§ 23. Деление клетки — митоз и мейоз

Определения и обозначения

Митоз — деление ядра, за которым следует разделение клетки и образование двух генетически сходных дочерних клеток с тем же набором хромосом. Сходство важно для того, чтобы новые клетки сохраняли наследственную информацию исходной клетки. Поэтому митоз обеспечивает рост организма и замену изношенных клеток.

Мейоз — процесс из двух последовательных делений, которым предшествует одно удвоение ДНК. В результате образуются клетки с набором хромосом, уменьшенным вдвое по сравнению с исходной клеткой. Это необходимо для формирования половых клеток: при оплодотворении их наборы объединяются.

Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами в профазе I мейоза. Гомологичные хромосомы несут гены для одних и тех же признаков, но могут иметь разные варианты этих генов. Обмен создаёт новые сочетания наследственного материала, поэтому потомство может отличаться от родителей и друг от друга.

Редукционное деление — первое деление мейоза, при котором число хромосом уменьшается вдвое из-за расхождения гомологичных хромосом. Обозначения 2n и n называют соответственно диплоидным и гаплоидным наборами. Термин помогает понять, на каком этапе из одной клетки с парными наборами возникают клетки с одним набором хромосом.

Как это устроено

Перед делением клетка проходит интерфазу — период между делениями, во время которого она растёт и готовит наследственный материал. В интерфазе ДНК удваивается, поэтому каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, то есть копий одной хромосомы. Однако хроматиды соединены и считаются одной хромосомой, так что число хромосом не меняется. Удвоение нужно, чтобы при последующем распределении обе новые клетки получили полный комплект наследственной информации.

В митозе хромосомы выстраиваются поодиночке в центре клетки, а затем их сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам. Такое разделение распределяет копии каждой хромосомы поровну между будущими клетками. После деления ядра разделяется цитоплазма, и возникают две клетки с исходным набором хромосом. Этот механизм сохраняет генетическую непрерывность тканей при росте и обновлении.

В мейозе I гомологичные хромосомы сближаются попарно. В профазе I между ними может произойти кроссинговер: участки обмениваются, и возникают новые комбинации генов. Затем гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам, а сестринские хроматиды пока остаются вместе. Поэтому именно мейоз I уменьшает число хромосом с диплоидного до гаплоидного и называется редукционным делением.

После первого деления клетки переходят ко второму без нового удвоения ДНК. Если бы ДНК удвоилась снова, количество наследственного материала перед завершением мейоза стало бы избыточным. В мейозе II сестринские хроматиды разделяются и расходятся к полюсам, как при митозе. В результате из одной исходной клетки обычно образуются четыре клетки с гаплоидным набором.

Результаты двух процессов связаны с их разными задачами. Митоз сохраняет набор хромосом и даёт клетки, сходные с исходной, поэтому он нужен для роста, восстановления тканей и бесполого размножения. Мейоз формирует клетки для полового размножения с уменьшенным набором, который восстанавливается при оплодотворении. Кроссинговер и независимое расхождение гомологичных хромосом создают разнообразие вариантов наследственного материала.

Сравнение митоза и мейоза

Используйте таблицу, чтобы сначала сравнить число делений и то, какие структуры расходятся. Затем проверьте изменение набора хромосом и число клеток в результате. При решении задач отдельно учитывайте число хромосом и число хроматид: эти величины не всегда совпадают.

Разбор задач

Задача 1. В соматической клетке человека 46 хромосом. Сколько хромосом будет в каждой дочерней клетке после митоза? Нужно проследить, сохраняется ли число хромосом при разделении одной клетки на две. Важно не принять удвоение ДНК перед митозом за удвоение числа хромосом.

1. В исходной клетке 46 хромосом.
2. Перед митозом ДНК каждой хромосомы удваивается, но число хромосом остаётся равным 46.
3. При митозе сестринские хроматиды расходятся поровну, поэтому обе дочерние клетки получают одинаковый набор.

