Всім відомо, що при статевому способі розмноження новий організм виникає в результаті злиття двох гамет (статевих клітин). Гаметогенез, або утворення генеративних клітин і відбувається за допомогою специфічного поділу, яке називається мейозом. У чому полягає сутність цього процесу, які його етапи, розповімо в даній статті.
Трохи загальних знань
Для більшості різностатевих організмів на нашій планеті характерне розмноження статевим шляхом. При цьому гамети мають половинний хромосомний набір, який називається гаплоидным (n). В результаті злиття гамет утворюється зигота, в якій відновлюється диплоидность, і набір хромосом позначається 2n, в чому і полягає сутність мейозу (коротко).
Наприклад, у дрозофіли (плодової мушки) всього 4 хромосоми – це диплоїдний набір. Гамети ж у неї в ядрі мають тільки 2 хромосоми. У людини в кожній клітині в ядрі є 46 хромосом, а в гаметах (яйцеклітини і сперматозоїда) – по 23.
Але відновлення диплоидности при статевому розмноженні – лише мала частина того, в чому полягає сутність мейозу.
Хромосом і хроматиди
Для розуміння подальшого матеріалу важливо розуміти відмінність між цими двома поняттями.
Хромосомами (використовується позначення n) називаються носії генетичного матеріалу, а просто це молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти), багаторазово спирализированные і знаходяться в ядрі клітин эукариотических (що мають ядро з мембранної оболонкою) організмів. У тому вигляді, в якому ми звикли їх бачити в підручниках і довідниках (на фото вище показано хромосоми людини), вони стають помітні лише в період інтерфази перед поділом клітини, коли вони вже подвоїлися.
А ось хроматиди (позначаються с) – це як раз і є структурна частина хромосоми, яка вже пройшла процес реплікації (подвоєння) в інтерфазі перед поділом клітини. Хроматида – це одна з двох копій ДНК, які з’єднані в цей момент спеціальної перетяжкою (центромерой).
Поки дві хроматиди пов’язані центромерой, їх називають сестринськими. І тільки в ході статевого ділення клітин (мейозу) вони поділяються і являють собою самостійні одиниці спадкового матеріалу, а якщо між ними стався кросинговер (про що пізніше) то вони зазнали зміни в послідовності генів.
Всі хромосоми – різні за формою і розміром в межах однієї гомологічної (однакові) пари. Весь набір хромосом у клітинах одного виду називається каріотипом. Так, у людини каріотип – 46 хромосом, з яких 22 пари – гомологічні або аутосомы, а 23 пара – це статеві хромосоми (Х і Y). У гаметах людини (сперматозоїда і яйцеклітини) знаходиться половинний (гаплоїдний) набір хромосом – 23 аутосомы і 1 статева хромосома (Х або Y).
Як раз мейоз і забезпечує такий набір у гаметах.
Особливе поділ клітин
Специфічне поділ з утворенням статевих клітин – мейоз (від грецького слова μείωσις, що означає зменшення) – це сукупність двох послідовних поділів клітини, в результаті яких ядро ділиться двічі, а хромосоми тільки раз. Завдяки цьому і відбувається зменшення (редукція) хромосомного набору в гаметах в два рази, що при їх злитті відновлює диплоидность зиготи. Це і є його біологічне значення.
Мейоз (його фази) у всіх живих організмів відбувається за однаковою схемою:
- Перший поділ (редукційний), після якого кількість хромосом зменшується вдвічі.
- Друге ділення (эквационное), відбувається за типом простого поділу (мітозу). Його ще називають вирівнюючим.
Перше мейотичное поділ
У період підготовки клітини до поділу (інтерфази) в ядрі відбувається подвоєння кількості хромосом (їх стає 4 n), що характерно для клітин, які діляться простим поділом (мітоз). У клітинах попередниць гамет (у людини – сперматоцитів і ооцитів) в інтерфазі такого подвоєння не відбувається, і до мейозу клітина починає з набором хромосом 2n і проходить наступні етапи:
- Профаза I. На цьому етапі ущільнюються хромосоми і зближуються. Відбувається коньюгация (злипання) гомологічних хромосом (однієї пари), під час якого відбувається кросинговер. Цей процес характерний тільки для мейозу (в чому полягає сутність, розповімо нижче). Потім хромосоми роз’єднуються, оболонка ядра клітини руйнується, і починає формуватися веретено поділу.
- Метафаза I. Нитки веретена поділу прикріплюються до центромерам хромосом, а самі вони розташовуються уздовж екватора ділення один навпроти одного, а не вздовж однієї лінії (як при митозе).
