В чем заключается сущность мейоза? Краткое описание фаз
Всем известно, что при половом способе размножения новый организм возникает в результате слияния двух гамет (половых клеток). Гаметогенез, или образование генеративных клеток, и происходит при помощи специфического деления, которое называется мейозом. В чем заключается сущность этого процесса, каковы его этапы, расскажем в данной статье.
Немного общих знаний
Для большинства разнополых организмов на нашей планете характерно размножение половым путем. При этом гаметы имеют половинный хромосомный набор, который называется гаплоидным (n). В результате слияния гамет образуется зигота, у которой восстанавливается диплоидность, и набор хромосом обозначается 2n, в чем и заключается сущность мейоза (кратко).
К примеру, у дрозофилы (плодовой мушки) всего 4 хромосомы – это диплоидный набор. Гаметы же у нее в ядре имеют только 2 хромосомы. У человека в каждой клетке в ядре имеется 46 хромосом, а в гаметах (яйцеклетке и сперматозоиде) – по 23.
Но восстановление диплоидности при половом размножении - лишь малая часть того, в чем заключается сущность мейоза.
Хромосомы и хроматиды
Для понимания последующего материала важно понимать различие между этими двумя понятиями.
Хромосомами (используется обозначение n) называются носители генетического материала, а попросту это молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), многократно спирализированные и находящиеся в ядре клеток эукариотических (имеющих ядро с мембранной оболочкой) организмов. В том виде, в котором мы привыкли их видеть в учебниках и справочниках (на фото выше показаны хромосомы человека), они становятся заметны только в период интерфазы, перед делением клетки, когда они уже удвоились.
А вот хроматиды (обозначаются с) – это как раз и есть структурная часть хромосомы, которая уже прошла процесс репликации (удвоения) в интерфазе перед делением клетки. Хроматида – это одна из двух копий ДНК, которые соединены в этот момент специальной перетяжкой (центромерой).
Пока две хроматиды связаны центромерой, их называют сестринскими. И только в ходе полового деления клеток (мейоза) они разделяются и представляют собой самостоятельные единицы наследственного материала, а если между ними произошел кроссинговер (о чем позже) то они претерпели изменения в последовательности генов.
Все хромосомы - разные по форме и размеру в пределах одной гомологичной (одинаковые) пары. Весь набор хромосом в клетках одного вида называется кариотипом. Так, у человека кариотип – 46 хромосом, из которых 22 пары – гомологичные или аутосомы, а 23 пара – половые хромосомы (Х и Y). В гаметах человека (сперматозоиде и яйцеклетке) находится половинный (гаплоидный) набор хромосом – 23 аутосомы и 1 половая хромосома (Х или Y).
Как раз мейоз и обеспечивает такой набор в гаметах.
Особенное деление клеток
Специфическое деление с образованием половых клеток – мейоз (от греческого слова μείωσις, что означает уменьшение) – это совокупность двух последовательных делений клетки, в результате которых ядро делится дважды, а хромосомы только раз. Благодаря этому и происходит уменьшение (редукция) хромосомного набора в гаметах в два раза, что при их слиянии восстанавливает диплоидность зиготы. Это и есть его биологическое значение.
Мейоз (его фазы) у всех живых организмов происходит по одинаковой схеме:
- Первое деление (редукционное), после которого количество хромосом уменьшается вдвое.
- Второе деление (эквационное), происходит по типу простого деления (митоза). Его еще называют выравнивающим.
Первое мейотичное деление
В период подготовки клетки к делению (интерфазы) в ядре происходит удвоение количества хромосом (их становится 4 n), что характерно для клеток, которые делятся простым делением (митоз). В клетках предшественницах гамет (у человека – сперматоцитов и ооцитов) в интерфазе такого удвоения не происходит, и к мейозу клетка приступает с набором хромосом 2n и проходит следующие этапы:
- Профаза I. На этом этапе хромосомы уплотняются и сближаются. Происходит коньюгация (слипание) гомологичных хромосом (одной пары), во время которого происходит кроссинговер. Этот процесс характерен только для мейоза (в чем заключается сущность, расскажем ниже). Затем хромосомы разъединяются, оболочка ядра клетки разрушается, и начинает формироваться веретено деления.
- Метафаза I. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом, а сами они располагаются вдоль экватора деления друг напротив друга, а не вдоль одной линии (как при митозе).
