Деление клеток. Митоз

  Простое деление. Особенно распространено бесполое размножение  у бактерий и синезеленых водорослей. Единственная клетка этих безъядерных  организмов разделяется пополам  или сразу на несколько частей. Каждая часть является целостным  функциональным организмом.

  Простым делением размножаются амебы, инфузории, эвглены  и другие простейшие. Разделение происходит посредством митоза, поэтому дочерние организмы получают от родительских тот же набор хромосом.

  Почкование. Этот тип размножения используют как одноклеточные, так и некоторые  многоклеточные организмы: дрожжи (низшие грибы), инфузории, коралловые полипы.

  Почкование  у пресноводных гидр происходит следующим  образом. Сначала на стенке гидры  образуется вырост, который постепенно удлиняется. На его конце появляются щупальца и ротовое отверстие. Из почки вырастает маленькая гидра, которая отделяется и становится самостоятельным организмом. У других существ почки могут оставаться на теле родителя.

  Фрагментация. Ряд плоских и кольчатых червей, иглокожие (морские звезды) могут  размножаться посредством расчленения  тела на несколько фрагментов, которые  затем достраиваются до целостного организма. В основе фрагментации лежит  способность многих простых существ  к регенерации утраченных органов. Так, если от морской звезды отделить луч, то из него вновь разовьется морская  звезда. Гидра способна восстановиться из 1/200 части своего организма. Обычно размножение фрагментацией происходит при повреждениях. Самопроизвольную фрагментацию осуществляют только плесневые  грибы и некоторые морские  кольчатые черви.

  Спорообразование. Родоначальницей нового организма  может стать специализированная клетка родительского существа —  спора. Такой способ размножения  характерен для растений и грибов. Размножаются спорами многоклеточные водоросли, мхи, папоротники, хвощи  и плауны.

  Споры представляют собой клетки, покрытые прочной оболочкой, защищающей их от чрезмерной потери влаги  и устойчивой к температурным  и химическим воздействиям. Споры  наземных растений пассивно переносятся  ветром, водой, живыми существами. Попадая  в благоприятные условия, спора  раскрывает оболочку и приступает к  митозу, образуя новый организм. Водоросли и некоторые грибы, обитающие в воде, размножаются зооспорами, снабженными жгутиками для активного  передвижения.

  Одноклеточное животное малярийный плазмодий (возбудитель  малярии) размножается посредством  шизогонии — множественного деления. Сначала в его клетке путем  делений формируется большое  количество ядер, затем клетка распадается  на множество дочерних.

  Вегетативное  размножение. Этот вид бесполого  размножения широко распространен  у растений. В отличие от спорообразования, вегетативное размножение осуществляется не особыми специализированными  клетками, а практически любыми частями  вегетативных органов.

  Многолетние дикорастущие травы размножаются корневищами (осот дает до 1800 особей/м2 почвы), земляника  — усами, а виноград, смородина  и слива — отводками. Картофель  и георгины используют для размножения  клубни — видоизмененные подземные  участки корня. Тюльпаны и лук  размножаются луковицами. У деревьев и кустарников укореняются с  образованием нового растения побеги — черенки, а у бегонии роль черенков способны выполнять листья. Черенками размножают малину, сливу, вишню и розы. На корнях и пнях деревьев образуется поросль, которая затем превращается в самостоятельные растения.

  Половое размножение. В половом размножении, в отличие  от бесполого, участвует пара особей. Их половые клетки (гаметы) несут  гаплоидные наборы хромосом. В процессе оплодотворения гаметы сливаются и  образуют диплоидную оплодотворенную  яйцеклетку (зиготу), которая дает начало новому организму.

  Одна из гомологичных хромосом соматической клетки достается от "мамы", а другая — от "папы". В результате части  генетического материала родительских особей объединяются, и в потомстве  появляются новые комбинации генов. Разнообразие генетического материала  позволяет потомству успешнее приспосабливаться  к изменяющимся внешним условиям. В обогащении наследственной информации состоит главное преимущество полового размножения, его основное биологическое  значение.

  У обоеполых  растений имеется ряд особенностей, исключающих самооплодотворение. Тычинки  и пестики обоеполых цветков  созревают не одновременно, поэтому  происходит именно перекрестное опыление разных особей. Конопля имеет раздельно  мужские пестичные и женские  тычиночные цветки на разных особях.

