03. Мейоз

Определение мейоза

Мейоз – это особый вид деления клеток, при котором число хромосом в дочерних клетках становится гаплоидным.

При мейозе из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. Мейоз происходит при образовании половых клеток – гамет (у животных) – или при образовании гаплоидных спор у растений.

Отличия мейоза от митоза

Можно выделить три основных отличия мейоза от митоза:

1. Генетический материал удваивается только один раз, но происходит два деления, приводящие к образованию четырех ядер.

2. Каждое из четырех ядер гаплоидно (содержат половину набора хромосом материнской клетки).

3. Гаплоидные ядра содержат новые комбинации генетического материала.

Поведение хромосом в мейозе имеют глубокие генетические и эволюционные последствия. Благодаря мейозу, популяции диплоидных организмов неоднородны. Особи отличаются друг от друга по многим признакам, и это придает популяции большую устойчивость и приспособленность.

Профаза мейоза

Профаза первого мейотического деления состоит из пяти стадий и включает: лептотену, зиготену, плахитену, диплотену и диакинез.

Лептотена – это стадия тонких нитей (рис. 1). Происходит конденсация хромосом, которые становятся видны в световой микроскоп.

Зиготена – стадия сливающихся нитей (рис. 2). Происходит конъюгация гомологичных хромосом.

Пахитена – стадия толстых нитей (рис. 3). Хромосомы спирализуются, и хорошо видна их продольная неоднородность. Завершается кроссинговер, в результате которого хромосомы обмениваются участками хроматид.

Диплотена – стадия двойных нитей (рис. 4). Продолжается конденсация хромосом, но при этом начинается процесс расхождения гомологичных хромосом, которые удерживаются в точках обмена участками, возникшими при кроссинговере, они получили название хиазм.

Диакинез – стадия расхождения бивалентов (рис. 5). Исчезают ядрышки, отдельные биваленты располагаются на периферии ядра, и затем наступают все процессы, которые так характерны для этой фазы.

Хромосомные болезни

Хромосомные болезни – синдромы, развитие которых обусловлено изменениями числа и структуры хромосом. Частота появления хромосомных болезней у новорожденных составляет 1%. Грубые аномалии, связанные с изменением числа хромосом, как правило, приводят к спонтанным выкидышам или же к мертворождению.

Выделяют группы хромосомных болезней связанных с изменениями половых хромосом и не половых хромосом или аутосом. К первым относятся два синдрома, а именно синдром Шерешевского-Тернера и синдром Клайнфельтера.

Лица, страдающие болезнью Шерешевского-Тернера, имеют кариотип XO, то есть они содержат всего 45 хромосом и имеют женский фенотип. Впервые женщина с таким синдромом была описана Шерешевским в 1925 году. А в 1938 году Тернер опубликовал работу, в которой было описано уже 7 женщин с подобным синдромом.

Что характерно для данного синдрома? Во-первых, недостаточное половое развитие: неразвитые женские половые органы и бесплодие. Все женщины с данным заболеванием – низкого роста, особым фенотипическим признаком является присутствие крыловидной складки на достаточно короткой шее. При этом люди с синдромом Шерешевского-Тернера обладают очень дружелюбным характером, очень усидчивы и прилежны (рис. 6).

Если говорить об их умственном развитии, то считалось, что женщины, страдающие от такой болезни, отстают в умственном развитии. Но, когда провели ряд исследований, оказалось, что из 120 исследованных женщин 2 имели университетское образование, десять закончили школу, 93 женщины закончили начальную школу, а остальные 15 действительно посещали школы для умственно отсталых детей.

Лица, страдающие синдромом Клайнфельтера, имеют кариотип XXY, то есть они содержат 47 хромосом, и мужской фенотип. Впервые это синдром был описан в 1942 году Клайнфельтером, при этом он указал типичные признаки этого синдрома:

1. Увеличение у мужчин молочных желез.

2. Недостаточное развитие наружных половых органов, бесплодие.

3. Высокий рост (за счет длины ног).

Кроме этого мальчики с синдромом Клайнфельтера плохо спят, быстро утомляются и если говорить о психологической картине, то они считают себя довольно несчастливыми людьми и периодически у них возникают вспышки агрессии. Для лечения этого синдрома ученые используют гормональную терапию.

Значение мейоза

1. Сохранение постоянства числа хромосом при половом размножении. У организмов, размножающихся половым путем, при мейозе из одной материнской диплоидной клетки образуются четыре дочерние клетки, каждая из которых содержит половину из числа хромосом по сравнению с материнской.

При оплодотворении ядра этих половых клеток (гамет) сливаются, образуя зиготу, в которой содержится постоянное для каждого вида число хромосом. Это число соответствует диплоидному состоянию.

Например, новый человеческий организм возникает в момент оплодотворения, то есть при слиянии яйцеклетки матери, содержащей 23 хромосомы, и сперматозоида отца, который также содержит 23 хромосомы (рис. 7).

                          А                  Б                                       В

А – яйцеклетка (содержит 23 хромосомы), Б – сперматозоид (содержит 23 хромосомы), В – слияние яйцеклетки и сперматозоида. Зигота (содержит 23+23=46 хромосом)

В момент оплодотворения при слиянии гаплоидных гамет в зиготе – первой клетке будущего организма – восстанавливается свойственный клеткам человеческого тела диплоидный набор хромосом.

