§ 17. Деление клетки — основа размножения, роста и развития организмов

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период жизни клетки от её образования до следующего деления или прекращения делений. В нём выделяют интерфазу и деление клетки. Это понятие помогает рассматривать подготовку к делению и само деление как части одного процесса.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и удваивает наследственный материал. Она занимает значительную часть клеточного цикла. Благодаря этому этапу клетка успевает подготовить необходимые вещества и копии ДНК.

Митоз — деление ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Хромосомы содержат ДНК с наследственной информацией. Митоз нужен, чтобы обе будущие клетки получили полный и одинаковый набор хромосом.

Цитокинез — разделение цитоплазмы, обычно завершающее деление клетки. Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки, в котором находятся её структуры. Цитокинез отделяет две части клетки друг от друга и позволяет им существовать как самостоятельным клеткам.

Как это устроено

Перед делением клетка растёт и удваивает ДНК. Если бы копирование не произошло, при разделении каждая дочерняя клетка получила бы лишь часть нужной наследственной информации. После копирования у хромосом появляются две одинаковые сестринские хроматиды — копии, соединённые друг с другом. Поэтому затем можно распределить по одной копии в каждое будущее ядро.

В начале митоза, в профазе, хромосомы становятся короткими и заметными. До этого ДНК была менее плотно упакована, а теперь её легче перемещать, не запутывая нити. Ядерная оболочка разрушается, поэтому хромосомы оказываются в общей части клетки и могут взаимодействовать с системой, которая их перемещает. Эти изменения подготавливают точное распределение наследственного материала.

В метафазе хромосомы располагаются в средней части клетки. Такое положение важно: к двум сторонам каждой хромосомы могут присоединиться нити, направленные к противоположным полюсам. Если хромосомы выстроились правильно, их копии можно разделить в разные стороны. Расположение посередине помогает не отправить обе копии в одно будущее ядро.

В анафазе сестринские хроматиды отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам клетки. Каждая отделившаяся хроматида становится самостоятельной хромосомой. Поскольку копии направляются в разные стороны, у каждого полюса собирается одинаковый набор. Это сохраняет число хромосом и наследственную информацию в будущих ядрах.

В телофазе у двух групп хромосом формируются новые ядра. Затем обычно происходит цитокинез: цитоплазма разделяется, и возникают две дочерние клетки. Так копирование ДНК и последовательное расхождение хромосом приводят к равномерному распределению наследственного материала. Дочерние клетки генетически сходны с исходной, если при копировании не возникло изменений.

События клеточного цикла и митоза

Читайте таблицу сверху вниз: она показывает последовательность событий, а не отдельные процессы, которые можно переставлять местами. Сравнивайте столбцы, чтобы увидеть, как изменения хромосом связаны с подготовкой клетки и её разделением. Интерфаза и цитокинез входят в клеточный цикл, но не являются фазами митоза.

Разбор задач

Задача 1. Назовите этап клеточного цикла, во время которого удваивается ДНК. Чтобы ответить, нужно отличить подготовку клетки от самого деления ядра. Митоз состоит из фаз, в которых хромосомы перемещаются и распределяются.

1. Вспоминаем, что митоз начинается после подготовки клетки.
2. Находим этап между делениями, во время которого клетка растёт и копирует наследственный материал.
3. Этот этап называется интерфазой; именно в ней удваивается ДНК.

Ответ: ДНК удваивается в интерфазе. Это не одна из фаз митоза, хотя интерфаза входит в клеточный цикл. Копирование подготавливает наследственный материал к распределению.

Задача 2. Определите фазу митоза, если хромосомы выстроились в средней части клетки. Ориентир в условии — расположение хромосом, а не их движение к полюсам. Сопоставим этот признак с порядком фаз.

1. В профазе хромосомы становятся заметными, но ещё не выстроены в середине.
2. В метафазе они занимают среднюю часть клетки.
3. В анафазе копии уже расходятся к противоположным полюсам.

Ответ: это метафаза. Выстраивание в середине предшествует расхождению хроматид. Поэтому признак из условия указывает на этап подготовки к равному распределению.

Задача 3. В исходной клетке было 12 хромосом. Сколько хромосом будет в каждом дочернем ядре после завершения митоза? Не нужно делить число 12 пополам: перед митозом ДНК копируется, а сестринские хроматиды затем расходятся поровну. Проследим за числом хромосом в одном будущем ядре.

1. При удвоении ДНК каждая хромосома получает две сестринские хроматиды, но число хромосом в клетке не становится 24.
2. В анафазе копии каждой хромосомы расходятся к разным полюсам.
3. У каждого полюса оказывается исходный набор из 12 хромосом.

Ответ: в каждом дочернем ядре будет по 12 хромосом. Митоз сохраняет число хромосом относительно исходной клетки. Две дочерние клетки получат одинаковое количество наследственного материала.

Типичные ошибки

Ошибка: считать интерфазу частью митоза. Её часто включают в митоз, потому что она непосредственно предшествует делению и подготавливает клетку. Но интерфаза — отдельный этап клеточного цикла, а митозом называют деление ядра. Проверьте себя: если описывается рост и копирование ДНК, речь идёт об интерфазе.

Ошибка: путать удвоение ДНК с удвоением числа хромосом. Это происходит из-за того, что после копирования в каждой хромосоме есть две хроматиды. Однако до их разделения они считаются одной хромосомой. Проверьте себя: после удвоения укажите две сестринские хроматиды, а не две отдельные хромосомы.

Ошибка: считать, что хромосомы расходятся к полюсам в метафазе. В метафазе они только располагаются посередине клетки, а их копии разделяются позже. Путаница возникает из-за близости этих фаз в последовательности митоза. Проверьте себя: «середина» означает метафазу, «расхождение» — анафазу.

Ошибка: смешивать деление ядра и всей клетки. Эти события связаны, поэтому их легко принять за один процесс. Но митоз делит ядро, а цитокинез разделяет цитоплазму и обычно завершает деление клетки. Проверьте себя: если образуются два ядра, митоз завершён; если клетка разделилась на части, произошёл цитокинез.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в делении, нужно знать, что ДНК хранит наследственную информацию, а хромосомы содержат ДНК. Тогда становится понятна роль копирования: клетка передаёт дочерним клеткам инструкции для работы и развития. Эта тема помогает объяснить, как увеличение числа клеток обеспечивает рост организма и образование тканей. Она также связана с развитием, размножением организмов и восстановлением клеток, например при обновлении тканей.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• Перед митозом наследственный материал удваивается.
• Митоз обеспечивает равномерное распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Основные фазы митоза — профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
• В анафазе сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки.
• После митоза и цитокинеза обычно образуются две дочерние клетки с тем же числом хромосом, что и у исходной.