняет образование клеток, участвующих в половом размножении: при оплодотворении два гаплоидных набора объединяются, и восстанавливается диплоидный. Позже эти знания помогают изучать наследственность, изменчивость и закономерности передачи признаков. Они также позволяют понять, почему потомки одного организма могут отличаться друг от друга.

Что запомнить

• Мейоз состоит из двух последовательных делений.
• Удвоение ДНК происходит перед первым делением мейоза.
• В первом делении расходятся гомологичные хромосомы.
• Во втором делении расходятся сестринские хроматиды.
• В результате образуются клетки с гаплоидным набором хромосом.
• Кроссинговер и случайное распределение хромосом повышают генетическое разнообразие.