"Биология. Биологические системы и процессы (профильный уровень) ", Теремов А.В., Петросова Р.А.
Мейоз — деление, при котором из одной исходной клетки обычно образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом, то есть вдвое меньшим, чем у исходной. Он необходим для образования гамет и спор: благодаря уменьшению числа хромосом при оплодотворении восстанавливается диплоидный набор. В мейозе два деления следуют за одним удвоением ДНК. Кроссинговер и независимое расхождение хромосом создают новые сочетания наследственного материала.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Мейоз — особый тип деления клетки, при котором число хромосомных наборов уменьшается вдвое и образуются клетки с гаплоидным набором. Если исходная клетка диплоидная, в ней два набора, обозначаемые 2n, а в продуктах мейоза — один, n. Это деление нужно для образования гамет и спор, чтобы после оплодотворения число хромосом не удваивалось с каждым поколением.
Конъюгация хромосом — сближение и соединение гомологичных хромосом в профазе I. Гомологичные хромосомы образуют пары, потому что одна хромосома каждой пары получена от матери, а другая — от отца; в соответствующих местах у них расположены гены одних и тех же признаков. Такое сближение позволяет хромосомам обмениваться участками.
Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате одна хромосома может содержать участки, происходящие и от материнской, и от отцовской хромосомы. Так возникают новые сочетания генов, которых не было в родительских хромосомах.
Редукционное деление — первое деление мейоза, при котором расходятся гомологичные хромосомы и число наборов уменьшается вдвое. После него набор уже гаплоидный, хотя каждая хромосома всё ещё состоит из двух сестринских хроматид. Это различие помогает не путать число хромосом с количеством ДНК.
Перед мейозом клетка проходит интерфазу — период подготовки к делению. В ней ДНК удваивается, поэтому каждая хромосома состоит из двух одинаковых сестринских хроматид, соединённых в области центромеры. Число хромосом при этом не меняется: хромосому считают по центромере, а не по числу молекул ДНК. Между первым и вторым делениями мейоза интерфазы с повторным удвоением ДНК нет, поэтому клетка может разделить уже скопированный материал на четыре продукта.
В профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют и сближаются попарно. Это возможно потому, что хромосомы каждой пары несут гены одних и тех же признаков в соответствующих участках. Во время такого сближения между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом может произойти кроссинговер — обмен соответствующими участками. Поэтому новые хромосомы получают смешанные сочетания материнского и отцовского наследственного материала.
В первом делении пары гомологичных хромосом располагаются в середине клетки, причём ориентация каждой пары может быть случайной. Затем хромосомы пары расходятся к противоположным полюсам; сестринские хроматиды пока остаются соединёнными. Каждая дочерняя клетка получает только одного представителя каждой пары, поэтому вместо двух наборов остаётся один. Именно это уменьшение числа наборов делает первое деление редукционным.
Во втором делении хромосомы снова выстраиваются в середине клеток, но теперь к полюсам расходятся сестринские хроматиды. По этому событию второе деление напоминает митоз, однако исходные клетки уже имеют гаплоидный набор. В итоге из одной клетки обычно образуются четыре клетки, каждая с одним набором однохроматидных хромосом. Их наследственный материал может различаться из-за обмена участками и случайного распределения хромосом.
Разнообразие продуктов мейоза возникает двумя способами. Во-первых, при расхождении пар материнская и отцовская хромосомы могут попасть к полюсам в разных сочетаниях, независимо от других пар. Во-вторых, кроссинговер меняет сочетания участков внутри хромосом. Благодаря обоим механизмам гаметы одного организма обычно не являются одинаковыми по наследственному составу.
| Этап | Что происходит с хромосомами | Набор хромосом | Количество ДНК |
|---|---|---|---|
| После удвоения ДНК перед мейозом | Каждая хромосома состоит из двух хроматид | 2n | 4C |
| Первое деление: расхождение гомологичных хромосом | Гомологи движутся к разным полюсам; хроматиды остаются соединёнными | В каждой будущей клетке n | В каждой будущей клетке 2C |
| После первого деления | В каждой клетке гаплоидный набор двухроматидных хромосом | n | 2C |
| Второе деление: расхождение сестринских хроматид | Хроматиды разделяются и расходятся к полюсам | В каждой будущей клетке n | В каждой будущей клетке C |
| После второго деления | В каждой клетке однохроматидные хромосомы | n | C |
В таблице n обозначает один набор хромосом, а C — количество ДНК в одном гаплоидном наборе. Сравнивайте отдельно число хромосом и количество ДНК: после первого деления набор уже гаплоидный, но хромосомы ещё состоят из двух хроматид. Если в задаче требуется только число хромосом, не подменяйте его числом хроматид.
Задача 1. У организма диплоидный набор 2n = 6. Сколько хромосом будет в каждой клетке после завершения мейоза? Условие спрашивает число хромосом в одной итоговой клетке, а не количество хроматид во всей совокупности продуктов. При мейозе диплоидное число уменьшается вдвое, поэтому сначала нужно определить n.
