§ 37. Деление клетки. Мейоз

Определения и обозначения

Мейоз — особый тип деления клетки, при котором из одной диплоидной клетки образуются клетки с уменьшенным вдвое числом хромосом. Его результатом обычно становятся четыре гаплоидные клетки, участвующие в образовании гамет или спор. Благодаря этому при слиянии гамет число хромосом вида не удваивается в каждом поколении.

Редукционное деление — первое деление мейоза, в котором расходятся гомологичные хромосомы, а число наборов уменьшается с диплоидного до гаплоидного. Гомологичные хромосомы — парные хромосомы с генами одних и тех же признаков, полученные от разных родителей. Термин «редукционное» напоминает, что уменьшается число наборов, а не просто количество ДНК.

Конъюгация хромосом — сближение и соединение гомологичных хромосом в профазе I. Они образуют пары, поэтому участки парных хромосом могут сопоставляться друг с другом. Это сближение создаёт условия для обмена генетическим материалом.

Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. После обмена хромосомы содержат новые сочетания материнских и отцовских участков. Благодаря этому потомство может получить варианты сочетаний генов, отличные от родительских.

Как это устроено

До мейоза клетка проходит интерфазу — период между делениями, во время которого растёт и готовится к делению. В интерфазе ДНК удваивается, поэтому каждая хромосома становится двухроматидной: она состоит из двух сестринских хроматид, соединённых центромерой. Однако число хромосом не удваивается, поскольку центромера у каждой такой структуры одна. Это различие помогает верно считать хромосомы и хроматиды.

В профазе I гомологичные хромосомы находят друг друга и конъюгируют, образуя пары. Такое сближение нужно для обмена участками: при кроссинговере хроматиды гомологов обмениваются соответствующими фрагментами. В результате одна хроматида может объединить участки, прежде принадлежавшие разным родительским хромосомам. Поэтому кроссинговер увеличивает наследственную изменчивость.

В первом делении пары гомологичных хромосом располагаются в области экватора клетки. Их ориентация случайна, а затем хромосомы каждой пары расходятся к противоположным полюсам. Сестринские хроматиды при этом сохраняют связь и перемещаются вместе. В каждой дочерней клетке остаётся по одной хромосоме из каждой пары, поэтому число наборов сокращается с диплоидного до гаплоидного.

После первого деления обычно не происходит нового удвоения ДНК: клетка переходит ко второму делению, не проходя повторную репликацию. Во втором делении хромосомы снова располагаются по экватору, но теперь сестринские хроматиды отделяются друг от друга. Они расходятся к противоположным полюсам, как при митозе. Так распределяется копия каждой хромосомы между новыми клетками.

Два последовательных деления из одной исходной клетки обычно дают четыре гаплоидные клетки. Их генетический состав различается не только из-за кроссинговера, но и потому, что гомологичные хромосомы независимо распределяются по дочерним клеткам в первом делении. Случайное сочетание хромосом и обмен их участками создают множество вариантов наследственного материала. Это разнообразие важно для изменчивости организмов и эволюции.

Сравнение первого и второго делений мейоза

Сначала сравните, какие структуры разделяются: это самый надёжный способ не спутать этапы. Затем проследите число наборов: оно уменьшается только в мейозе I. Таблица также помогает увидеть, почему второе деление похоже на митоз, хотя начинается уже в гаплоидных клетках.

Разбор задач

Задача 1. У организма диплоидный набор равен 2n = 8. Определите число хромосом в клетке после первого деления мейоза. Нужно проследить именно число хромосом, а не число хроматид. В мейозе I расходятся гомологи, а не сестринские хроматиды.

1. Определяем гаплоидный набор: n = 8 ÷ 2 = 4. Он показывает число хромосом после уменьшения числа наборов вдвое.
2. После первого деления каждая клетка получает по одной хромосоме из каждой гомологичной пары. Следовательно, в каждой такой клетке 4 хромосомы.

