Мейоз по шагам: пары хромосом, кроссинговер и два деления
Чтобы объяснить результат мейоза, нужно проследить не только число клеток, но и то, что расходится в первом и втором делениях. Покажем на условной клетке с двумя парами хромосом, откуда берутся новые сочетания аллелей и почему место мейоза в жизненном цикле не всегда одинаково.
Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс
Размножение и развитие организмов
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Гомологичные хромосомы и сестринские хроматиды
- Подготовительное удвоение ДНК
- Профаза, метафаза, анафаза и телофаза I
- Синапсис и кроссинговер
- Редукционное деление
- Профаза, метафаза, анафаза и телофаза II
- Эквационное деление
- Независимое расхождение пар
- Биологический смысл мейоза и полового процесса
- Разное место мейоза в циклах животных, растений и грибов
Как это устроено
Перед мейозом ДНК реплицируется, но плоидность не меняется: каждая из двух гомологичных хромосом просто становится двуххроматидной. В профазе I гомологи сближаются, формируют пары, может происходить кроссинговер между несестринскими хроматидами. В метафазе I пары располагаются относительно полюсов, а в анафазе I расходятся целые гомологи. Путать гомологи с двумя хроматидами одной хромосомы — главная причина ошибочного подсчёта наборов.
После первого деления в ядре оказывается по одному гомологу каждой пары, поэтому число наборов уменьшается. Между первым и вторым делениями новой репликации ДНК обычно нет. Во втором делении разделяются сестринские хроматиды; в учебной модели из одной исходной клетки получаются четыре гаплоидных ядерных продукта. В оогенезе животных клетки после делений не обязательно равны по размеру и судьбе, а жизненные циклы разных организмов могут включать дополнительные стадии.
Новые сочетания возникают несколькими путями: кроссинговер меняет сочетания участков внутри гомологичной пары, а независимая ориентация разных пар меняет сочетания целых гомологов. Слияние гамет добавляет ещё один уровень комбинирования. Эти механизмы не создают новые аллели из ничего: источник новых вариантов последовательности — изменения ДНК; рекомбинация переставляет уже имеющиеся варианты. Не всякий кроссинговер меняет наблюдаемый признак.
У животных мейоз обычно включён в образование гамет. У наземных растений диплоидный спорофит мейозом образует споры, а гаметы формируются затем на гаплоидном гаметофите иным делением клеток. У некоторых грибов и других эукариот мейоз следует после образования зиготы. Поэтому утверждение «мейоз всегда непосредственно создаёт гаметы» подходит не каждому жизненному циклу. В каждом случае обозначьте, какая стадия диплоидна, какая гаплоидна и где происходит оплодотворение.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Мейоз
Особый клеточный процесс с одним предшествующим удвоением ДНК и обычно двумя последовательными делениями ядра, уменьшающий число наборов хромосом и создающий их новые сочетания.
Пример: В линии образования гамет человека мейоз уменьшает число наборов с двух до одного.
- Гомологичные хромосомы
Хромосомы одной пары у диплоидного организма, сходные по набору расположенных генов, но способные нести разные варианты этих генов.
Пример: Одна хромосома пары может иметь вариант A, другая — a в соответствующем участке.
- Сестринские хроматиды
Две копии одной реплицированной хромосомы, соединённые до разделения; после кроссинговера они могут уже не быть полностью одинаковыми.
Пример: Перед первым делением каждая хромосома показана двумя хроматидами.
- Плоидность
Число полных наборов хромосом в клетке; обозначения n и 2n описывают наборы, а не число хроматид.
Пример: После репликации диплоидная клетка остаётся 2n, хотя количество ДНК увеличилось.
- Синапсис
Сближение и спаривание гомологичных хромосом в профазе I мейоза при участии специализированных белковых структур.
Пример: Два гомолога образуют пару перед их последующим разделением.
- Кроссинговер
Обмен соответствующими участками ДНК между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом в ходе мейотической рекомбинации.
Пример: После обмена хроматида может нести сочетание участков, не совпадающее целиком ни с одним исходным гомологом.
- Мейоз I
Первое деление мейоза, в котором гомологичные хромосомы пары расходятся в разные дочерние ядра.
Пример: Если исходная клетка имела два набора, после правильного расхождения каждый будущий ядерный продукт имеет один набор реплицированных хромосом.
- Редукционное деление
Деление, уменьшающее число полных наборов хромосом, как это обычно происходит в мейозе I.
Пример: При расхождении гомологов состояние 2n сменяется n, хотя хроматиды ещё не разделены.
- Мейоз II
Второе деление мейоза без нового удвоения ДНК между делениями, при котором разделяются сестринские хроматиды.
Пример: В каждой клетке после мейоза I расходятся хроматиды оставшихся хромосом.
- Независимое распределение хромосом
Для разных пар гомологов ориентация и последующее расхождение при мейозе I могут комбинироваться независимо, если это разные пары.
Пример: При двух условных парах возможны разные сочетания материнских и отцовских гомологов в продуктах мейоза.
- Гаплоидная клетка
Клетка с одним полным набором хромосом относительно данного жизненного цикла; она не обязательно является гаметой.
Пример: Спора папоротника гаплоидна и прорастает в гаметофит, но не является яйцеклеткой.
- Ошибка расхождения
Нарушение разделения хромосом или хроматид, способное изменить их число в дочерних клетках.
Пример: Если гомологи одной пары не разошлись в первом делении, полученные клетки могут иметь разное число хромосом.
Пример по шагам
У условного организма 2n = 4. Сколько хромосом и наборов у клетки сразу после удвоения ДНК, а затем у каждого правильного продукта после мейоза I и мейоза II?
- После репликации остаются четыре хромосомы, каждая из двух хроматид: 2n = 4, количество ДНК удвоено.
- После мейоза I в каждом ядре две хромосомы, ещё двуххроматидные: n = 2.
- После мейоза II в каждом ядре две хромосомы, теперь однохроматидные: n = 2.
Вывод: Число хромосом и число хроматид — разные величины; набор уменьшается в первом делении.
Практическая работа
Бумажная модель мейоза и места в цикле
- Сложите из карточек две пары двуххроматидных хромосом; отметьте материнское и отцовское происхождение и один обмен участками.
- Смоделируйте сначала расхождение гомологов, затем без нового копирования — разделение хроматид.
- Разместите полученные n-клетки отдельно на схемах жизненного цикла животного и папоротника, поясняя, где гамета, а где спора.
Что можно заключить: Один механизм сокращает число наборов, но его продукты имеют разное название и судьбу в разных циклах.
Безопасность: Работа проводится только с карточками и готовыми изображениями; не требуется биологический материал человека или животных.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.