ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ УРОКА
Обыватель: Известно, что даже одна лишняя хромосома приводит к тяжёлым отклонениям в развитии. Какие механизмы обеспечивают в огромном большинстве случаев рождение нормальных, полноценных детей?
• В чём противоречие? На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.
НЕОБХОДИМЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ
• Различаются ли хромосомные наборы в клетках одного и того же организма? (9 класс)
• Каковы функции ядра? (§11-12)
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Клетка - единица строения
• Для чего необходимо деление клеток?
Когда-то Рудольф Вирхов пришёл к выводу, что все клетки появляются путём деления родительских клеток. Клетки не могут «позволить себе» значительное увеличение размеров, так как основной энергетически выгодный способ доставки веществ — диффузия — будет занимать слишком много времени, и скорость обмена веществ будет снижаться. Поэтому все процессы в организме, которые связаны с развитием, увеличением размеров органов или их «починкой», обеспечиваются увеличением числа клеток. Благодаря делению обновляются клетки различных органов, заживают раны, организм растёт и изменяется. В организме взрослого человека каждую секунду должно появляться несколько миллионов новых клеток. Огромное количество последовательных клеточных делений приводит к развитию сложного многоклеточного организма из единственной клетки — зиготы. При этом основную массу органелл и молекул, присутствующих в клетке, можно поделить без особой точности, примерно пополам.
Жизненный ЦИКЛ клетки
• Как распределяются функции клетки по стадиям её жизни?
Жизненный цикл клетки начинается в момент её возникновения из материнской и заканчивается делением на дочерние клетки. В период от деления до деления клетка должна сформировать органеллы и синтезировать вещества в таком количестве, чтобы дочерние клетки получили всё необходимое для выживания и репродукции. Последовательность процессов, происходящих в клетке с момента её возникновения в процессе деления и до следующего деления, называется клеточным циклом. В нём различают несколько этапов, в течение которых состояние клетки сильно меняется (рис. 16.1).
16.1. Клеточный цикл состоит из продолжительной интерфазы и сравнительно краткого периода деления клетки
Период клеточного цикла от возникновения клетки и до начала следующего деления называется интерфазой.
При наблюдении за клеткой в интерфазе под световым микроскопом кажется, что ничего не происходит, кроме увеличения её в размерах. Однако исследования показали, что в клетке происходит множество событий, подготавливающих её к делению.
Интерфазу делят на три периода.
В начальный период клетка растёт, её органеллы обновляются и увеличиваются в числе, активно идут реакции обмена веществ, разворачивается синтез белков. Для осуществления этих процессов необходима информация, закодированная в ДНК. Она частично распаковывается, поэтому в этот период хромосомы практически неразличимы в световом микроскопе: они представляют собой клубок тонких, длинных нитей.
Некоторые сильно специализированные клетки, например эритроциты или нейроны, выполняют все свои функции в течение первого периода интерфазы, а затем погибают. В клетках, способных к делению, в период интерфазы постепенно накапливаются необходимые вещества и энергия (в виде АТФ), после чего они переходят в следующий период интерфазы. ДНК реплицируется (удваивается), и каждая хромосома теперь содержит не одну, а две абсолютно одинаковые молекулы ДНК в комплексе с белками - сестринские хроматиды, соединённые перетяжкой-центромерой. Именно такие хромосомы в конденсированном виде имеют Х-образную форму. При этом хромосом не становится больше, их набор остаётся диплоидным — 2n. У человека, например, 2n = 46, или 23 пары гомологичных хромосом.
Последний, относительно короткий промежуток интерфазы посвящается подготовке к делению. Вырабатываются белки, из которых формируется двигательный аппарат деления ядра, запасается энергия, клетка контролирует точность прошедшей репликации ДНК и исправляет обнаруженные сбои.
Длительность интерфазы бывает различной в зависимости от ткани, стадии развития, вида организма. В эмбрионах она может длиться меньше часа, есть клетки, которые навсегда остаются в этой стадии. От продолжительности интерфазы зависит частота последовательных делений в ряду клеточных поколений.