Ответ: 3 хромосомы в каждой клетке.
Задача 2. Клетка с набором 2n = 8 прошла удвоение ДНК. Сколько хромосом и хроматид будет в ней в метафазе I и в каждой клетке после первого деления? Сначала разделяем два понятия: удвоение ДНК создаёт вторую хроматиду у каждой хромосомы, но центромеры не разделяются, поэтому число хромосом остаётся прежним. После первого деления расходятся гомологи, а сестринские хроматиды сохраняются вместе.
Ответ: в метафазе I — 8 хромосом и 16 хроматид; после первого деления — в каждой клетке 4 хромосомы и 8 хроматид.
Задача 3. У вида 2n = 12. Сколько разных сочетаний целых материнских и отцовских хромосом может возникнуть в гаметах при независимом расхождении, если не учитывать кроссинговер? Сначала определяем количество пар: каждая пара даёт два варианта распределения — материнская или отцовская хромосома попадёт в гамету. Варианты каждой пары сочетаются независимо.
Ответ: 64 сочетания целых хромосом без учёта кроссинговера. Правило 2ⁿ учитывает только независимое расхождение пар и не включает новые сочетания участков, возникающие при обмене хроматидами.
Ошибка: считать, что после удвоения ДНК удваивается число хромосом. Удваивается количество хроматид, а каждая хромосома до разделения центромеры остаётся одной хромосомой. Так путают, потому что хроматид становится вдвое больше и их можно принять за отдельные хромосомы. Проверка: посчитайте центромеры — в клетке с 2n = 8 их по-прежнему восемь, хотя хроматид шестнадцать.
Ошибка: менять местами события первого и второго делений. В первом расходятся гомологичные хромосомы, а во втором — сестринские хроматиды. Путаница возникает потому, что в обоих случаях структуры движутся к противоположным полюсам. Проверяйте, разделены ли хроматиды: если они ещё соединены, расходятся гомологи; если разделились — хроматиды.
Ошибка: называть первое деление эквационным, то есть сохраняющим набор хромосом. Так можно решить, что уменьшение числа наборов происходит только во втором делении. Но именно в первом к полюсам расходятся гомологи, и в каждой клетке остаётся по одному представителю пары. Проверка: проследите, сколько наборов было до деления и сколько оказалось в каждой дочерней клетке после него.
Ошибка: считать, что кроссинговер идёт между негомологичными хромосомами или при каждом делении мейоза. Его связывают с перемещением участков, но обмен происходит между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом в профазе I. Проверка: вспомните, когда гомологи сближаются попарно; во втором делении такого события нет.
Для понимания мейоза нужны знания о строении хромосомы и различии между хромосомой и хроматидой. Также важно отличать гомологичные хромосомы от сестринских хроматид и понимать обозначения диплоидного набора 2n и гаплоидного n. Это помогает точно определять, что расходится на каждом этапе.
Мейоз связан с образованием гамет и спор, а затем — с оплодотворением. При слиянии гамет гаплоидные наборы объединяются, восстанавливая диплоидный набор; так поддерживается постоянство числа хромосом вида при смене поколений. Мейоз также объясняет, почему наследственный материал потомства не является точной копией одного из родителей.
Кроссинговер и независимое расхождение хромосом — источники наследственной изменчивости. Эти процессы пригодятся при изучении генетики, когда нужно объяснить появление разных сочетаний признаков. Для расчёта вариантов сочетания целых хромосом без кроссинговера используют правило 2ⁿ, где n — число пар.
Почему мейоз включает два деления, если удвоение ДНК происходит только один раз?
После удвоения ДНК первое деление разделяет гомологичные хромосомы и уменьшает число наборов вдвое. Второе разделяет сестринские хроматиды, чтобы каждая итоговая клетка получила по одной хроматиде от каждой хромосомы.
Чем гомологичные хромосомы отличаются от сестринских хроматид?
Гомологичные хромосомы — пара материнской и отцовской хромосом с одинаковыми генами в соответствующих участках, но варианты генов могут различаться. Сестринские хроматиды — копии одной хромосомы, возникшие при удвоении ДНК и соединённые в области центромеры.
В какой фазе происходит кроссинговер?
Кроссинговер происходит в профазе I мейоза, когда гомологичные хромосомы сближаются. Обмен участками между ними создаёт новые сочетания генов.
Почему после первого деления мейоза набор хромосом уже гаплоидный?
В первом делении к разным полюсам расходятся гомологичные хромосомы, и каждая дочерняя клетка получает только одну хромосому из каждой пары. Поэтому набор становится гаплоидным, хотя каждая хромосома пока состоит из двух хроматид.
Чем мейоз отличается от митоза по результату и значению?
При митозе обычно образуются две клетки с таким же числом хромосом, как у исходной, а при мейозе — четыре клетки с числом хромосом вдвое меньше. Мейоз участвует в образовании гамет и спор и повышает наследственное разнообразие.
§40. Мейоз
