§ 9. Деление клеток

Определения и обозначения

Клеточный цикл — периоды жизни клетки от одного деления до следующего. Он включает интерфазу, когда клетка растёт, работает и подготавливается, и само деление. Это понятие помогает понять, в какой момент удваивается ДНК и когда наследственный материал распределяется между клетками.

Митоз — способ деления клетки, при котором образуются две генетически одинаковые дочерние клетки с тем же набором хромосом. Он нужен для роста организма, замены старых клеток и восстановления повреждённых тканей. Поэтому митоз сохраняет наследственную информацию клетки.

Мейоз — особый тип деления, включающий два последовательных деления и приводящий к образованию четырёх клеток с уменьшенным вдвое набором хромосом. Если исходная клетка диплоидная, 2n, то продукты мейоза обычно гаплоидные, n. Это необходимо для образования половых клеток и сохранения постоянного числа хромосом после оплодотворения.

Цитокинез — разделение цитоплазмы и формирование самостоятельных дочерних клеток после деления ядра. Ядра уже получили наследственный материал, но без разделения цитоплазмы полноценные клетки не возникнут. Цитокинез завершает процесс деления.

Как это устроено

Перед делением в интерфазе ДНК удваивается, потому что каждая дочерняя клетка должна получить полный набор наследственной информации. Репликация создаёт копию каждой молекулы ДНК, а клетка увеличивает количество необходимых белков и органоидов. Одна хромосома после этого состоит из двух одинаковых сестринских хроматид, соединённых центромерой, поэтому число хромосом пока не меняется.

В начале митоза хромосомы спирализуются и становятся короткими и плотными, чтобы не запутаться и не повредиться при перемещении. Формируется веретено деления из нитей, которые прикрепляются к хромосомам. В анафазе сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам, поэтому обе будущие клетки получают одинаковый набор генетического материала.

В профазе хромосомы становятся хорошо заметными, исчезают ядрышко и ядерная оболочка, а начинает формироваться веретено деления. В метафазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки, что позволяет прикрепить нити веретена к каждой хроматиде. В анафазе хроматиды расходятся к полюсам, а в телофазе вокруг них формируются два ядра и хромосомы раскручиваются.

Мейоз состоит из двух делений, потому что сначала нужно разделить гомологичные хромосомы, а затем сестринские хроматиды. Удвоение ДНК происходит только перед мейозом I: после него хроматиды уже подготовлены к обоим делениям. Если бы ДНК удваивалась ещё раз перед мейозом II, набор наследственного материала не уменьшился бы правильно.

В профазе I гомологичные хромосомы соединяются в пары, или конъюгируют, и обмениваются участками ДНК; этот обмен называют кроссинговером. Кроме того, пары хромосом расходятся независимо друг от друга, поэтому разные клетки получают разные материнские и отцовские хромосомы. Эти процессы создают новые сочетания генов и повышают наследственную изменчивость потомства.

Сравнение митоза и мейоза

Пользуйтесь таблицей, сравнивая сначала число делений и дочерних клеток, а затем набор хромосом. Если нужно объяснить различия потомков, ищите признаки мейоза: кроссинговер и независимое расхождение хромосом.

Разбор задач

Задача 1. Из одной диплоидной клетки образовались две диплоидные клетки, полностью сходные с материнской. Нужно определить тип деления по количеству клеток, набору хромосом и сходству потомков.

1. Две дочерние клетки характерны для митоза, а не для мейоза, который даёт четыре клетки.
2. Диплоидный набор сохранился, значит, число хромосом не уменьшилось вдвое.
3. Полное генетическое сходство означает, что наследственный материал распределился одинаково.

Ответ: это митоз. Он сохраняет диплоидный набор и образует две генетически сходные клетки.

Задача 2. В клетке перед делением было 2n = 12 хромосом. Сколько хромосом и молекул ДНК будет в каждой дочерней клетке после митоза? Нужно не перепутать число хромосом с числом молекул ДНК.

1. До репликации клетка имела 12 хромосом и 12 молекул ДНК.
2. После удвоения ДНК остаётся 12 хромосом, но в них уже 24 молекулы ДНК, потому что каждая хромосома состоит из двух хроматид.
3. В митозе сестринские хроматиды расходятся поровну, поэтому каждая дочерняя клетка получает 12 хромосом и по одной молекуле ДНК на каждую из них.

Ответ: в каждой дочерней клетке будет 12 хромосом и 12 молекул ДНК.

Задача 3. У организма 2n = 24. Определим число хромосом в клетках после мейоза и причину их генетических различий.

1. Мейоз уменьшает диплоидный набор вдвое: 24 : 2 = 12.
2. После двух делений образуются четыре клетки, и в каждой будет по 12 хромосом.
3. Клетки различаются, потому что в профазе I происходит кроссинговер, а гомологичные хромосомы распределяются между клетками независимо.

Ответ: каждая клетка после мейоза содержит 12 хромосом; генетические различия объясняются кроссинговером и независимым расхождением хромосом.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что после удвоения ДНК число хромосом удваивается. Так происходит потому, что ученик видит две хроматиды и принимает их за две хромосомы. Проверьте наличие одной центромеры: две сестринские хроматиды до расхождения считаются одной хромосомой.

Ошибка 2. Путать митоз и мейоз. Их смешивают из-за похожих названий и общих стадий, но митоз обычно сохраняет набор, а мейоз уменьшает его вдвое. Сначала определите число делений и дочерних клеток.

Ошибка 3. Утверждать, что ДНК удваивается перед каждым делением мейоза. Ошибка возникает, если механически переносить правило интерфазы на оба этапа. Проверьте последовательность: одно удвоение ДНК перед мейозом I, затем мейоз II без новой репликации.

Ошибка 4. Считать клетки после мейоза генетически одинаковыми. Такое заключение игнорирует кроссинговер и независимое распределение хромосом. Чтобы проверить себя, назовите хотя бы один из этих процессов.

Связь с другими темами

Для понимания деления нужны знания о строении хромосомы, диплоидном и гаплоидном наборах, клеточном цикле и роли ДНК. Дальше эта тема объясняет образование гамет, оплодотворение и наследование признаков. Митоз обеспечивает рост и регенерацию организма, а мейоз вместе со слиянием гамет связан с половым размножением и генетическим разнообразием.

Что запомнить

• Перед делением ДНК удваивается в интерфазе.
• Митоз включает одно деление и образует две генетически сходные клетки.
• При митозе дочерние клетки сохраняют число хромосом материнской клетки.
• Мейоз включает два деления после одного удвоения ДНК.
• После мейоза образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.
• Кроссинговер и независимое расхождение хромосом повышают наследственную изменчивость.
• Цитокинез разделяет цитоплазму между дочерними клетками.