  Развитие  половых клеток. Формирование половых  клеток (гаметогенез) происходит в половых  железах. Развитие женских гамет (яйцеклеток) происходит в яичниках и лат. ovum яйцо + genesis происхождение). Мужские<носит  название овогенеза ( гаметы (сперматозоиды) формируются в семенниках в процессе сперматогенеза. Половые железы практически  всех существ имеют трубчатое  строение. Гаметогенез происходит последовательно  в трех зонах: размножения, роста  и созревания. Соответственно выделяют и три периода развития гамет.

  В начальный  период размножения половые клетки имеют диплоидный набор хромосом и делятся посредством митоза. Особенно интенсивно размножаются мужские  гаметы. У мужских особей половые  клетки образуются практически всю  жизнь. Формирование яйцеклеток млекопитающих  происходит только в эмбриональный  период, далее они сохраняются  в состоянии покоя.

  Попадая в  зону роста, половые клетки уже не делятся, а только растут. Мужские  гаметы вырастают не слишком сильно, а яйцеклетки увеличивают свои размеры  в сотни, тысячи и миллионы раз (вспомним куриную яйцеклетку — яйцо). Внешние  оболочки яйцеклетки надежно защищают развивающийся плод, через них, в  особенности сквозь скорлупу птичьих  яиц, бактерии и вирусы не проникают, а воздух проходит свободно.

  Сперматозоиды значительно меньше яйцеклеток. У  млекопитающих они имеют форму  длинной нити с головкой, шейкой и жгутиком. В головке содержатся хромосомы, а на ее передней части  — комплекс Гольджи с ферментами, растворяющими оболочку яйцеклетки и обеспечивающими проникновение  ядра сперматозоида (оболочка остается снаружи). Мужские гаметы не только вносят генетическую информацию, но и  инициируют развитие яйцеклетки. В  шейке расположена центриоль, образующая жгутик сперматозоида, позволяющий  ему интенсивно передвигаться. Источником энергии для движений жгутика  служат молекулы АТФ, запасенные в шейке. Для пополнения АТФ в шейке  расположены митохондрии.

  После того как гаметы вырастают до размеров взрослых половых клеток, они попадают в зону созревания.

  Основу созревания гамет составляет специфический  процесс деления каждой половой  клетки на четыре новых. Созревание яйцеклеток и сперматозоидов протекает в  основном сходным образом, различия возникают только на последней стадии по следующей причине. Для успешного  оплодотворения необходимо достаточно большое количество сперматозоидов. Поэтому все четыре образовавшиеся мужские клетки оказываются функциональными  и жизнеспособными. Основной задачей  яйцеклетки является не только оплодотворение, но и успешное созревание плода. С  этой целью процесс деления происходит неравноценно: весь желток уходит в  одну яйцеклетку, и она оказывается  единственной жизнеспособной. Остальные  три вполне функциональные яйцеклетки не получают при созревании питательных  веществ и вскоре гибнут. Их называют направительными, или полярными  тельцами.

  Период созревания гамет, сопровождаемый специфическим  разделением каждой из них на четыре новых, носит название мейоза. В следующем  параграфе мы рассмотрим происходящие в мейозе процессы более подробно.

  Мейоз

  Развитие  организма начинается с единственной клетки — зиготы, которая образуется от слияния специализированных половых  клеток — мужской и женской  гамет. В процессе слияния их ядра объединяются, и в зиготе оказывается  вдвое больше хромосом, чем в каждой гамете. Если бы половые клетки были диплоидными, то в каждом следующем  поколении количество хромосом в  клетках организма удваивалось  бы. Поэтому половые клетки несут  вдвое меньший набор хромосом. Таким образом, соматические (телесные) клетки организмов имеют диплоидный (двойной) набор хромосом и поддерживают его видовое постоянство посредством  митотического деления, а половые  — гаплоидный, который восстанавливается  до диплоидного в процессе оплодотворения. Рассмотрим основные фазы мейоза.

