§ 18. Клеточный цикл. Митоз и мейоз

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её возникновения до следующего деления или гибели. В него входят интерфаза и деление, поэтому это понятие описывает не только само разделение клетки, но и подготовку к нему. Циклы клеток различаются по продолжительности и особенностям в зависимости от их функций. Например, клеткам, которые часто обновляются, необходимо регулярно проходить цикл.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к следующему делению. В это время в клетке происходят обычные процессы обмена веществ, а наследственная информация копируется. Интерфаза нужна, чтобы к началу деления клетка подготовила достаточное количество веществ и копии ДНК. Без такой подготовки дочерние клетки не смогли бы получить полный набор наследственной информации.

Митоз — деление ядра, при котором из одной клетки образуются две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом. Хромосомы — структуры, содержащие ДНК; они несут наследственную информацию. При митозе копии хромосом распределяются так, чтобы обе новые клетки получили полный набор. Этот тип деления нужен организму для роста, обновления тканей и некоторых форм бесполого размножения.

Мейоз — особый тип деления, включающий два последовательных деления и приводящий к образованию клеток с уменьшенным вдвое набором хромосом. Диплоидный набор обозначают 2n, а гаплоидный — n; число n в два раза меньше 2n. Мейоз необходим для образования клеток, участвующих в половом размножении. При последующем оплодотворении наборы от двух родителей соединяются, и число хромосом вида сохраняется.

Как это устроено

Клеточный цикл включает интерфазу и деление, потому что клетке нужно сначала подготовить наследственный материал, а затем распределить его. Продолжительность цикла зависит от того, какую работу выполняет клетка и как часто её требуется заменять. Одни клетки делятся регулярно, другие долго сохраняют свои функции без деления. Поэтому клеточный цикл — не одинаковый по времени «таймер» для всех клеток.

В интерфазе удваивается ДНК, чтобы при последующем делении каждая дочерняя клетка получила полный набор наследственной информации. После копирования у каждой хромосомы есть две одинаковые сестринские хроматиды, соединённые между собой. До их расхождения число хромосом не удваивается: хромосома считается по центромере, а не по числу молекул ДНК. Клетка также растёт и накапливает необходимые для деления вещества.

Перед митозом хромосомы уплотняются и становятся заметными, а ядерная оболочка разрушается, чтобы хромосомы могли перемещаться внутри клетки. Формируется веретено деления — система нитей, которая прикрепляется к хромосомам и помогает направить их к полюсам клетки. Такое упорядоченное перемещение снижает вероятность того, что клетка получит неполный или лишний набор. В результате хромосомы оказываются подготовлены к равному распределению.

Во время митоза сестринские хроматиды отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам клетки. После разделения каждая хроматида становится самостоятельной хромосомой, поэтому обе будущие клетки получают одинаковые копии исходного набора. Затем формируются два ядра, а клетка разделяется на две части. Так сохраняется число хромосом, что важно для нормальной работы клеток растущего или обновляющегося организма.

Перед мейозом ДНК удваивается один раз, но затем происходят два деления, поэтому итоговый набор уменьшается вдвое. В первом делении расходятся гомологичные хромосомы — пары хромосом сходного строения, одна из которых получена от каждого родителя. Во втором делении друг от друга отделяются сестринские хроматиды, как при митозе. Между делениями нового удвоения ДНК не происходит, а обмен участками и независимое распределение хромосом создают новые сочетания наследственной информации.

Сравнение митоза и мейоза

Сравнивайте эти процессы по числу делений и по тому, какие именно структуры расходятся. В первом делении мейоза расходятся гомологичные хромосомы, а при митозе — сестринские хроматиды. Таблица помогает отделить сходство процессов от различий в результате и биологической роли.

Разбор задач

Задача 1. В клетке перед митозом 2n = 12. Сколько хромосом будет в каждой дочерней клетке после деления? Чтобы ответить, нужно проследить именно число хромосом, а не количество молекул ДНК. Митоз распределяет копии наследственного материала поровну между дочерними клетками.

1. Исходный диплоидный набор равен 2n = 12, значит, в клетке 12 хромосом. Это число указано для клетки перед митозом, независимо от того, удвоилась ли уже ДНК. Записываем исходное количество хромосом.
2. При подготовке к митозу каждая хромосома копирует ДНК и состоит из двух сестринских хроматид. Однако до их расхождения число хромосом по-прежнему равно 12. Удваивается количество ДНК, а не число хромосом.
3. Во время митоза хроматиды распределяются поровну, по одной копии в каждую дочернюю клетку. Каждая клетка получает полный исходный набор. Значит, в каждой дочерней клетке будет 12 хромосом.

Ответ: 12 хромосом в каждой дочерней клетке. При решении подобных задач сначала выясняйте, какой тип деления происходит. При митозе набор сохраняется, даже если перед ним копируется ДНК.

