"Биология. Общая биология (базовый уровень)", Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т.
Половые клетки образуются в ходе гаметогенеза, а ключевой этап этого процесса — мейоз. Он уменьшает число хромосом вдвое, чтобы при слиянии гамет во время оплодотворения восстанавливался набор, характерный для вида. Два деления мейоза следуют за одним удвоением ДНК: сначала расходятся гомологичные хромосомы, затем сестринские хроматиды. Обмен участками и случайное распределение хромосом делают гаметы генетически различными.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гаметы — половые клетки с гаплоидным набором хромосом, обозначаемым n. При оплодотворении гаметы сливаются, а их наборы объединяются. Так из двух клеток с половинным набором возникает клетка с диплоидным набором 2n.
Гаметогенез — процесс образования и развития половых клеток. В нём выделяют размножение клеток-предшественников, их рост и созревание. Эти этапы обеспечивают появление клеток, способных пройти мейоз и участвовать в размножении.
Мейоз — особый тип деления клетки, при котором число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое. Он состоит из двух делений, которым предшествует одно удвоение ДНК. Благодаря этому гаметы получают половинный набор, а после оплодотворения число хромосом вида не удваивается.
Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате хромосомы получают новые сочетания генов. Это повышает наследственную изменчивость и помогает объяснить, почему гаметы одного организма не обязательно одинаковы.
Гаметогенез начинается с диплоидных клеток-предшественников, в которых имеются пары гомологичных хромосом. Перед мейозом клетка растёт и удваивает ДНК, чтобы каждая будущая хромосома могла быть представлена двумя сестринскими хроматидами. Само число хромосом при этом не меняется: одну хромосому по-прежнему считают по одной центромере. Удвоение создаёт материал для двух последовательных делений без промежуточного копирования генетической информации.
В первом делении мейоза гомологичные хромосомы сближаются попарно. Они похожи по строению и несут гены одних и тех же признаков, хотя варианты генов могут различаться. При сближении между их несестринскими хроматидами возможен кроссинговер — обмен соответствующими участками. Затем гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам клетки, потому что каждый будущий набор должен получить только по одному представителю каждой пары.
После первого деления клетки уже имеют гаплоидный набор хромосом, но каждая хромосома всё ещё состоит из двух хроматид. Поэтому деление на этом не заканчивается. Во втором делении мейоза центромеры разделяются, а сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам. В результате образуются клетки, в каждой из которых находится по одной хроматиде от каждой хромосомы исходного набора.
Сперматогенез и оогенез различаются тем, как делится цитоплазма и какие продукты деления сохраняют способность функционировать. При сперматогенезе деление обычно приводит к образованию четырёх клеток, которые развиваются в функциональные сперматозоиды. При оогенезе цитоплазма распределяется неравномерно: одна клетка получает основную её часть и становится яйцеклеткой, а остальные превращаются в полярные тельца. Такое распределение обеспечивает яйцеклетку запасом веществ для раннего развития зародыша.
Генетическое разнообразие гамет возникает двумя путями. Во-первых, каждая пара гомологичных хромосом независимо ориентируется перед расхождением, поэтому материнские и отцовские хромосомы могут сочетаться в разных комбинациях. Во-вторых, кроссинговер меняет сочетания участков внутри хромосом. Совместное действие этих процессов делает гаметы генетически различающимися и увеличивает разнообразие потомства.
| Этап | Что происходит с хромосомами | Изменение набора хромосом | Результат |
|---|---|---|---|
| Перед мейозом | ДНК удваивается; каждая хромосома состоит из двух хроматид. | Набор остаётся 2n. | Клетка подготовлена к двум делениям. |
| Первое деление мейоза | Гомологичные хромосомы сближаются, возможен кроссинговер, затем они расходятся. | Набор уменьшается с 2n до n. | Образуются две клетки с удвоенными хромосомами. |
| Второе деление мейоза | Сестринские хроматиды разделяются и расходятся. | Набор остаётся n. | Каждая хромосома становится однохроматидной. |
| После завершения мейоза | Хромосомы распределены по дочерним клеткам. | В каждой клетке гаплоидный набор n. | Получаются клетки, способные развиваться в гаметы. |
Таблица помогает проследить, что число хромосом и количество хроматид — не одно и то же. Сначала меняется набор хромосом, а затем разделяются хроматиды. Сверяйте результат каждого этапа с тем, какие именно структуры расходятся.
