Мейоз и гаметы: уменьшение набора, кроссинговер и оплодотворение
Проследим два деления после одного копирования ДНК, происхождение разнообразия гамет и различия сперматогенеза и оогенеза без смешения мейоза с митозом.
Федеральная программа · базовый уровень · 10 класс
Размножение и индивидуальное развитие организмов
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Мейоз I и II, поведение хромосом
- Кроссинговер и независимое распределение
- Гаметогенез животных: сперматогенез и оогенез
- Строение яйцеклетки и сперматозоида
- Оплодотворение и восстановление набора
- Партеногенез
- Лабораторная работа № 4: готовые препараты половых клеток
Как это устроено
Перед мейозом ДНК копируется один раз, а клеточные разделения происходят дважды. В первом делении сближаются и затем расходятся гомологичные хромосомы, во втором — сестринские хроматиды. Так в типичном случае диплоидная исходная клетка может дать гаплоидные продукты. Нельзя утверждать, что «мейоз просто два митоза»: поведение гомологов и изменение числа наборов принципиально отличаются.
Разнообразие возникает как минимум по двум механизмам. Кроссинговер меняет сочетание участков на гомологичных хромосомах; независимое распределение разных пар даёт множество комбинаций целых хромосом. После этого случайное сочетание гамет при оплодотворении добавляет разнообразие. Но мейоз не создаёт каждый раз новый ген из ничего: новые варианты могут появляться при мутациях, а рекомбинация меняет сочетания уже существующих вариантов.
Сперматозоид и яйцеклетка специализированы по-разному. У многих животных сперматозоид подвижен и несёт сравнительно мало цитоплазмы, яйцеклетка обычно крупнее и содержит ресурсы для раннего развития. При оогенезе распределение цитоплазмы неравномерно, поэтому из одной исходной клетки не получается четыре равнозначные крупные яйцеклетки. У разных видов сроки и детали гаметогенеза различаются, а оценка здоровья отдельного человека по школьной схеме недопустима.
При оплодотворении обычно восстанавливается диплоидное число наборов у животных с таким жизненным циклом. Партеногенез показывает, что развитие яйцеклетки не всегда требует оплодотворения, но его нельзя считать «тем же самым, что клонирование» во всех видах: происхождение и разнообразие наследственного материала различаются. У растений цикл ещё сложнее и включает чередование гаплоидных и диплоидных поколений; схема животной гаметы не заменяет его.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Мейоз
Особый тип деления эукариотических клеток, в котором после одного копирования ДНК следуют два разделения хромосом, обычно уменьшающие число наборов.
Пример: У животных мейоз участвует в образовании клеток, из которых развиваются гаметы.
- Гомологичные хромосомы
Пара хромосом с соответствующими участками генов, одна обычно унаследована от одного родителя, другая — от другого.
Пример: Две гомологичные хромосомы человека могут нести разные варианты одного гена.
- Конъюгация гомологов
Сближение и упорядоченное соединение соответствующих хромосом в первом делении мейоза, создающее условия для обмена участками.
Пример: В профазе I гомологичные хромосомы сближаются, прежде чем разойтись к разным клеткам.
- Кроссинговер
Обмен соответствующими участками между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом в ходе мейоза.
Пример: После кроссинговера хроматида может содержать сочетание участков, происходящих от обеих родительских хромосом.
- Независимое распределение
Случайное по отношению к другим парам направление расхождения разных пар гомологичных хромосом в первом делении мейоза.
Пример: В разных гаметах могут оказаться различные сочетания материнских и отцовских хромосом.
- Мейоз I
Первое деление мейоза, в котором соответствующие гомологичные хромосомы расходятся по дочерним клеткам, обычно уменьшая число наборов.
Пример: В анафазе I сестринские хроматиды остаются связанными, а гомологи расходятся.
- Мейоз II
Второе деление мейоза, при котором сестринские хроматиды разделяются в клетках уже с уменьшенным числом наборов.
Пример: После мейоза II из одной исходной клетки часто получается четыре генетически различающиеся клетки.
- Гаметогенез
Процесс образования и созревания половых клеток животных, включающий деление клеток и последующую специализацию.
Пример: Сперматогенез и оогенез имеют общую связь с мейозом, но разный итог по строению и числу зрелых гамет.
- Сперматогенез
Образование мужских половых клеток у животных с мейозом и последующей специализацией образовавшихся клеток.
Пример: У млекопитающих из одной исходной линии после мейоза могут развиваться четыре сперматозоида.
- Оогенез
Образование женской половой клетки у животных, при котором мейоз и распределение цитоплазмы часто неравномерны.
Пример: У млекопитающих обычно развивается одна крупная яйцеклетка и полярные тельца из данного деления.
- Оплодотворение
Соединение наследственного материала гамет с образованием клетки нового поколения и запуском последующих процессов развития.
Пример: При обычном оплодотворении животных объединяются по одному набору хромосом от каждой гаметы.
- Партеногенез
Развитие нового организма из неоплодотворённой яйцеклетки у некоторых видов при различных механизмах восстановления или изменения набора.
Пример: У некоторых насекомых из неоплодотворённых яиц могут развиваться потомки; генетический результат зависит от вида.
Пример по шагам
Клетка с двумя парами гомологичных хромосом прошла мейоз без ошибки. Сколько хромосом ожидают в типичном продукте и почему продукты не обязаны быть одинаковыми?
- В исходной диплоидной клетке 2n = 4: две пары гомологичных хромосом.
- После первого деления в каждую дочернюю клетку попадает по одному гомологу из каждой пары, то есть n = 2; после второго разделяются хроматиды.
- Независимое распределение пар и возможный кроссинговер дают разные сочетания участков в продуктах.
Вывод: Типичный продукт имеет две хромосомы одного набора, но их наследственные варианты могут отличаться.
Практическая работа
Моделирование двух делений цветными карточками
- Возьмите две пары карточек-гомологов разного цвета, заранее удвойте каждую как две сестринские хроматиды и обозначьте центромеры.
- В первом делении распределите гомологи; в одном повторе отметьте обмен соответствующих участков несестринских хроматид.
- Во втором делении разделите сестринские хроматиды, затем сравните набор и сочетание цветов четырёх продуктов.
- На готовых микрофотографиях половых клеток отметьте видимые признаки, не выводя из одного снимка весь ход мейоза.
Что можно заключить: Модель отделяет уменьшение числа наборов от образования новых сочетаний наследственного материала.
Безопасность: Используйте только карточки и готовые препараты; не собирайте человеческие половые клетки и не исследуйте личную репродуктивную историю учащихся.
Практическая работа
Строение половых клеток на готовых микропрепаратах
- Получите готовые подписанные микропрепараты или качественные микрофотографии растительных либо животных половых клеток; запишите источник, вид и масштаб, если они указаны.
- На каждом изображении обозначьте только действительно различимые структуры: границы клетки, ядро, форму и возможные наружные части; отсутствие видимого ядра на снимке не считайте доказательством его отсутствия.
- Сравните признаки гамет с их ролью в оплодотворении и отдельно укажите, какие свойства, включая набор хромосом и генетическое разнообразие, нельзя доказать одним обычным световым снимком.
Что можно заключить: Микропрепарат показывает наблюдаемое строение, но хромосомный набор и происхождение гаметы требуют дополнительных методов и данных.
Безопасность: Работайте только с готовыми школьными препаратами под руководством учителя; не собирайте человеческие биоматериалы и не применяйте самостоятельно фиксаторы или красители.
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.