Деление клетки: мейоз

Мейоз — это способ деления клеток, в результате которого из одной диплоидной материнской клетки образуется четыре гаплоидные дочерние клетки.

Биологическая роль мейоза.

• Поддержание постоянства хромосомного набора в ряду поколений. Если бы половые клетки не уменьшали свой хромосомный набор вдвое, то при оплодотворении число хромосом бесконечно удваивалось бы с каждым новым поколением.
• Обеспечение генетического разнообразия. Оно достигается за счёт случайного комбинирования генов (комбинативной изменчивости).

Место протекания процесса строго определено. У животных он происходит в половых железах при образовании гамет — сперматозоидов и яйцеклеток. У большинства растений в результате мейоза образуются споры, из которых затем вырастает половое поколение (гаметофит).

Чтобы уверенно решать задачи и понимать условия, нужно свободно владеть специфическим словарём.

Основные термины, которые встретятся в заданиях:

• Гомологичные хромосомы — пара хромосом с одинаковым набором генов и похожей морфологией.
• Гаплоидный (одинарный) n набор хромосом. Парные хромосомы отсутствуют, гомологичных хромосом в клетке нет.
• Диплоидный набор (2n) характеризуется наличием парных (гомологичных) хромосом.
• Бивалент — структура, которая образуется при сближении двух гомологичных хромосом. Поскольку каждая хромосома перед делением удвоена и состоит из двух нитей, бивалент представляет собой комплекс из четырёх хроматид.

Весь процесс разделён на два крупных этапа, которые следуют один за другим без перерыва на удвоение ДНК. Рассмотрим шаблон действий для определения генетического набора. Перед началом первого деления клетка проходит интерфазу, во время которой ДНК удваивается. Исходная формула становится 2n4c.

Мейоз I (редукционное деление)

Мейоз I приводит к уменьшению хромосомного набора и называется редукционным.

Профаза I — самая долгая фаза. На этом этапе чаще всего допускают ошибки на экзаменах. Формула набора генетического материала сохраняется в виде 2n4c. Здесь происходят два ключевых события.

Конъюгация — сближение гомологичных хромосом, образование бивалентов.

Кроссинговер — обмен участками гомологичных хромосом.

Именно кроссинговер обеспечивает генетическое разнообразие. Растворяется ядерная оболочка, формируется веретено деления.

В метафазе I хромосомы выстраиваются по экватору клетки. По экватору выстраиваются целые биваленты (пары хромосом). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам каждой хромосомы. Формула остаётся неизменной: 2n4c.

В анафазе I к полюсам клетки расходятся целые двуххроматидные хромосомы. Каждая хромосома из пары отправляется к своему полюсу. Формула всей клетки на этот момент выглядит как 2n4c, но у каждого полюса уже формируется гаплоидный набор.

В телофазе I хромосомы достигают полюсов. Происходит деление цитоплазмы, образуются две новые клетки. Формула каждой образовавшейся клетки равна n2c. Набор хромосом стал гаплоидным, однако сами хромосомы всё ещё состоят из двух нитей ДНК (хроматид).

Мейоз II (эквационное деление)

Второе деление называют эквационным (уравнительным). Оно проходит по аналогии с митозом, но протекает сразу в двух гаплоидных клетках одновременно. Интерфаза перед этим этапом отсутствует или очень коротка, ДНК не удваивается.

В профазе II хромосомы снова компактизуются. Формула каждой клетки равна n2c.

В метафазе II двуххроматидные хромосомы выстраиваются вдоль экватора в один ряд. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам с обеих сторон. Набор остаётся n2c.

Анафаза II — момент, когда центромеры делятся. Сестринские хроматиды отрываются друг от друга и отправляются к противоположным полюсам. Теперь каждая хроматида признаётся отдельной самостоятельной хромосомой. Формула внутри одной клетки кратковременно становится 2n2c.

В телофазе II формируются ядерные оболочки вокруг хромосом на каждом полюсе. Происходит окончательное разделение цитоплазмы. Итог всего процесса — образование четырёх клеток с формулой nc. Каждая клетка имеет гаплоидный набор из однохроматидных хромосом.

Наиболее часто встречающейся патологией мейоза является нерасхождение хромосом в анафазе I. Оно происходит вследствие нарушения разделения бивалентов и выражается в том, что обе гомологичные хромосомы перемещаются к одному из полюсов клетки. Нерасхождение может наблюдаться и на стадии анафазы II. При этом к одному и тому же полюсу отходят две сестринские хроматиды (дочерние хромосомы). Как в первом, так и во втором случае результатом нерасхождения хромосом является образование генетически неравноценных клеток. В одних клетках наблюдается избыток хромосом (1n + 1), а в других — недостаток (1n − 1).

