28. Деление клеток

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период жизни клетки от её образования до следующего деления или гибели. В нём выделяют интерфазу и собственно деление клетки. Это понятие помогает проследить, когда клетка растёт, копирует наследственный материал и передаёт его потомкам.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и удваивает ДНК. Это не «пауза»: клетка готовится к разделению и создаёт копию наследственного материала. Без такой подготовки дочерние клетки могли бы получить неполную информацию.

Митоз — деление ядра, при котором наследственный материал распределяется между двумя дочерними ядрами. В ходе этого процесса копии хромосом расходятся в разные стороны. Митоз нужен, чтобы новые клетки получали полный и обычно одинаковый набор хромосом.

Мейоз — особый тип деления, при котором число хромосом уменьшается вдвое и образуются клетки с гаплоидным набором. Гаплоидный набор содержит по одной хромосоме из каждой пары, его обозначают n; двойной набор называют диплоидным и обозначают 2n. Такое уменьшение необходимо, чтобы при слиянии половых клеток восстанавливался обычный для вида набор.

Как это устроено

Перед митозом клетка проходит интерфазу и удваивает ДНК. Тогда у каждой хромосомы появляются две одинаковые копии — сестринские хроматиды, соединённые центромерой. Копирование нужно, чтобы при последующем разделении каждая будущая клетка получила свою копию наследственной информации. При этом число хромосом считают по центромерам, поэтому сразу после удвоения ДНК оно не удваивается.

В начале митоза хромосомы уплотняются и становятся заметными. Затем они выстраиваются в середине клетки, а специальные структуры прикрепляются к их центромерам. Такое расположение помогает распределить копии точно и поровну. Когда клетка готова, связи между сестринскими хроматидами разделяются, и хроматиды расходятся к противоположным полюсам.

После расхождения хромосом вокруг каждого набора формируется новое ядро. Это завершает митоз — разделение ядра, но сама клетка ещё может оставаться общей. Затем обычно разделяется цитоплазма: образуются две отдельные дочерние клетки. Каждая получает ядро и полный набор хромосом, поэтому её наследственная информация, как правило, совпадает с информацией другой дочерней клетки.

Митоз обеспечивает рост многоклеточного организма: число клеток увеличивается, а ткани могут развиваться. Он также заменяет клетки, которые износились или погибли, и участвует в бесполом размножении. Сохранение числа хромосом важно, потому что при каждом таком делении дочерние клетки получают набор, равный набору исходной клетки. Так наследственный материал поддерживается в постоянном виде от поколения клеток к поколению.

Мейоз отличается от митоза тем, что после одного удвоения ДНК клетка проходит два последовательных деления. В результате число хромосом становится вдвое меньше, чем было в исходной клетке. Такое деление приводит к образованию клеток с гаплоидным набором, например половых клеток. Если бы в них сохранялся двойной набор, то после слияния двух клеток число хромосом увеличивалось бы в каждом поколении.

Основные этапы митоза и происходящие в них события

Чтобы определить фазу по описанию, сначала найдите главное событие: выстраивание хромосом указывает на метафазу, расхождение хроматид — на анафазу. Образование новых ядер происходит в телофазе, а разделение цитоплазмы завершает процесс. Состояние хромосом помогает проверить, не перепутаны ли соседние этапы.

Разбор задач

Задача: в клетке перед митозом 12 хромосом. Сколько хромосом будет в каждом дочернем ядре после митоза? В условии указано число до деления, но не требуется вычислять число молекул ДНК. Нужно проследить, что происходит с хромосомами при митозе. При этом важно не принять две хроматиды одной хромосомы за две отдельные хромосомы до разделения центромеры.

1. Перед митозом клетка удваивает ДНК, и каждая из 12 хромосом становится двухроматидной. Число хромосом при этом считают по центромерам, поэтому оно остаётся равным 12.
2. Во время митоза сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к разным полюсам клетки. Каждый будущий набор получает по одной копии каждой хромосомы.
3. После образования ядер в каждом из них оказывается столько же хромосом, сколько было в исходной клетке. Значит, число хромосом сохраняется.