Ответ: в каждой дочерней клетке будет 46 хромосом. Так сохраняется исходный набор соматической клетки.

Задача 2. Клетка с набором 2n = 12 вступила в мейоз. Укажите набор хромосом в клетках после мейоза I и после мейоза II. Сначала учитываем расхождение гомологичных хромосом, а затем — разделение хроматид. Между этими делениями ДНК не удваивается.

1. Исходный диплоидный набор равен 2n = 12, следовательно, гаплоидный набор n = 6.
2. После мейоза I в каждой из двух клеток остаётся по одному представителю каждой пары гомологичных хромосом, то есть 6 хромосом.
3. После мейоза II хроматиды разделяются, но число хромосом в каждой итоговой клетке остаётся равным 6.

Ответ: после мейоза I — по 6 хромосом в каждой клетке, после мейоза II — также по 6. В итоге обычно образуются четыре клетки с набором n = 6.

Задача 3. У вида диплоидный набор равен 2n = 8. Определите число хромосом и хроматид в одной клетке после удвоения ДНК, после мейоза I и после мейоза II. Здесь важно вести два отдельных подсчёта: удвоение ДНК меняет число хроматид, а расхождение хромосом или хроматид — их распределение между клетками. Учитываем одну клетку на каждом указанном этапе.

1. После удвоения ДНК остаётся 8 хромосом, но в каждой по две хроматиды: всего 16 хроматид.
2. После мейоза I в одной клетке 4 хромосомы, каждая ещё состоит из двух хроматид, то есть всего 8 хроматид.
3. После мейоза II в одной клетке 4 хромосомы по одной хроматиде: всего 4 хроматиды.

Ответ: после удвоения — 8 хромосом и 16 хроматид; после мейоза I — 4 хромосомы и 8 хроматид; после мейоза II — 4 хромосомы и 4 хроматиды.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что после удвоения ДНК число хромосом удваивается. Её допускают, потому что количество наследственного материала действительно становится вдвое больше. Но две сестринские хроматиды, соединённые в одной области, считают одной хромосомой. Проверьте себя: после удвоения укажите прежнее число хромосом и отдельно удвоенное число хроматид.

Ошибка: называть мейоз одним делением. Так говорят, если сосредоточиться только на первом, редукционном этапе и забыть о втором. Мейоз включает два последовательных деления, которым предшествует одно удвоение ДНК. Для проверки запишите цепочку: удвоение ДНК, мейоз I, мейоз II.

Ошибка: путать расхождение гомологичных хромосом в мейозе I с расхождением сестринских хроматид в мейозе II и митозе. Это случается, когда оба события называют просто расхождением хромосом. Сверьте, что именно движется к полюсам: целые двухроматидные гомологичные хромосомы или отдельные хроматиды. В первом случае набор уменьшается, во втором сестринские копии распределяются между клетками.

Ошибка: считать все клетки после мейоза генетически одинаковыми. Такое представление возникает, если учитывать только уменьшение числа хромосом. Кроссинговер и независимое расхождение гомологичных хромосом создают разные сочетания наследственного материала. Проверьте вывод вопросом: могли ли обмен участками и разные комбинации хромосом дать одинаковые клетки?

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в митозе и мейозе, нужно знать строение хромосомы, а также различать хромосому и хроматиду. Понятия диплоидного и гаплоидного наборов помогают проследить, как меняется количество хромосом при делениях. Эти знания понадобятся при изучении образования гамет и оплодотворения: при слиянии гаплоидных клеток восстанавливается диплоидный набор. Связь мейоза с кроссинговером объясняет один из источников наследственной изменчивости.

Что запомнить

• Перед митозом и мейозом ДНК удваивается один раз.
• Митоз сохраняет число хромосом и обычно даёт две дочерние клетки.
• Мейоз включает два деления и образует четыре клетки с гаплоидным набором.
• В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы.
• В мейозе II расходятся сестринские хроматиды.
• Кроссинговер происходит в профазе I мейоза.
• Митоз важен для роста и обновления, мейоз — для полового размножения и изменчивости.