Для успешной подготовки рассмотрим реальные примеры с решениями.

Задание 1. Хромосомный набор коровы составляет 60 хромосом. Определите число хромосом и число молекул ДНК в клетке при гаметогенезе после первого и второго делений мейоза. Объясните все полученные результаты.

Логика решения пошагово:

1. Определим исходные данные. Соматическая клетка имеет двойной набор. Следовательно, 2n у коровы равно 60 хромосомам. Формула обычной клетки 2n2c. Значит, исходно есть 60 хромосом и 60 молекул ДНК.
2. Проводим расчёт для первого деления. Перед любым делением в интерфазе ДНК удваивается (становится 2n4c), поэтому перед профазой I будет 60 хромосом и 120 молекул ДНК.
3. Вспомним алгоритм. После первого редукционного деления образуются две клетки. Гомологичные двуххроматидные хромосомы расходятся по разным клеткам. Набор в каждой новой клетке становится n2c.
4. Выполним расчёт. Раз 2n = 60, то n = 30. Формула n2c означает, что хромосом будет 30, а молекул ДНК в два раза больше, то есть 60.
5. Проводим расчёт для второго деления. После анафазы II сестринские хроматиды расходятся, и в телофазе II образуются гаплоидные однохроматидные клетки с набором nc.
6. Итоговый расчёт. Формула nc означает, что хромосом будет 30, и молекул ДНК тоже будет 30.

Письменный ответ:

1. В интерфазе перед началом деления число молекул ДНК — 120; число хромосом — 60;
2. После мейоза I число хромосом — 30; число молекул ДНК — 60;
3. Перед началом деления в интерфазе молекулы ДНК удваиваются, их число увеличивается, а число хромосом не изменяется — 60, каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид;
4. Мейоз I — редукционное деление, поэтому число хромосом и число молекул ДНК уменьшается в 2 раза.

Задание 2. Общая масса молекул ДНК в одном ядре неделящейся соматической клетки дрозофилы составляет 4 пикограмма. Какова будет масса ДНК в клетке дрозофилы при гаметогенезе после первого деления мейоза? В ответе укажите количество пикограмм ДНК.

Логика решения пошагово:

1. Соматические клетки дрозофилы обладают диплоидным набором 2n2c.
2. В интерфазе перед началом деления ДНК реплицируется, из-за чего её количество удваивается и достигает 8 пг (набор 2n4c).
3. По окончании первого деления мейоза число хромосом и молекул ДНК уменьшается в два раза (набор 1n2c).
4. Таким образом, масса ДНК в клетке дрозофилы после мейоза I составляет 4 пг.

Ответ: 4.

Проверь себя. Реши задачи, используя разобранный структурный метод.

Упражнение 1. В результате мейоза клеток кукурузы образовались клетки, содержащие 10 хромосом. Какой набор хромосом имеет соматическая клетка зародыша кукурузы? В ответе запишите только количество хромосом.

Упражнение 2. Проанализируйте таблицу «Деление клетки». Заполните пустые ячейки таблицы, выбрав элементы из предложенного списка.

Нужно определить количество ДНК и хромосом на этом этапе в целой клетке.

Варианты ответа:

1. nc
2. 2n2c
3. n2c
4. 4n4c

Упражнение 3. Общая масса молекул ДНК в одном ядре неделящейся соматической клетки томата составляет 8 пикограмм. Какова будет масса ДНК в клетке семязачатка томата в телофазе I мейоза? В ответе запишите только количество пикограмм.

После изучения этого материала можно уверенно решать задачи на деление клетки в ОГЭ и ЕГЭ по биологии. Теперь ты умеешь:

• определять исходный генетический набор клетки и отслеживать его изменения в интерфазе;
• отличать расхождение целых двуххроматидных хромосом в анафазе I от расхождения однохроматидных хромосом в анафазе II;
• понимать биологический смысл конъюгации и кроссинговера;
• использовать буквенные формулы (n и c) для расчёта количества хромосом и молекул ДНК на любом этапе деления.

Чтобы закрепить навыки, советуем решить несколько аналогичных заданий из открытого банка, обращая особое внимание на переходные фазы клеточного деления.