Ответ: в каждом дочернем ядре будет 12 хромосом. Проверка: если бы каждому ядру досталось меньше, чем исходной клетке, митоз уменьшал бы набор, но это характерно не для него, а для мейоза. Здесь произошло равное распределение копий.

Задача: расположите события по порядку — расхождение хроматид, выстраивание хромосом в экваториальной плоскости, образование двух ядер. Для решения нужно соотнести каждое событие с фазой митоза. Затем фазы располагают в обычной последовательности. Это позволяет не угадывать ответ по словам, а опираться на ход процесса.

1. Выстраивание хромосом в экваториальной плоскости происходит в метафазе. Это подготовительный этап перед разделением копий.
2. Расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам происходит в анафазе. Оно возможно после того, как хромосомы заняли правильное положение.
3. Образование двух ядер происходит в телофазе, когда наборы хромосом уже оказались у полюсов. Поэтому после анафазы следует телофаза.

Ответ: выстраивание хромосом в экваториальной плоскости, расхождение хроматид, образование двух ядер. Для самопроверки назовите фазы: метафаза, анафаза, телофаза. Порядок совпадает с последовательностью митоза.

Задача: в исходной клетке 2n = 16. Определите число хромосом в клетках, образовавшихся после митоза и после мейоза. Здесь 2n — диплоидный набор, то есть полный двойной набор клетки. Сначала нужно понять, сохраняет ли каждый вид деления число хромосом или меняет его. Затем применить это правило к числу 16.

1. При митозе число хромосом сохраняется. Поэтому каждая дочерняя клетка получает 16 хромосом.
2. При мейозе число хромосом уменьшается вдвое. Половина от 16 равна 8.
3. Проверяем обозначения: исходное число 2n = 16, значит, гаплоидный набор n = 8. Результат согласуется с правилом мейоза.

Ответ: после митоза — 16 хромосом в каждой дочерней клетке, после мейоза — 8. Не следует делить на два результат митоза: уменьшение набора связано именно с мейозом. В задаче важно также уточнять, идёт ли речь о клетках после деления, а не о количестве ДНК до расхождения хроматид.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что удвоение ДНК сразу удваивает число хромосом. Её допускают, потому что в каждой хромосоме после копирования действительно становится две хроматиды. Проверьте себя: число хромосом считают по центромерам, а до разделения центромеры оно не меняется.

• Ошибка — путать хромосому с её хроматидами и считать увеличение наследственного материала увеличением числа хромосом. Причина — хромосома после удвоения выглядит как две соединённые части. Для проверки уточните, разделились ли центромеры: если нет, перед вами одна хромосома из двух хроматид.

• Ошибка — называть митозом и деление ядра, и разделение всей клетки. Так происходит, когда два последовательных события воспринимают как одно. Проверьте термин: митоз — деление ядра, а цитокинез — разделение цитоплазмы и образование отдельных клеток.

• Ошибка — полагать, что при митозе число хромосом уменьшается вдвое. Такое впечатление может возникнуть из-за того, что хроматиды расходятся к разным полюсам. Сравните наборы до и после процесса: митоз сохраняет число хромосом, а уменьшение вдвое происходит при мейозе.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в делении клеток, нужно знать строение клетки и ядра, понимать, как устроены хромосомы и ДНК. Также понадобятся понятия диплоидного набора 2n и гаплоидного набора n: первое обозначает двойной набор хромосом, второе — одинарный. Эти знания помогают объяснить, почему митоз сохраняет число хромосом, а мейоз уменьшает его вдвое. С делением клеток связаны рост и восстановление тканей, бесполое размножение и образование половых клеток.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• Перед митозом ДНК удваивается.
• При митозе хромосомы проходят последовательные фазы и распределяются между ядрами.
• После митоза обычно образуются две генетически сходные клетки.
• При митозе число хромосом сохраняется.
• При мейозе число хромосом уменьшается вдвое.