Ответ: 4 хромосомы в каждой клетке после мейоза I. Каждая из них ещё состоит из двух сестринских хроматид.

Задача 2. В клетке с 2n = 6 перед мейозом удвоилась ДНК. Укажите число хромосом и хроматид перед первым делением и после него. Сначала отдельно находим число хромосом, затем учитываем удвоение ДНК. Это исключает ошибку, при которой хроматиды принимают за самостоятельные хромосомы.

1. Перед первым делением число хромосом равно 6: каждая имеет одну центромеру. После удвоения ДНК в каждой хромосоме две хроматиды, значит всего 6 × 2 = 12 хроматид.
2. В мейозе I расходятся гомологи, а сестринские хроматиды остаются соединёнными. После деления в каждой дочерней клетке по 3 хромосомы, каждая из двух хроматид, то есть 6 хроматид.

Ответ: перед мейозом I — 6 хромосом и 12 хроматид; после него в каждой клетке — 3 хромосомы и 6 хроматид. Число хромосом сократилось вдвое, но хроматиды разделятся только во втором делении.

Задача 3. У вида 2n = 10. Проследите число хромосом и хроматид в одной клетке после первого и второго делений мейоза и определите, сколько клеток получится из одной исходной. Считаем клетки по отдельности, поскольку после первого деления исходная клетка уже разделилась. Перед началом мейоза ДНК удваивается один раз.

1. Гаплоидный набор равен n = 10 ÷ 2 = 5. После мейоза I в каждой из двух клеток 5 хромосом, каждая состоит из двух хроматид: всего 10 хроматид в клетке.
2. В мейозе II сестринские хроматиды расходятся. После деления в каждой клетке 5 однохроматидных хромосом, то есть 5 хромосом и 5 хроматид.
3. Каждая из двух клеток мейоза I делится ещё раз. Поэтому из одной исходной клетки образуются четыре клетки.

Ответ: после мейоза I — 5 хромосом и 10 хроматид в каждой клетке; после мейоза II — 5 хромосом и 5 хроматид; всего образуются 4 клетки.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что после удвоения ДНК удваивается число хромосом. Такое заблуждение возникает, если считать хромосомы по числу хроматид. Проверка проста: найдите центромеры — у двух сестринских хроматид одной хромосомы центромера общая, значит хромосома одна.

Ошибка: путать расхождение гомологов и расхождение сестринских хроматид. Гомологи расходятся в мейозе I, а хроматиды — в мейозе II. Чтобы проверить себя, спросите, остаются ли хроматиды соединёнными после данного этапа: после первого деления — да, после второго — нет.

Ошибка: считать оба деления редукционными. Это кажется логичным, потому что делений два, но число наборов уменьшается только при расхождении гомологов в мейозе I. Во втором делении отделяются хроматиды, а набор остаётся гаплоидным; проверьте результат, сравнив число наборов до и после каждого этапа.

Ошибка: полагать, что все получившиеся клетки одинаковы. Так думают, если учитывать только деление клетки, но не обмен участками и случайное распределение гомологов. Самопроверка: назовите два источника разнообразия — кроссинговер и независимое расхождение хромосом.

Связь с другими темами

Для понимания мейоза нужны знания о строении хромосомы, диплоидном и гаплоидном наборах, клеточном цикле и митозе. Мейоз объясняет образование гамет и спор, а также связь между оплодотворением и сохранением постоянного числа хромосом вида. Кроссинговер и независимое расхождение хромосом связывают деление клетки с наследственной изменчивостью и помогают изучать генетику.

Что запомнить

• Перед мейозом ДНК удваивается один раз.
• Мейоз включает два последовательных деления.
• В профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют; возможен кроссинговер.
• В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы.
• В мейозе II расходятся сестринские хроматиды.
• Из одной исходной клетки обычно образуются четыре гаплоидные клетки.
• Мейоз создаёт генетически разнообразные клетки.