§ 12. Половое размножение. Мейоз

Определения и обозначения

Половое размножение — образование потомства при сочетании наследственного материала двух родительских организмов. Такое сочетание создаёт новые комбинации признаков, поэтому потомки могут отличаться и от родителей, и друг от друга. Это помогает популяции быть разнообразной.

Гамета — половая клетка с гаплоидным набором хромосом, то есть с одним набором (n). У животных к гаметам относятся яйцеклетки и сперматозоиды; у растений — яйцеклетки и мужские половые клетки, например спермии у цветковых. Гаметы нужны, чтобы при слиянии их наборы объединились.

Мейоз — особый тип деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое и образуются клетки с гаплоидным набором. В отличие от обычного деления, здесь происходят два деления после одного удвоения хромосом. Мейоз обеспечивает образование клеток, необходимых для полового размножения.

Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами, то есть парными хромосомами с генами одних и тех же признаков. В результате в хромосомах возникают новые сочетания наследственного материала. Это один из источников различий между гаметами.

Как это устроено

Для полового размножения нужны гаметы с одинарным набором хромосом. При оплодотворении наборы двух гамет объединяются, и в клетке будущего организма восстанавливается двойное число — 2n. Если бы каждая гамета уже несла двойной набор, при каждом оплодотворении число хромосом увеличивалось бы вдвое.

Перед мейозом хромосомы удваиваются: каждая из них становится состоящей из двух одинаковых сестринских хроматид. Затем клетка проходит два последовательных деления. Между этими делениями нового удвоения хромосом не происходит, поэтому результатом становится уменьшение числа наборов.

В первом делении гомологичные хромосомы сближаются и образуют пары. Пока они находятся рядом, может произойти кроссинговер: участки парных хромосом обмениваются местами, поэтому появляются новые комбинации генов. Затем гомологичные хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки, и в каждой дочерней клетке остаётся по одной хромосоме из каждой пары.

Во втором делении расходятся уже сестринские хроматиды каждой хромосомы. Это похоже на разделение удвоенной хромосомы на две части, но нового удвоения перед ним нет. Обычно из одной исходной клетки в итоге образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.

Получившиеся гаметы могут нести разные варианты наследственного материала. На это влияют кроссинговер и случайное распределение гомологичных хромосом по дочерним клеткам в первом делении. Поэтому даже гаметы одного организма не обязательно одинаковы, а при оплодотворении возникают разнообразные сочетания признаков.

Сравнение митоза и мейоза

При сравнении сначала посмотрите на число делений и дочерних клеток, а затем — на изменение числа хромосом. Эти признаки помогают определить, о каком типе деления идёт речь. Биологическое значение связывает особенности процесса с его ролью в организме.

Разбор задач

Задача 1. У организма в клетках тела 2n = 16 хромосом. Сколько хромосом будет в его гаметах? Здесь дано число хромосом в диплоидной клетке, а требуется найти число в гаплоидной. Мейоз уменьшает его вдвое.

1. Обозначим набор клетки тела как 2n: по условию 2n = 16.
2. При образовании гамет набор становится n, поэтому вычисляем 16 ÷ 2 = 8.
3. Проверяем: если две гаметы сольются, 8 + 8 = 16, то есть восстановится 2n.

Ответ: в каждой гамете будет 8 хромосом. Делить число на два нужно потому, что гамета несёт один набор, а клетка тела — два.

Задача 2. Расположите события в правильном порядке: расхождение гомологичных хромосом, удвоение хромосом перед мейозом, расхождение сестринских хроматид. Нужно определить, какие события происходят до делений, в первом делении и во втором. Не следует путать два типа расхождения.

1. Сначала перед мейозом удваиваются хромосомы: каждая состоит из сестринских хроматид.
2. В первом делении расходятся гомологичные хромосомы — парные хромосомы, а не их хроматиды.
3. Во втором делении расходятся сестринские хроматиды.

Ответ: удвоение хромосом → расхождение гомологичных хромосом → расхождение сестринских хроматид. Такой порядок следует из того, что подготовка предшествует делениям, а первое деление предшествует второму.

Задача 3. Из одной исходной клетки после мейоза образовались четыре клетки с гаплоидным набором. Почему они могут различаться по наследственному материалу? Само уменьшение набора объясняет число хромосом, но не генетическое разнообразие. Для ответа нужно вспомнить события первого деления мейоза.

1. При кроссинговере гомологичные хромосомы обмениваются участками, и возникают новые сочетания генов.
2. Гомологичные хромосомы распределяются по клеткам случайно, поэтому наборы получаются разными.
3. Оба процесса влияют на то, какие варианты наследственного материала попадут в каждую из четырёх клеток.

Ответ: клетки могут различаться из-за кроссинговера и случайного распределения хромосом. Поэтому мейоз создаёт генетически разнообразные гаметы, хотя все они имеют гаплоидный набор.

Типичные ошибки

• Считать, что мейоз состоит из одного деления. Ошибка возникает, если помнить только итог — образование клеток, но не ход процесса. Проверьте себя: после удвоения хромосом должны быть названы первое и второе деления.

• Путать расхождение гомологичных хромосом в первом делении с расхождением сестринских хроматид во втором. Часто оба события называют просто «расхождением хромосом». Чтобы проверить порядок, спросите себя, разделяются ли парные хромосомы или две части одной удвоенной хромосомы.

• Считать, что хромосомы удваиваются перед каждым делением. Такое представление появляется из-за смешения подготовки к мейозу и двух его этапов. Проверьте себя: удвоение происходит только перед началом мейоза, между делениями нового удвоения нет.

• Полагать, что все образовавшиеся клетки генетически одинаковы. Их одинаковое число хромосом не означает одинакового наследственного материала. Проверьте объяснение: в нём должны быть указаны кроссинговер и случайное распределение хромосом.

Связь с другими темами

Для понимания мейоза пригодятся знания о хромосомах, ДНК и клеточном цикле, а также о митозе. Важно различать гомологичные хромосомы — парные хромосомы с генами одних признаков — и сестринские хроматиды одной удвоенной хромосомы. Мейоз связан с оплодотворением: он создаёт гаметы, а их слияние восстанавливает двойной набор. Эти процессы помогают объяснить наследование признаков, изменчивость и размножение организмов.

Что запомнить

• Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом.

• Мейоз включает два последовательных деления.

• Перед началом мейоза хромосомы удваиваются.

• В первом делении расходятся гомологичные хромосомы.

• Во втором делении расходятся сестринские хроматиды.

• Кроссинговер и распределение хромосом повышают наследственную изменчивость.

• При слиянии гамет восстанавливается диплоидный набор хромосом.