Митоз
• Как происходит равноценное деление клеток?
Способ деления, при котором каждая из дочерних клеток получает точную копию генетического материала родительской клетки, называется митозом. При митозе получаются две одинаковые клетки с полным набором хромосом, идентичным набору родительской клетки. Митоз лежит в основе роста, регенерации и вегетативного размножения всех эукариот. Благодаря митозу поддерживается постоянство и равноценность генетического материала в поколениях клеток.
16.2. Митоз
• Рассмотрите схему митоза. Какие изменения в ядре происходят в профазе?
Этот сложный и многоступенчатый процесс включает ряд последовательных фаз, в результате которых сначала разделяется ядро, а затем происходит деление цитоплазмы.
Деление клеток всех эукариот связано с образованием специального аппарата клеточного деления. Разделение хромосом осуществляется с помощью так называемого веретена деления, состоящего из микротрубочек, а у животных имеет также центриоли. Деление цитоплазмы происходит тоже с участием цитоскелета. У клеток животного происхождения образуется перетяжка, а клетки растений разделяются клеточной перегородкой.
Митоз не всегда заканчивается разделением тела клетки. Иногда, например в эндосперме некоторых растений, многократное митотическое деление ядер не сопровождается делением цитоплазмы. Это приводит к образованию гигантской многоядерной клетки — симпласта.
Два типа деления клеток
• Почему равноценное деление не всегда отвечает задачам организма?
Напомним, что половое размножение — это процесс образования нового организма в результате слияния половых клеток — гамет. В клетках всех живых организмов, у которых существует половое размножение, деление осуществляется двумя различными способами. Развитие многоклеточного организма начинается с одной-единственной клетки — зиготы, несущей двойной набор хромосом (2n), и включает многие тысячи митотических делений. Каждому клеточному делению предшествует удвоение числа хромосом. Если бы этого не было, число хромосом в клетках постоянно бы уменьшалось, с каждым делением терялась бы часть наследственной программы, клетки потеряли бы возможность правильно выполнять свои функции. Этого не происходит благодаря удвоению хромосом перед каждым митозом.
Однако зигота образуется в результате слияния мужской и женской половых клеток. Если бы половые клетки появлялись в результате митотического деления, то они содержали бы по два набора хромосом, и зигота содержала бы уже четыре набора. При скрещивании организмов, развившихся из таких зигот, появлялись бы потомки, содержащие восемь наборов хромосом, т.е. в каждом поколении число хромосом увеличивалось бы вдвое. Поэтому необходим такой тип деления, при котором число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое. Этот тип деления называется мейозом, или редукционным делением.
Из вышесказанного следует, что при половом размножении в многоклеточном организме должно быть два типа клеток: одни с одинарным набором хромосом (1n), другие — с двойным (2n). Так и есть, все клетки организма, кроме половых, содержат двойной набор хромосом. Они называются соматическими клетками. Половые клетки содержат одинарный набор хромосом. Соматические клетки способны к делению, они воспроизводятся, и, кроме того, из них образуются половые клетки. Половые клетки не делятся, но при оплодотворении они сливаются, и наборы их хромосом объединяются в зиготе, дающей начало многоклеточному организму.
Мейоз - способ образования гамет
• Как наследственный материал распределяется по гаметам?
Благодаря мейозу в клетках организмов от поколения к поколению поддерживается постоянное число хромосом. Кроме того, в мейозе в результате кроссинговера происходит перераспределение генов, увеличивающее разнообразие их комбинаций в гаметах.
Мейоз — способ деления диплоидных клеток (2n), в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом до гаплоидного (In). Мейоз состоит из двух последовательных делений (мейоз-I и мейоз-II), но удвоение ДНК происходит только один раз, в интерфазе перед первым делением. Подобно митозу, каждое деление мейоза состоит из четырёх основных стадий - профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
В интерфазе перед началом мейоза, как и при митозе, каждая пара гомологичных хромосом (включающая одну отцовскую и одну материнскую) удваивается, превращаясь в две пары сестринских хроматид. Затем начинается длительная профаза мейоза-I, в которой происходят все события, отличающие мейоз от митоза. Гомологичные пары хромосом конъюгируют: сближаются и переплетаются. В результате образуется гаплоидное число «склеенных» гомологичных хромосом — бивалентов (из четырёх хроматид). Между материнской и отцовской парами хроматид происходит обмен участками — кроссинговер.
