5.3. Деление клеток

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период жизни клетки от одного деления до следующего. Он состоит из интерфазы, когда клетка растёт и готовится к делению, и самого деления. Такое понятие помогает увидеть, что клетка не делится непрерывно: подготовка занимает отдельную часть цикла.

Митоз — деление ядра, при котором дочерние ядра получают одинаковый набор хромосом. Перед этим ДНК удваивается, а затем копии наследственного материала расходятся к разным полюсам клетки. Митоз нужен, чтобы новые клетки сохраняли тот же набор хромосом, что и исходная.

Цитокинез — разделение цитоплазмы и образование отдельных дочерних клеток после деления ядра. Ядра уже содержат распределённые хромосомы, но без разделения цитоплазмы две самостоятельные клетки не возникнут. Поэтому цитокинез завершает деление клетки.

Мейоз — два последовательных деления клетки, в результате которых возникают клетки с уменьшенным вдвое числом хромосом. Удвоение ДНК происходит до первого деления, а не между двумя делениями мейоза. Этот процесс позволяет образовывать половые клетки с гаплоидным набором.

Как это устроено

Интерфаза подготавливает клетку к делению, потому что дочерним клеткам понадобятся и наследственная информация, и клеточные структуры. Клетка растёт, удваивает ДНК и формирует необходимые компоненты. После копирования каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, поэтому при последующем распределении обе новые клетки могут получить копию генетического материала.

При митозе хромосомы сначала уплотняются и становятся хорошо различимыми. Затем они выстраиваются в средней части клетки, а прикреплённые к ним нити перемещают копии к противоположным полюсам. Такое упорядоченное движение снижает риск того, что одна из дочерних клеток останется без части хромосом.

После расхождения хромосом формируются два дочерних ядра. Но одно ядро в общей цитоплазме — ещё не две отдельные клетки, поэтому обычно следует цитокинез. Цитоплазма разделяется, и каждая клетка получает ядро и часть клеточных компонентов; так деление клетки завершается.

Мейоз отличается от митоза тем, что включает два деления подряд после одного удвоения ДНК. В первом делении расходятся гомологичные хромосомы — пары хромосом сходного строения, одна из которых получена от матери, а другая от отца. Поэтому число наборов уменьшается вдвое; во втором делении расходятся сестринские хроматиды, как при митозе.

Деление клеток обеспечивает рост организма, поскольку увеличивается число клеток, и обновление тканей, поскольку старые или повреждённые клетки заменяются новыми. Митоз также лежит в основе некоторых форм бесполого размножения. Мейоз образует клетки для полового размножения, а разные сочетания материнских и отцовских хромосом в них становятся одним из источников наследственной изменчивости.

Сравнение митоза и мейоза

Сначала сравните число делений и итоговый набор хромосом: это помогает не перепутать процессы. Затем проверьте, какие именно хромосомы расходятся и сколько клеток образуется. Последняя строка показывает, почему организму нужны оба типа деления.

Разбор задач

Задача 1. В клетке перед делением 2n = 8. Определите, сколько хромосом будет в каждом дочернем ядре после митоза. Нужно учитывать, что при митозе исходный набор сохраняется, хотя ДНК перед делением копируется.

1. Исходная клетка имеет диплоидный набор из восьми хромосом.
2. Перед митозом каждая хромосома удваивает ДНК и становится двухроматидной, но число хромосом по центромерам остаётся равным восьми.
3. Во время митоза копии расходятся поровну, поэтому каждое дочернее ядро получает полный исходный набор.

Ответ: в каждом дочернем ядре будет 2n = 8 хромосом.

Задача 2. Клетка с диплоидным набором 2n = 12 прошла мейоз. Определите набор хромосом в образовавшихся клетках и их число. Важно отделить два деления мейоза от однократного удвоения ДНК, которое предшествует им.

1. Диплоидный набор равен 12, значит половинный, гаплоидный набор n равен 6.
2. В первом делении гомологичные хромосомы расходятся, и число наборов уменьшается вдвое. Второе деление распределяет хроматиды, не уменьшая набор ещё раз.
3. После двух делений из одной исходной клетки обычно образуются четыре клетки, каждая с набором n = 6.

Ответ: образуются четыре клетки с шестью хромосомами в каждой.

Задача 3. В образовавшихся клетках обнаружены разные сочетания материнских и отцовских хромосом. Какое деление привело к такому результату и почему? Чтобы ответить, нужно вспомнить, что при мейозе гомологичные хромосомы пары направляются к разным полюсам.

1. У каждой пары одна гомологичная хромосома имеет материнское происхождение, другая — отцовское.
2. В первом делении мейоза хромосомы из таких пар расходятся в разные клетки. Сочетание материнских и отцовских хромосом в каждой клетке может отличаться.
3. Поэтому образовавшиеся после мейоза клетки несут разные варианты наследственной информации.

Ответ: результат связан с первым делением мейоза и независимым распределением гомологичных хромосом.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что число хромосом удваивается вместе с количеством ДНК. Её допускают, смешивая две хроматиды одной хромосомы с двумя отдельными хромосомами. Проверьте себя: пока хроматиды соединены одной центромерой, считают одну хромосому.

Ошибка: называть митозом всё деление клетки. Так происходит, потому что оба события идут рядом и часто описываются вместе. Различайте этапы: митоз делит ядро, цитокинез — цитоплазму; именно цитокинез разделяет клетку на две.

Ошибка: считать, что мейоз состоит из одного деления или что ДНК удваивается перед каждым из двух делений. Это заблуждение возникает из-за того, что оба этапа называют делениями мейоза. Проверьте последовательность: одно удвоение ДНК перед первым делением, затем два деления подряд.

Ошибка: сравнивать митоз и мейоз только по числу дочерних клеток. В таком сравнении теряются различия в числе хромосом и наследственной информации. Для проверки сравните сразу три признака: число делений, итоговый набор хромосом и генетическое сходство клеток.

Связь с другими темами

Для изучения деления клеток нужно знать строение хромосомы и различать хромосому и хроматиду. Также важно понимать, что диплоидный набор обозначают 2n, а гаплоидный — n; при мейозе из 2n получается n. Эти понятия помогают проследить, как меняется наследственный материал.

Митоз связан с ростом, регенерацией — восстановлением повреждённых тканей — и бесполым размножением. Поэтому его знание помогает объяснять, как организм увеличивает число клеток и заменяет старые. Мейоз нужен для понимания образования гамет, оплодотворения и наследственной изменчивости: при оплодотворении объединяются наборы двух половых клеток.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• Перед делением ДНК удваивается в интерфазе.
• Митоз обеспечивает равное распределение хромосом между двумя дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование дочерних клеток.
• Мейоз включает два последовательных деления.
• После мейоза число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое.
• Мейоз способствует генетическому разнообразию потомства.