§ 26. Рост и деление клеток

Определения и обозначения

Рост клетки — увеличение её размеров и массы за счёт синтеза веществ и увеличения числа органоидов. Клетка получает вещества из окружающей среды и использует их для построения своих структур. Рост нужен, чтобы клетка могла выполнять работу и подготовиться к делению, но он ограничен: обмен веществ через поверхность не успевает за ростом объёма.

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования после деления до следующего деления или завершения жизнедеятельности. Он показывает, какие изменения клетка проходит за время своего существования. Знание цикла помогает различать подготовку к делению и само деление.

Митоз — способ деления ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Его результатом становятся ядра с соответствующими наборами наследственной информации. Митоз нужен для роста организма и обновления клеток, а также для сохранения генетической преемственности.

Цитокинез — разделение цитоплазмы, завершающее образование двух дочерних клеток. После разделения ядра он отделяет одну часть клетки от другой. Без цитокинеза возникли бы два ядра в общей цитоплазме, а не две самостоятельные клетки.

Как это устроено

Клетка растёт, поглощая воду и растворённые вещества, а также производя собственные молекулы из полученного сырья. Из этих молекул строятся мембраны и другие клеточные структуры, увеличивается число органоидов. Однако обмен с окружающей средой идёт через поверхность клетки, а потребность в веществах зависит от её объёма. При увеличении размеров объём растёт быстрее площади поверхности, поэтому на единицу объёма приходится всё меньше поверхности для поступления веществ и удаления продуктов обмена.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и этапа деления. Интерфаза — период между делениями, когда клетка обычно занимает основную часть цикла: она растёт, выполняет свои функции и создаёт необходимые для дальнейшей работы вещества. В ходе этой подготовки клетка проверяет и поддерживает свою жизнедеятельность, а затем проходит процессы, нужные для деления. Такой порядок важен, потому что разделение неподготовленной клетки могло бы нарушить её работу и передачу наследственного материала.

До митоза, в интерфазе, происходит удвоение ДНК. Каждая хромосома после этого состоит из двух одинаковых сестринских хроматид, соединённых между собой; хроматида содержит одну молекулу ДНК. Пока хроматиды соединены, они считаются частями одной хромосомы, поэтому число хромосом не удваивается. Копирование необходимо, чтобы при последующем разделении каждая дочерняя клетка получила свой экземпляр наследственной информации.

Митоз проходит упорядоченно. Сначала хромосомы становятся хорошо различимыми, ядерная оболочка исчезает, а к хромосомам прикрепляются нити, которые обеспечивают их перемещение. Затем хромосомы выстраиваются в средней части клетки, после чего сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам. В конце вокруг двух групп хромосом формируются дочерние ядра; именно это разделение ядра и называется митозом.

После митоза обычно следует цитокинез. Цитоплазма разделяется, и каждая её часть оказывается связана с одним из дочерних ядер; у животных клеток мембрана перетягивается, а у растительных между будущими клетками формируется перегородка. Поскольку ДНК предварительно удвоилась, а копии хромосом разошлись в разные ядра, наследственный набор дочерних клеток соответствует набору исходной клетки. Так клеточное деление завершает передачу генетической информации и образует две клетки.

Этапы клеточного цикла и их результаты

Таблица помогает проследить порядок событий: сначала клетка растёт, затем копирует ДНК, делит ядро и разделяет цитоплазму. Сверяйте колонку о ДНК с результатом каждого этапа: удвоение происходит до митоза, а две клетки появляются после цитокинеза.

Разбор задач

Задача 1. Клетка увеличилась в размерах, но ещё не приступила к делению. Определите, какие процессы могли обеспечить её рост. Здесь нужно назвать не этап деления, а изменения, которые увеличивают массу и размеры клетки. Учитывайте, что рост обеспечивается и поступлением сырья, и его использованием внутри клетки.