В метафазе биваленты выстраиваются в плоскости экватора, а нити веретена разделяют гаплоидное число бивалентов на два гаплоидных набора целых хромосом. Они расходятся к полюсам клетки, причём хромосомы с наследственным материалом отца и матери образуют у каждого полюса случайную комбинацию.
Таким образом, если материнская клетка имела каждую хромосому в двух экземплярах от обоих родителей, то дочерние лишь в одном экземпляре, от одного из них, в случайной комбинации. Исключение составляют хромосомы, обменявшиеся участками хроматид во время кроссинговера: в них гомологичные хроматиды содержат гены разных родителей.
Второе деление происходит сразу вслед за первым, так что генетический материал больше не удваивается. Гаплоидное число хромосом просто расщепляется на хроматиды, которые расходятся и образуют два гаплоидных набора хромосом. Таким образом, в результате двух делений мейоза из обычной диплоидной клетки получается четыре галлоидные дочерние клетки. Каждая клетка имеет теперь гены всех признаков лишь в одном экземпляре. Одни из них получены в составе отцовской хромосомы, другие — в составе материнской, а третьи — в составе хромосом с заменёнными участками.
16.3. Мейоз
• Рассмотрите схему мейоза. В чём сходство и в чём различия митоза и мейоза?
Сравнение митоза и мейоза
|
Митоз |
Мейоз |
|
Характерен для одноклеточных эукариот и соматических клеток многоклеточных организмов |
Характерен для клеток эукариот, из которых образуются гаметы животных и споры растений |
|
Наблюдается на протяжении всей жизни организма |
Наблюдается при созревании гамет или образовании спор |
|
Включает в себя одно деление |
Включает в себя два деления |
|
Из одной клетки образуется две |
Из одной клетки образуется четыре |
|
Дочерние клетки не отличаются от исходной по числу хромосом и наследственной информации |
Дочерние клетки содержат вдвое меньше хромосом, информация в них отличается от исходной |
|
Необходим для роста организма, восстановления повреждённых частей, бесполого размножения |
Необходим для сохранения числа хромосом у потомков и комбинирования наследственной информации |
ОБОБЩЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ
Клеточный цикл включает фазу обычной жизнедеятельности клетки и фазы её деления. Митоз - равноценное деление соматических клеток - обеспечивает воспроизведение двух дочерних клеток, идентичных родительской. Мейоз - редукционное деление - используется при образовании гамет. При этом из диплоидной клетки образуется четыре гаплоидные гаметы с полным набором генов в случайном сочетании хромосом отца, матери и хромосом с участками от обоих родителей, обменёнными в результате кроссинговера.
Митоз. Мейоз
ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
1.• Как соотносятся клеточный цикл и клеточное деление?
2.• Какие процессы характерны для клетки в первом периоде интерфазы?
3.• В какой фазе клеточного цикла происходит репликация ДНК?
4. • На какой фазе деления хромосомы видны в световой микроскоп?
5.• Каковы хромосомные наборы соматических и половых клеток человека?
6. • Назовите основные отличия мейоза от митоза.
7. • К каким последствиям приводит конъюгация хромосом?
8. • Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации генов?
9. • Передаются ли мутации ДНК соматических клеток по наследству при половом размножении?
• • МОИ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рассмотрение фаз митоза на готовом микропрепарате
Рассмотрите под микроскопом готовые препараты корешка лука. Найдите и зарисуйте клетки, находящиеся на разных стадиях митоза.
При наличии цифрового микроскопа сделайте снимки. Создайте презентацию в PowerPoint, на которой отразите свои наблюдения.