Хромосомы, митоз, мейоз и жизненный цикл
Разложим деление на события: удвоение ДНК, расхождение хромосом и образование клеток; сравним митоз и мейоз без формулы «одинаково, но вдвое».
Федеральная программа · углублённый уровень · 7 класс
Введение
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Хромосомы, гены, удвоение хромосом и плоидность
- Клеточный цикл и митоз
- Мейоз, размножение и типы жизненных циклов
Как это устроено
Почему хромосомы считают не так, как молекулы ДНК? В клетке с 2n = 6 до копирования находятся шесть хромосом и шесть молекул ядерной ДНК. После S-периода остаются шесть двухроматидных хромосом, но молекул ДНК уже двенадцать. Поэтому запись 2n описывает число наборов, а не число хроматид. В анафазе митоза сестринские хроматиды разошлись и становятся самостоятельными дочерними хромосомами; для числа в одной будущей дочерней клетке учитывают её собственный полюс.
Считайте отдельно хромосомы, наборы хромосом и количество ДНК. В диплоидной клетке два набора гомологичных хромосом. Перед делением ДНК копируется; каждая хромосома временно состоит из двух сестринских хроматид. Это не делает клетку тетраплоидной: наборов гомологов по-прежнему два.
Клеточный цикл удобно разделить на G₁ (рост и работа клетки), S (репликация ДНК), G₂ (подготовка) и M-фазу. Во время митоза хромосомы уплотняются, располагаются относительно аппарата деления, сестринские хроматиды расходятся и формируются дочерние ядра. Затем обычно завершается цитокинез. Не надо понимать схему как часы одинаковой длительности: фазы у разных клеток и условий занимают разное время; часть дифференцированных клеток не вступает в следующий цикл.
При митозе копии хромосом расходятся к противоположным полюсам; затем обычно делится цитоплазма. Из одной клетки появляются две, и число наборов обычно сохраняется. Митоз нужен росту, обновлению тканей и некоторым формам бесполого размножения, но сам по себе не объясняет, как возникают гаметы у животных.
Первое деление мейоза называют редукционным: гомологичные хромосомы сближаются, возможен кроссинговер между несестринскими хроматидами, затем гомологи распределяются по разным клеткам. Второе деление идёт без нового копирования ДНК между I и II: расходятся сестринские хроматиды. Независимое распределение гомологов и кроссинговер дают разные сочетания наследственных вариантов, но сами по себе не гарантируют полезности каждого сочетания.
Мейоз включает два последовательных деления после одного удвоения ДНК. В первом расходятся гомологичные хромосомы и уменьшается плоидность, во втором — сестринские хроматиды. Пары гомологов могут обмениваться участками, что вместе с независимым распределением способствует разнообразию потомства. Число полученных жизнеспособных клеток зависит от организма и типа образования гамет или спор; «всегда четыре одинаковые гаметы» неверно.
У наземных растений жизненные циклы чередуют поколения: спорофит (2n) образует споры (n) мейозом; спора вырастает в гаметофит (n); гаметофит производит гаметы; оплодотворение даёт зиготу (2n), из которой развивается новый спорофит. У мхов заметнее гаметофит, у папоротников и семенных — спорофит. Это помогает понять, почему спора и гамета не одно и то же.
Практическая проверка: на готовом окрашенном препарате верхушки корня лука ищут клетки с различным расположением уплотнённых хромосом. Такая картинка позволяет различать отдельные стадии митоза, но одна фотография не показывает движения одной и той же клетки во времени. Долю клеток в стадии можно подсчитать на многих полях зрения; она зависит от ткани, условий и способа подготовки образца, поэтому не равна автоматически длительности стадии.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Хромосома
Структура клетки, содержащая длинную молекулу ДНК с генами и связанные с ней белки. Перед делением эукариотической клетки хромосомы уплотняются и становятся лучше заметны под микроскопом; после копирования ДНК одна хромосома временно состоит из двух сестринских хроматид.
Пример: В обычной соматической клетке человека до репликации учитывают 46 хромосом, а после неё — те же 46 двухроматидных хромосом, пока сестринские хроматиды не разошлись.
Важно: Число хромосом определяют по центромерам и стадии деления; нельзя приравнивать его к количеству молекул ДНК во всех фазах.
- Ген
Участок наследственного материала, информация которого используется для получения функционального продукта — РНК или, через неё, белка. Разные варианты одного гена могут влиять на признаки, но один признак обычно зависит не только от одного гена.
Пример: Гены, связанные с образованием пигментов, могут влиять на окраску растения вместе с условиями среды и работой других генов.
- Хроматида
Одна из двух копий реплицированной хромосомы, содержащая одну молекулу ДНК с белками. Сестринские хроматиды сначала очень близки по последовательности; при мейозе после кроссинговера их участки могут различаться.
Пример: После репликации каждая хромосома перед митозом состоит из двух сестринских хроматид.
- Плоидность
Число полных наборов гомологичных хромосом в клетке или её ядре. Один набор обозначают n (гаплоидное состояние), два набора — 2n (диплоидное); количество скопированной ДНК учитывают отдельно.
Пример: Большинство клеток тела человека диплоидны (2n), зрелые половые клетки гаплоидны (n).
Важно: После удвоения ДНК плоидность остаётся 2n, пока не изменилось число наборов гомологичных хромосом.
- Гомологичные хромосомы
Пара хромосом диплоидного организма с соответствующими генами в сходных участках, полученная по одной от каждого родителя.
Пример: У человека в типичной соматической клетке 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом; состав половой пары может различаться.
Важно: Гомологи — не то же самое, что сестринские хроматиды одной удвоенной хромосомы.
