§ 17. Жизненный цикл клетки: интерфаза и деление. Митоз, или непрямое деление клетки. Мейоз

Определения и обозначения

Жизненный цикл клетки — период от её возникновения до следующего деления или гибели. Он включает интерфазу и деление, но их продолжительность различается у разных клеток. Это понятие помогает проследить, когда клетка работает, копирует ДНК и передаёт её дочерним клеткам.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к следующему делению. Она не является бездействием: в это время синтезируются необходимые вещества и удваивается ДНК. Знание её этапов позволяет понять, в какой момент клетка готова распределить наследственный материал.

Митоз — способ деления ядра, при котором из одной материнской клетки образуются две генетически сходные дочерние клетки. При таком делении каждой из них достаётся полный набор хромосом. Митоз нужен организму для роста и обновления клеток, а некоторым организмам — для бесполого размножения.

Мейоз — особый тип деления, при котором число хромосом уменьшается вдвое и образуются клетки с гаплоидным набором. Он включает два последовательных деления, но ДНК удваивается только перед первым. Благодаря мейозу формируются клетки, участвующие в половом размножении, а потомство получает новые сочетания наследственных признаков.

Как это устроено

Жизненный цикл состоит из интерфазы и деления, потому что клетке нужно сначала выполнить свою работу и подготовить наследственный материал, а затем распределить его. Их соотношение по длительности зависит от типа клетки и условий существования. Например, активно делящимся клеткам требуется иной режим, чем клеткам, которые долго выполняют специализированные функции.

В интерфазе различают G₁, S и G₂. В G₁ клетка растёт и ведёт обычную работу, в S синтезируется копия ДНК, а в G₂ завершается подготовка к делению. Такое разделение позволяет сначала увеличить ресурсы клетки, затем скопировать наследственную информацию и проверить готовность к её распределению.

После S-периода каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид — одинаковых копий ДНК, соединённых между собой. Хромосомы считают по центромерам, поэтому их число пока не меняется, хотя молекул ДНК становится вдвое больше. Различать эти величины нужно, чтобы верно описывать клетку до и после деления.

В начале митоза хромосомы уплотняются и становятся заметными, а затем выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. Нити веретена деления прикрепляются к хромосомам и помогают развести сестринские хроматиды к противоположным полюсам. После этого вокруг каждого набора формируется ядро, чтобы обе будущие клетки получили наследственный материал.

Митоз делит ядро, но сам по себе не разделяет всю клетку. Цитокинез — разделение цитоплазмы — завершает образование двух дочерних клеток. Поскольку при митозе сестринские хроматиды распределяются поровну, число хромосом в дочерних клетках остаётся таким же, как у материнской.

Мейоз включает два деления подряд, так как сначала нужно разделить пары гомологичных хромосом, а затем — сестринские хроматиды. Гомологичные хромосомы несут гены для одних и тех же признаков, но могут иметь разные варианты этих генов. ДНК перед мейозом удваивается один раз, поэтому после двух делений образуются клетки с половинным набором хромосом.

В профазе I гомологичные хромосомы сближаются и образуют пары. Между ними может произойти кроссинговер — обмен соответствующими участками, благодаря которому возникают новые сочетания генов. Затем пары независимо ориентируются и расходятся, поэтому каждая образующаяся клетка получает случайное сочетание хромосом.

Обычно итог мейоза — четыре клетки с гаплоидным набором, то есть вдвое меньшим числом хромосом, чем в исходной диплоидной клетке. У животных мейоз связан с образованием гамет, а у многих растений и грибов — спор. Уменьшение набора позволяет при оплодотворении восстановить диплоидное число, а изменчивость делает потомство генетически разнообразным.

Сравнение интерфазы, митоза и мейоза

Сравнивайте процессы по строкам: так легче отделить удвоение ДНК от изменения числа хромосом. Особенно полезна строка о том, что расходится к полюсам: она показывает ключевое различие митоза и двух делений мейоза.

Разбор задач

Задача 1. В диплоидной клетке 2n = 6. Определите число хромосом и молекул ДНК после S-периода интерфазы, но до митоза.

1. Диплоидный набор 2n = 6 означает, что в клетке шесть хромосом. После S-периода каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Поэтому число хромосом остаётся равным шести.
2. Каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК. У шести двухроматидных хромосом будет 6 × 2 = 12 молекул ДНК. Не следует считать хроматиды отдельными хромосомами, пока они соединены.