Задача 2. В исходной клетке 2n = 8. Определите число хромосом в клетках после первого и второго делений мейоза. Число хромосом прослеживаем отдельно для каждого деления, поскольку сначала расходятся пары гомологичных хромосом, а затем сестринские хроматиды. Уточним, что считать нужно хромосомы, а не хроматиды.

1. Исходный набор диплоидный: 2n = 8, поэтому гаплоидный набор составляет n = 4. Перед мейозом ДНК удваивается, но число хромосом исходной клетки остаётся равным восьми. Важен не объём ДНК, а этап деления.
2. В первом делении мейоза гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки. Каждая клетка получает по одной хромосоме из каждой пары, поэтому число наборов уменьшается с 2n до n. В каждой такой клетке оказывается 4 хромосомы, каждая из двух хроматид.
3. Во втором делении расходятся сестринские хроматиды. Они становятся самостоятельными хромосомами, но число наборов остаётся гаплоидным. В каждой конечной клетке будет по 4 хромосомы.

Ответ: после первого деления — 4 хромосомы в каждой клетке, после второго — также 4. Меняется количество ДНК в хромосомах, а не число наборов при втором делении. Поэтому здесь нельзя ещё раз делить четыре пополам.

Задача 3. В результате мейоза образовались клетки с 10 хромосомами. Определите диплоидный набор исходной клетки и объясните расчёт. Продукты мейоза имеют гаплоидный набор, то есть вдвое меньше исходного диплоидного. Следовательно, известное число относится к n, а не к 2n.

1. Запишем число хромосом в конечных клетках: n = 10. Это гаплоидный набор, потому что мейоз уменьшает количество наборов вдвое. Не нужно считать, что конечные клетки получили диплоидный набор.
2. Диплоидный набор в исходной клетке вдвое больше: 2n = 2 × 10. Умножение связано с тем, что исходная клетка содержала пары гомологичных хромосом. В каждой паре был один представитель от каждого родителя.
3. Вычислим: 2n = 20. Проверка обратным действием даёт 20 ÷ 2 = 10, что совпадает с числом хромосом в продуктах мейоза. Значит, расчёт соответствует уменьшению набора вдвое.

Ответ: диплоидный набор исходной клетки — 2n = 20. В задачах, где дано число хромосом после мейоза, сначала обозначайте его как n. Затем удваивайте результат, чтобы найти исходный диплоидный набор.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что после удвоения ДНК удваивается и число хромосом. Так рассуждают, потому что у каждой хромосомы появляются две хроматиды, и их принимают за две отдельные хромосомы. Проверка: посчитайте центромеры — до расхождения хроматид их число остаётся прежним. Удваивается количество ДНК, а не число хромосом.

Ошибка: путать первое и второе деления мейоза. Часто запоминают, что в обоих делениях структуры расходятся, но не различают сами структуры. Проверка: в первом делении расходятся гомологичные хромосомы, а во втором — сестринские хроматиды. Если видите уменьшение числа наборов, речь идёт о первом делении.

Ошибка: утверждать, что митоз всегда образует половые клетки. Путаница возникает из-за того, что оба процесса связаны с делением клеток. Проверка: вспомните результат и роль процесса — митоз обеспечивает рост, обновление тканей и бесполое размножение, а мейоз участвует в образовании клеток для полового размножения. Не переносите функцию одного типа деления на другой.

Ошибка: считать дочерние клетки мейоза полностью одинаковыми. Это кажется верным, если сосредоточиться только на уменьшении числа хромосом. Проверка: учитывайте обмен участками гомологичных хромосом и их независимое распределение, которые создают разные сочетания наследственной информации. Поэтому клетки после мейоза могут различаться по наследственным сочетаниям.

Связь с другими темами

Для понимания деления нужны знания о строении клетки, роли ядра, хромосом и ДНК. Также нужно различать гаплоидный набор n и диплоидный набор 2n: это помогает отслеживать изменения числа хромосом. Без этих понятий легко спутать количество ДНК с количеством хромосом.

Мейоз связан с темами образования гамет и оплодотворения. Уменьшение числа хромосом в гаметах позволяет при их слиянии восстановить диплоидный набор. Благодаря этому число хромосом вида не удваивается при каждом половом размножении.

Митоз объясняет рост организма и обновление тканей, а также связан с регенерацией — восстановлением повреждённых частей. Нарушения клеточного деления могут приводить к сбоям в работе организма. Поэтому знание митоза помогает понять и нормальное развитие, и некоторые причины заболеваний.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• В интерфазе происходит удвоение ДНК.
• Митоз сохраняет число хромосом и образует две дочерние клетки.
• Мейоз включает два деления после одного удвоения ДНК.
• В первом делении мейоза расходятся гомологичные хромосомы.
• В результате мейоза число хромосом уменьшается вдвое.
• Митоз важен для роста и обновления, а мейоз — для полового размножения.