- Репликация ДНК
Процесс копирования ДНК перед делением: две исходные цепи служат матрицами для синтеза новых комплементарных цепей. Он увеличивает количество ДНК, но сам по себе не меняет число наборов гомологичных хромосом.
Пример: В S-периоде интерфазы количество ДНК в ядре увеличивается, хотя число хромосом до расхождения сестринских хроматид обычно считают прежним.
- Клеточный цикл
Последовательность состояний клетки от образования после одного деления до собственного последующего деления, включающая подготовку и само деление.
Пример: В интерфазе клетка растёт и копирует ДНК; затем при митозе распределяет её между дочерними клетками.
Важно: Не всякая клетка постоянно делится; некоторые надолго выходят из цикла.
- Митоз
Деление ядра эукариотической клетки, при котором копии хромосом распределяются между двумя дочерними ядрами; обычно сохраняется исходная плоидность.
Пример: Митоз клеток образовательной ткани увеличивает число клеток растущего корня.
- Мейоз
Специализированная последовательность двух делений после одного удвоения ДНК, при которой число наборов хромосом уменьшается; процесс связан с половым размножением.
Пример: У животных мейоз участвует в образовании гамет, а у наземных растений — спор.
Важно: У растений мейоз не обязательно сразу производит гаметы; школьная формула «мейоз делает половые клетки» не универсальна.
- Цитокинез
Разделение цитоплазмы после или во время разделения ядра, в результате которого возникают отдельные дочерние клетки. Митоз называют делением ядра; поэтому митоз и цитокинез важно называть раздельно.
Пример: У животной клетки поверхность перетягивается, а у растительной между будущими клетками формируется клеточная пластинка.
- Кроссинговер
Обмен соответствующими участками между несестринскими хроматидами пары гомологичных хромосом в ходе первого деления мейоза. Он может создавать новые сочетания вариантов генов на одной хромосоме.
Пример: После обмена участок хроматиды, полученной от одного родителя, может оказаться рядом с участком от другого родителя.
Важно: Кроссинговер не означает, что каждый ген обязательно изменился или что возникла новая мутация.
- Гамета и спора
Гамета — клетка, участвующая в оплодотворении через слияние с другой гаметой; спора — клетка расселения и размножения, способная начать новое развитие без слияния с другой спорой. У наземных растений споры мейотические, а гаметы образует гаметофит.
Пример: Гаплоидная спора мха развивается в гаметофит; его яйцеклетка и сперматозоид при встрече дают диплоидную зиготу.
- Оплодотворение
Слияние гамет или их ядер, при котором образуется зигота и восстанавливается число наборов хромосом, характерное для нового поколения.
Пример: При слиянии двух гаплоидных гамет образуется диплоидная зигота.
- Жизненный цикл
Повторяющаяся последовательность стадий развития организма, включающая размножение и переход к новому поколению.
Пример: У мха чередуются гаплоидное поколение гаметофита и диплоидное поколение спорофита.
- Гаметофит и спорофит
Два многоклеточных поколения в жизненном цикле наземного растения: гаплоидный гаметофит образует гаметы, обычно митозом; диплоидный спорофит образует гаплоидные споры мейозом. После оплодотворения зигота начинает новое поколение спорофита.
Пример: У мха зелёное листостебельное растение — гаметофит, коробочка на ножке — часть спорофита.
Важно: Оба поколения могут выглядеть совсем по-разному и различаться по самостоятельности.
Пример по шагам
У диплоидной клетки после копирования ДНК каждая хромосома имеет две хроматиды. Стала ли клетка 4n?
- Плоидность показывает число наборов гомологичных хромосом, а не число молекул ДНК.
- После копирования у каждой исходной хромосомы появилась сестринская хроматида, но новый набор гомологов не возник.
- Отдельно обозначьте: плоидность 2n, количество ДНК увеличилось.
Вывод: Клетка остаётся 2n; удвоение ДНК не равнозначно удвоению плоидности.
Практическая работа
Модель числа наборов без микроскопа
- Возьмите два цвета бумажных полосок как гомологичные хромосомы одного набора от двух родителей; подпишите их, не используя настоящую ДНК.
- Сделайте бумажные копии каждой полоски и объясните, почему после «репликации» число наборов не изменилось.
- Разыграйте отдельно расхождение гомологов при первом делении мейоза и сестринских копий при втором; сравните с митозом.
Что можно заключить: Модель различает количество ДНК, число хромосом и плоидность, но не изображает все молекулярные события.
Безопасность: Используйте только бумажную модель; препарат делящихся клеток рассматривают под микроскопом с учителем.
Практическая работа
Изучение митоза в корешке лука
- На готовом окрашенном препарате кончика корня лука найдите область мелких делящихся клеток и запишите увеличение и число просмотренных полей зрения.
- Зарисуйте достоверно различимые клетки в интерфазе и основных состояниях митоза по положению хромосом; если фаза неоднозначна, отметьте это вместо угадывания.
- Подсчитайте долю клеток с видимыми митотическими фигурами среди просмотренных клеток и объясните, почему фиксированный срез показывает разные клетки, а не непрерывную запись деления одной клетки.
Что можно заключить: Фиксированный препарат позволяет распознать состояния митоза и приблизительно оценить митотическую активность, но не показывает длительность каждой фазы напрямую.
Безопасность: Используйте готовые фиксированные препараты; не готовьте дома давленые препараты с кислотой, красителями и острыми инструментами.
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.
- ФРП ООО «Биология», углублённый уровень, 7–9 классы
- ФРП биологии 7–9 классов, углублённый уровень: введение и практическая работа
- OpenStax Biology 2e: клеточный цикл и митоз
- OpenStax Biology 2e: первое и второе деления мейоза
- OpenStax Biology 2e: чередование поколений растений
- OpenStax: клеточный цикл и митоз