1. Клетка могла поглощать воду и растворённые вещества из окружающей среды. Это обеспечивает материал для построения клеточных структур и увеличивает содержимое клетки.
2. Внутри клетки могли синтезироваться белки, липиды и другие молекулы. Синтез означает образование собственных веществ клетки из поступившего сырья.
3. Могло увеличиться число органоидов или их размеры. Эти изменения расширяют возможности клетки и способствуют увеличению её массы.

Ответ: рост могли обеспечить поглощение веществ, синтез собственных молекул и увеличение числа или размеров органоидов. Деление для этого не требуется.

Задача 2. Перед митозом ДНК удвоилась; до удвоения в клетке было 12 молекул ДНК. Сколько молекул ДНК будет в каждой дочерней клетке после деления? Сначала проследим общее количество ДНК после копирования, затем учтём, что копии распределяются поровну. Число 12 в условии относится к одной исходной клетке до удвоения.

1. После удвоения вместо 12 молекул ДНК в клетке становится 24. Каждая исходная молекула получает копию, поэтому общее количество удваивается.
2. При митозе копии хромосом расходятся в противоположные стороны. Благодаря этому обе дочерние ядра получают одинаковую долю наследственного материала.
3. После цитокинеза 24 молекулы распределяются между двумя дочерними клетками поровну. Вычисляем: 24 ÷ 2 = 12.

Ответ: в каждой дочерней клетке будет по 12 молекул ДНК. Удвоение перед делением компенсируется равным распределением копий между двумя клетками.

Задача 3. Хромосомы уже распределились по двум ядрам, но цитоплазма ещё не разделилась. Определите, какой этап завершён и какое событие должно произойти далее. В условии отдельно названы ядра и цитоплазма, поэтому важно не смешивать деление ядра с разделением всей клетки. Установим, какое событие уже состоялось, а какое осталось.

1. Распределение хромосом по двум ядрам означает, что завершился митоз. Его результат — два дочерних ядра с распределёнными копиями наследственного материала.
2. Цитоплазма пока общая, следовательно, цитокинез ещё не произошёл. Именно он разделяет цитоплазму между будущими клетками.
3. После цитокинеза части клетки отделятся друг от друга. Тогда вместо одной клетки с двумя ядрами образуются две дочерние клетки.

Ответ: завершён митоз; далее должен произойти цитокинез.

Типичные ошибки

Считать удвоение ДНК частью митоза. Это ошибка, потому что копирование ДНК происходит раньше, во время интерфазы. Её легко допустить, если представлять подготовку и само деление как одно событие. Проверка: если речь идёт об удвоении ДНК, назовите интерфазу, а если о распределении хромосом по ядрам — митоз.

Путать митоз с делением всей клетки. Митозом называют деление ядра, тогда как цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование клеток. Термины путают, потому что оба процесса происходят рядом по времени. Проверяйте, что именно разделяется: ядро или цитоплазма.

Считать, что после удвоения ДНК число хромосом удваивается. Удваивается количество ДНК, а каждая хромосома становится двуххроматидной. Ошибка возникает, если считать хроматиды отдельными хромосомами до их расхождения. Проверьте, соединены ли сестринские хроматиды: пока соединены, они относятся к одной хромосоме.

Считать, что дочерние клетки сразу начинают новый цикл деления. После деления клетки могут продолжать работу, временно приостанавливать цикл или надолго выходить из него. Такое заблуждение появляется, если воспринимать деление как обязательное непрерывное повторение. Чтобы проверить себя, уточните: описано ли конкретное деление или только образование дочерней клетки?

Связь с другими темами

Для понимания клеточного цикла нужны знания о строении клетки, роли ядра и хромосом, а также о различиях между ДНК и хроматидой. Эти представления помогают проследить, как наследственная информация копируется и распределяется. Понимание деления пригодится при изучении размножения организмов, развития многоклеточного организма и обновления тканей. Оно также подготавливает к темам о мейозе, наследственности и нарушениях деления клеток.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• В интерфазе клетка растёт и готовится к делению.
• ДНК удваивается до начала митоза.
• Митоз обеспечивает распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование дочерних клеток.
• Рост клетки ограничен, в частности, соотношением площади поверхности и объёма.