- Анафаза I. Нити веретена деления растягивают хромосомы к полюсам. Кратко значение и сущность мейоза заключена в этой фазе деления – у полюсов оказываются хромосомы в количестве n.
- Телофаза I. На данном этапе образуются ядерные оболочки. У животных и некоторых растений далее происходит деление цитоплазмы и образуется две дочерние клетки.
Образовавшиеся клетки вступают в интерфазу, которая либо очень короткая, либо вообще отсутствует.
Второе мейотическое деление
Мейоз II имеет те же фазы:
- Профаза II. Хромосомы уплотняются, ядерные оболочки исчезают, начинает появляться веретено деления (фото вверху).
- В период метафазы II продолжается формирование веретена, а хромосомы располагаются по экватору деления.
- Анафаза II. Хромосомы растягиваются к полюсам клетки (фото внизу).
- Телофаза II. Формируются ядерные оболочки, происходит разделение цитоплазмы между двумя клетками.
При этом делении количество хромосом не изменяется, но каждая из них состоит только их одной хроматиды (структурной единицы). Вот в чем заключается сущность мейоза II. Образуются клетки с гаплоидным набором хромосом в каждой (n).
Биологическое значение мейоза
В чем заключается оно, уже стало понятно:
- Мейоз – совершенный механизм, который обеспечивает постоянство кариотипа (количества хромосом) вида, которому присуще размножение половым путем.
- Благодаря двум последовательным делениям мейоза число хромосом в гаметах становится гаплоидным и становится логичным восстановление диплоидности при их слиянии (оплодотворении) с образованием зиготы с исходным диплоидным кариотипом.
- Именно мейоз обеспечивает такое свойство организмов, как изменчивость. В профазе I – благодаря кроссинговеру, а в анафазе I – благодаря тому, что гомологичные хромосомы с различными генами могут оказаться в разных гаметах.
Что такое кроссинговер
Вернемся к профазе I мейоза. Именно в этот момент, когда гомологичные хромосомы сблизились и почти слиплись, может произойти обмен между ними любым участком. Именно этот обмен и называется кроссинговером, что в буквальном переводе с английского (crossing over) обозначает пересечение или перекрест.
Проще говоря, один участок хромосомы может поменяться местами с таким же участком другой хромосомы из одной пары. Этот механизм обеспечивает рекомбинативную генетическую изменчивость организмов. Перетасовка генов приводит к увеличению биоразнообразия внутри одного вида.
Жизненный цикл и мейоз
В зависимости от того, на какой стадии жизненного цикла происходит мейоз, в биологии выделяют три его типа:
- Начальный (зиготный) происходит сразу же после оплодотворения в зиготе. Такой тип мейоза характерен для организмов с преобладанием в жизненном цикле гаплоидной фазы. Это грибы (аскомицеты и базидомицеты), некоторые водоросли (хламидомонада), простейшие (споровики).
- Промежуточный (споровый) мейоз происходит при образовании спор у организмов с равномерным чередованием диплоидной и гаплоидной формы. Это высшие споровые (мхи, плауны, хвощи, папоротники), голосеменные и покрытосеменные растения. Среди животных данный тип мейоза характерен для морских простейших фораминифер.
- Конечный (гаметный) мейоз присущ всем многоклеточным животным, морской водоросли фукусу и некоторым простейшим (инфузории). У данных организмов в жизненном цикле преобладает диплоидная фаза, и только гаметы имеют гаплоидный набор хромосом.
Подведем итог
Школьники знакомятся с тем, в чем заключается сущность мейоза, в 6 классе при изучении простейших, водорослей, и переходя к изучению биологии растений. Это ключевое понятие общей биологии и механизмов образования половых клеток (гамет) позволяет понять общность всего живого на нашей планете, разобраться в различных жизненных циклах растений и животных.
Кроме того, именно мейозу мы должны быть благодарны за внутривидовое разнообразие биологического вида Homo sapiens. На протяжении изучения биологии в последующих классах школьники продолжают изучение фаз полового деления, а при знакомстве с генетикой - и законов наследственности и изменчивости.
Изучение механизмов различного деления клеток позволяет понять уникальность и целесообразность законов природы, которые сформировались на протяжении миллиардов лет эволюции на одной-единственной планете Солнечной системы. И нам повезло родиться именно на ней.