  Созревание  гамет включает два последовательных деления: первое — типичный мейоз, второе сходно с митотическим. Оба деления  подобно митозу проходят четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Перед первым делением, как и перед  митозом, происходит репликация ДНК с удвоением хромосом, каждая хромосома вступает в процесс деления сдвоенной.

  Первое  мейотическое деление

  В профазе  гомологичные хромосомы подходят очень  близко друг к другу. Особыми белковыми  нитями с утолщениями на концах они  как бы пристегиваются друг к другу  по типу застежки "молния". В таком  состоянии, называемом конъюгацией, они  находятся довольно долго (у человека около недели). Пристегивание происходит в тех местах ДНК, где еще не завершилась репликация и двойная  спираль несколько раскручена.

  Конъюгирующие хромосомы плотно прилегают друг к другу и могут обмениваться участками. Такой обмен называют перекрестом, или кроссинговером (англ. crossing over). После перекреста каждая хромосома  сочетает гены, находившиеся до перекреста в разных гомологичных хромосомах.

  В конце  профазы к центромерам хромосом присоединяется веретено деления, и  они начинают расходиться центромерными  участками к разным полюсам деления, оставаясь сцепленными в местах кроссинговера.

  В отличие  от митоза, в метафазе мейоза удвоенные  хромосомы не разделяются в центромерах, каждая пара взаимодействует с одним  веретеном деления. Если в метафазе митоза к разным полюсам расходятся отдельные хроматиды, то в метафазе первого деления мейоза — конъюгировавшие  хромосомы. В телофазе на непродолжительный  период образуется ядерная оболочка.

  Второе мейотическое деление. Поскольку хромосомы остались соединенными центромерами, то есть удвоенными, репликация ДНК перед вторым делением не происходит. Второе мейотическое деление  осуществляется аналогично митозу. В  результате из двух диплоидных клеток образуются четыре гаплоидные половые  клетки. Из-за отсутствия конъюгации второе деление происходит значительно  быстрее.

  Соматические  клетки содержат по две гомологичных хромосомы (одинаковых по форме и  размеру, несущих одинаковые группы генов): одну — от отцовского организма, другую — от материнского. В половых  клетках из двух гомологичных хромосом остается какая-то одна, их хромосомы  не имеют гомологов — они одиночные, поэтому и набор — гаплоидный. Если при митозе количество генетической информации сохраняется, то при мейозе — сокращается вдвое.

  В формировании половых клеток с уменьшенным  вдвое, гаплоидным, набором хромосом состоит биологическая сущность мейоза.

  Хромосомные наборы созревших половых клеток вследствие случайности расхождения  пар к полюсам в метафазе первого  деления содержат самые разнообразные  комбинации родительских хромосом. Гамета может иметь, например, 5 отцовских  и 18 материнских хромосом (всего  у человека 23 хромосомы), 20 отцовских  и 3 материнских и т.д. Каждая из 23 хромосом отлична от другой и может  оказаться одной из двух гомологичных родительских — всего 223 (8,6 млн.) вариантов  гамет. В дочернем организме количество возможных комбинаций хромосом составляет 423, это число в тысячи раз превышает  население земного шара. Кроссинговер, объединяя в хромосомах гены родительских особей, на многие порядки увеличивает  разнообразие признаков в потомстве. Такое разнообразие возможных генотипов  делает каждое существо неповторимым, генетически уникальным.

  В период мейоза генетический материал очень уязвим. Если, например, в результате облучения  или воздействия химических соединений произойдет разрыв ДНК в момент расхождения  хромосом, то часть наследственного  материала утратится. Потеря участка  ДНК в соматической клетке во время  митоза приведет к нарушению только в ее дочерних клетках, составляющих небольшую часть существа. Если же утратится часть хроматиды созревающей  половой клетки, то пострадает потомство: его наследственная информация будет  неполной, какие-то процессы жизнедеятельности  не смогут осуществляться. При этом большей опасности подвергается женский эмбрион, поскольку весь запас женских гамет (у человека около 300) формируется в эмбриональный  период сразу на всю жизнь, мужские  же гаметы образуются практически весь период жизнедеятельности. Незначительные дозы радиации, совсем не опасные для  самого организма, могут нарушить хромосомы  яйцеклеток эмбриона и привести к  генетическим аномалиям в следующем  поколении.