Ответ: 6 хромосом и 12 молекул ДНК.

Задача 2. Для клетки с 2n = 8 укажите число хромосом в каждой дочерней клетке после митоза и после первого деления мейоза.

1. При митозе сестринские хроматиды расходятся в разные клетки, поэтому каждая получает полный диплоидный набор. В каждой дочерней клетке будет 2n = 8 хромосом. Это соответствует сохранению числа хромосом при митозе.
2. В мейозе I расходятся не хроматиды, а гомологичные хромосомы. Из каждой пары в каждую клетку уходит одна хромосома, поэтому набор становится гаплоидным. При исходном 2n = 8 в каждой клетке после первого деления будет n = 4 хромосомы, каждая пока состоит из двух хроматид.

Ответ: после митоза — 8 хромосом в каждой клетке; после мейоза I — 4.

Задача 3. У организма 2n = 12. Проследите изменение набора хромосом и количества ДНК от конца интерфазы до завершения мейоза II. Сначала отдельно указываем хромосомы и молекулы ДНК, поскольку после репликации эти числа не совпадают.

1. В конце интерфазы после S-периода клетка имеет 12 хромосом, каждая из двух хроматид. Значит, в ней 24 молекулы ДНК. Набор по хромосомам остаётся диплоидным: 2n = 12.
2. После мейоза I гомологичные хромосомы разделены между двумя клетками. В каждой — n = 6 хромосом, но они ещё двухроматидные, поэтому ДНК в каждой клетке 12 молекул. Между делениями нового удвоения ДНК не происходит.
3. В мейозе II расходятся сестринские хроматиды. После его завершения каждая из обычно четырёх клеток имеет 6 однохроматидных хромосом и 6 молекул ДНК. Значит, конечный набор гаплоидный: n = 6.

Ответ: конец интерфазы — 12 хромосом и 24 молекулы ДНК; после мейоза I — 6 и 12; после мейоза II — 6 и 6 в каждой клетке.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что в S-периоде удваивается число хромосом. Так думают, потому что в клетке действительно становится вдвое больше ДНК и хроматид. Проверьте себя: считайте хромосомы по центромерам — до расхождения хроматид их число не меняется.

Ошибка: путать митоз и цитокинез. Митозом называют деление ядра, а цитокинезом — разделение цитоплазмы; их легко смешать, потому что вместе они приводят к образованию двух клеток. Для проверки спросите себя, что именно разделяется на каждом этапе.

Ошибка: считать, что перед каждым делением мейоза ДНК удваивается. Поскольку мейоз включает два деления, может показаться, что каждому предшествует копирование наследственного материала. Проверьте последовательность: репликация происходит один раз перед мейозом I, а между делениями её нет.

Ошибка: утверждать, что в мейозе I расходятся сестринские хроматиды. Это происходит во втором делении; в первом расходятся гомологичные хромосомы, поэтому число наборов уменьшается вдвое. Проверить ответ помогает вопрос о том, остаются ли хроматиды соединёнными после мейоза I: остаются, и разделяются только в мейозе II.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в клеточном цикле, нужно знать строение клетки и ядра, устройство хромосомы и ДНК, а также различать гаплоидный и диплоидный наборы. Митоз объясняет, как организм растёт, обновляет ткани и размножается бесполым способом. Мейоз нужен для понимания образования гамет, оплодотворения и наследственной изменчивости.

Эта тема связывает клеточные процессы с размножением организмов: при оплодотворении гаплоидные наборы гамет объединяются. Она также подготавливает к изучению наследственности и закономерностей передачи признаков. Понимание поведения хромосом помогает объяснить, почему дети похожи на родителей, но не являются их точными копиями.

Что запомнить

• Жизненный цикл клетки включает интерфазу и деление.
• В S-периоде интерфазы происходит удвоение ДНК.
• Митоз сохраняет число хромосом и обычно образует две сходные клетки.
• Мейоз включает два деления после одного удвоения ДНК.
• В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, в мейозе II — сестринские хроматиды.
• Кроссинговер и независимое расхождение хромосом создают наследственную изменчивость.
• Мейоз уменьшает число хромосом вдвое.