Задача 1. У диплоидной клетки 2n = 12. Сколько хромосом будет в каждой клетке после мейоза? Нужно найти не число хроматид, а число хромосом после завершения двух делений. Поскольку результат мейоза имеет гаплоидный набор, исходное число следует разделить на два.
Ответ: 6 хромосом в каждой клетке.
Задача 2. Перед первым делением мейоза 2n = 8. Сколько хромосом и хроматид окажется в одной клетке после первого деления? Здесь важно учитывать, что расходятся гомологичные хромосомы, а сестринские хроматиды пока остаются соединёнными. Поэтому сначала находим число хромосом в гаплоидном наборе, а затем учитываем две хроматиды в каждой из них.
Ответ: 4 хромосомы и 8 хроматид в одной клетке.
Задача 3. Из одной клетки-предшественницы в ходе гаметогенеза образовались четыре клетки, но функциональной стала только одна. Какой это тип гаметогенеза и чем объясняется результат? Четыре продукта делений сами по себе ещё не означают, что все они станут равноценными половыми клетками. Нужно определить, какое направление развития сохраняет одну крупную клетку и направляет в неё основную часть цитоплазмы.
Ответ: это оогенез; функциональной становится одна яйцеклетка, а остальные клетки превращаются в полярные тельца.
Первая ошибка — считать, что после удвоения ДНК удваивается и число хромосом. Это происходит из-за смешения понятий «хромосома» и «хроматида»: удвоенная хромосома имеет две хроматиды, но одну центромеру. Проверьте себя, посчитав центромеры, а не отдельные нити ДНК: до начала деления число хромосом остаётся 2n.
Вторая ошибка — путать гомологичные хромосомы с сестринскими хроматидами. Они расходятся в разные моменты, потому что гомологи разделяются в мейозе I, а хроматиды — в мейозе II. Чтобы проверить ответ, спросите себя, какая структура ещё соединена после первого деления: это сестринские хроматиды одной хромосомы.
Третья ошибка — считать, что после первого деления мейоз завершён, раз набор стал гаплоидным. Однако хромосомы в полученных клетках всё ещё состоят из двух хроматид, поэтому нужно второе деление. Проверка проста: если вопрос касается образования конечных клеток мейоза, учитывайте оба деления и результат расхождения хроматид.
Четвёртая ошибка — считать все продукты оогенеза и сперматогенеза равноценными гаметами. Число клеток после делений не всегда совпадает с числом функциональных половых клеток: при оогенезе обычно сохраняется одна крупная яйцеклетка. Сверяйте ответ с тем, как распределяется цитоплазма, и не приравнивайте полярные тельца к яйцеклетке.
Для понимания мейоза нужно знать строение хромосомы, различать диплоидный набор 2n и гаплоидный набор n, а также помнить основные события митоза. Особенно полезно уметь отличать хромосомы от хроматид: это позволяет правильно прослеживать изменения на каждом этапе. Мейоз связан с оплодотворением, поскольку обеспечивает слияние гамет без удвоения числа хромосом вида. Кроссинговер и независимое расхождение хромосом объясняют наследственную изменчивость организмов.
Почему мейоз включает два деления, если ДНК удваивается только один раз?
Первое деление разделяет гомологичные хромосомы и уменьшает набор с диплоидного до гаплоидного. Второе разделяет сестринские хроматиды, но нового удвоения ДНК между делениями нет.
На каком этапе мейоза число хромосом уменьшается вдвое?
Это происходит в первом делении мейоза, когда гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам. После него каждая дочерняя клетка получает по одной хромосоме из каждой пары.
Чем хромосома отличается от хроматиды при подсчёте?
Хромосому считают по числу центромер, поэтому удвоенная хромосома с двумя сестринскими хроматидами всё ещё считается одной хромосомой. После разделения хроматид каждая из них становится самостоятельной хромосомой.
Где происходит кроссинговер и зачем он нужен?
Кроссинговер происходит в первом делении мейоза между участками гомологичных хромосом. Он создаёт новые сочетания генов и увеличивает наследственную изменчивость.
Почему при оогенезе образуется одна яйцеклетка, а не четыре?
При оогенезе цитоплазма делится неравномерно: почти всё её содержимое получает одна крупная клетка. Остальные продукты делений обычно становятся полярными тельцами и не участвуют в оплодотворении.
3.6. Образование половых клеток. Мейоз