- Анафаза I. Нитки веретена поділу розтягують хромосом до полюсів. Коротко значення і сутність мейозу укладена в цій фазі розподілу – біля полюсів хромосоми опиняються в кількості n.
- Телофаза I. На даному етапі утворюються ядерні оболонки. У тварин і деяких рослин далі відбувається поділ цитоплазми і утворюється дві дочірні клітини.
Утворилися клітини вступають в интерфазу, яка або дуже коротка, або взагалі відсутня.
Друге мейотическое поділ
Мейоз II має ті ж фази:
- Профаза II. Ущільнюються хромосоми, ядерні оболонки зникають, починає з’являтися веретено поділу (фото вгорі).
- У період метафази II триває формування веретена, а хромосоми розташовуються по екватору поділу.
- Анафаза II. Хромосоми розтягуються до полюсів клітини (фото внизу).
- Телофаза II. Формуються ядерні оболонки, відбувається поділ цитоплазми між двома клітинами.
При цьому поділі кількість хромосом не змінюється, але кожна з них складається лише їх однієї хроматиди (структурної одиниці). Ось в чому полягає сутність мейозу II. Утворюються клітини з гаплоидным набором хромосом у кожній (n).
Біологічне значення мейозу
У чому полягає воно, вже стало зрозуміло:
- Мейоз – досконалий механізм, який забезпечує сталість каріотипу (кількості хромосом) виду, якому притаманне розмноження статевим шляхом.
- Завдяки двом послідовним поділів мейозу число хромосом у гаметах стає гаплоидным і стає логічним відновлення диплоидности при їх злитті (заплідненні) з утворенням зиготи з вихідним диплоїдним каріотипом.
- Саме мейоз забезпечує таку властивість організмів, як мінливість. В профазі I – завдяки кросинговеру, а в анафазі I – завдяки тому, що гомологічні хромосоми з різними генами можуть виявитися в різних гаметах.
Що таке кросинговер
Повернемося до профазі I мейозу. Саме в цей момент, коли гомологічні хромосоми зблизилися і майже злиплися, може відбутися обмін між ними будь ділянкою. Саме цей обмін і називається кросинговером, що в буквальному перекладі з англійської (crossing over) означає перетин або перехрест.
Простіше кажучи, один ділянка хромосоми може помінятися місцями з таким же ділянкою іншої хромосоми з однієї пари. Цей механізм забезпечує рекомбинативную генетичну мінливість організмів. Перетасовка генів призводить до збільшення біорізноманіття в межах одного виду.
Життєвий цикл і мейоз
В залежності від того, на якій стадії життєвого циклу відбувається мейоз, в біології виділяють три його типи:
- Початковий (зиготный) відбувається відразу ж після запліднення в зиготе. Такий тип мейозу характерний для організмів з переважанням в життєвому циклі гаплоїдною фази. Це гриби (аскоміцети і базидомицеты), деякі водорості (хламидомонада), найпростіші (споровики).
- Проміжний (споровий) мейоз відбувається при утворенні спор у організмів з рівномірним чергуванням диплоїдної і гаплоїдною форми. Це вищі спорові (мохи, плауни, хвощі, папороті), голонасінні і покритонасінні рослини. Серед тварин даний тип мейозу характерний для морських найпростіших форамініфер.
- Кінцевий (гаметный) мейоз притаманний усім многоклеточным тваринам, морської водорості фукусу і деяких найпростіших (інфузорії). У цих організмів у життєвому циклі переважає диплоидная фаза, і лише гамети мають гаплоїдний набір хромосом.
Підіб’ємо підсумок
Школярі знайомляться з тим, у чому полягає сутність мейозу, в 6 класі при вивченні найпростіших, водоростей, і переходячи до вивчення біології рослин. Це ключове поняття загальної біології та механізмів утворення статевих клітин (гамет) дозволяє зрозуміти спільність всього живого на нашій планеті, розібратися в різних життєвих циклах рослин і тварин.
Крім того, саме мейозу ми повинні бути вдячні за внутривидовое різноманітність біологічного виду Homo sapiens. На протязі вивчення біології в наступних класах школярі продовжують вивчення фаз статевого поділу, а при знайомстві з генетикою – та законів спадковості та мінливості.
Вивчення механізмів різного поділу клітин дозволяє зрозуміти унікальність і доцільність законів природи, які сформувалися протягом мільярдів років еволюції на одній-єдиній планеті Сонячної системи. І нам пощастило народитися саме на ній.