Если бы не было мейоза, слияние гамет приводило бы к удвоению числа хромосом в каждом новом поколении (рис. 8).

2. Генетическая изменчивость. Мейоз создает возможности для возникновения в гаметах новых комбинаций генетического материала (рис. 9).

Это ведет к изменениям, как в генотипе, так и в фенотипе потомства, получаемого при слиянии гамет.

Мейоз представляет собой два последующих (одно за другим) деления ядра. Как и митозу, так и мейозу предшествует интерфаза (основная фаза жизненного цикла клетки), однако репликация (удвоение) ДНК происходит только в интерфазе I. В этой же интерфазе накапливаются вещества, необходимые для обоих делений мейоза.

Интерфаза II присутствует у животных, но отсутствует у многих растений.

Перед первым мейотическим делением каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой (рис. 10).

Фазы мейоза

Перечислим фазы первого (редукционного) деления мейоза: профаза I, метафаза I, анафаза I, телофаза I (рис. 11).

Профаза I – самая продолжительная фаза, которая состоит из пяти стадий. В профазе I происходит конъюгация, то есть каждая хромосома находит себе гомологичную, сближается с ней, и образуется бивалент (рис. 12).

1 – гомологичные хромосомы; 2 – перекрест хромосом, образование бивалента (точки соединения хромосом – хиазмы); 3 – гомологичные хромосомы после обмена участками

Хромосомы соединены между собой в точках, эти точки называются хиазмами. Во время контакта между отцовской и материнской хромосомами происходит обмен идентичными участками хромосом.

Это явление получило названия кроссинговера. В результате кроссинговера могут возникнуть новые комбинации генетического материала. К концу профазы ядерная оболочка разрушается, центриоли, если они имеются, расходятся к разным полюсам клетки и начинается образование нитей веретена деления (рис. 13).

Метафаза I – биваленты, или гомологичные хромосомы, выстраиваются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам гомологичных хромосом (рис. 14).

Анафаза I – начинается с расхождения гомологичных хромосом к разным полюсам клетки (в отличие от митоза).

В анафазе митоза центромеры делятся и к разным полюсам клетки отходят идентичные хроматиды (рис. 15).

В анафазе I мейоза центромеры не делятся, хроматиды остаются вместе, а к разным полюсам клетки отходят гомологичные хромосомы, то есть в анафазе разъединяются биваленты.

У человека при образовании половых клеток (гамет) 23 хромосомы отходят к одному полюсу, а 23 к другому полюсу. Однако из-за обмена фрагментами в результате кроссинговера их хроматиды не идентичны, как это было в начале мейоза (рис. 15).

В телофазе 1 происходит образование двух дочерних клеток. У животных и у некоторых растений хромосомы деспирализуются, и вокруг них образуется ядерная оболочка, наступает цитокинез.

У большинства растений не наблюдается ни телофазы I, ни интерфазы I, а клетка из анафазы I переходит в профазу II.

Так, в результате первого деления мейоза образуются 2 гаплоидные клетки, каждая из которых продолжает свое деление (рис. 16).

Второе деление (эквационное) представляет, фактически, обычный митоз и включает в себя соответственные стадии: профазу II, метафазу II, анафазу II и телофазу II (рис. 17).

Во время профазы II происходит разрушение ядерной оболочки и начинается формирование нитей веретена деления (рис. 18).

Метафаза II. Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости, образуется метафазная пластинка. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (рис. 19).

Анафаза II. Центромеры каждой из хромосом делятся, и хроматиды расходятся к противоположным полюсам (рис. 20).

Телофаза II. Хромосомы деспирализуются, растягиваются и становятся плохо различимыми (рис. 21). Вокруг каждого ядра, которые теперь содержат гаплоидный набор хромосом, вновь образуется ядерная оболочка. В результате последующего деления цитоплазмы, из одной родительской клетки получаются четыре дочерние, гаплоидные клетки (рис. 21).

Мейоз необходим не только для сохранения постоянства числа хромосом при половом размножении, но и для увеличения генетического разнообразия половых клеток, поскольку в результате кроссинговера образуются комбинированные хромосомы, несущие гены отца и матери. Таким образом, мейоз лежит в основе комбинативной изменчивости.

Список литературы

1. А.А. Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник. Общая биология, 10–11 класс. – М.: Дрофа, 2005. По ссылке скачать учебник: (Источник).

2. Д.К. Беляев. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е издание, стереотипное. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с. (Источник).

3.  В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, Е.Т. Захарова. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень. – 5-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2010. – 388 с. (Источник). 

4.  В.И. Сивоглазов, И.Б. Агафонова, Е.Т. Захарова. Биология 10–11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е издание, дополненное. – М.: Дрофа, 2010. – 384 с. (Источник).

5. И.Н. Пономарева, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина, П.В. Ижевский. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 2-е издание, переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 с. (Источник). 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. School-collection.edu.ru (Источник).  

2. Humbio.ru (Источник).   

Домашнее задание

1. Сравните митоз и мейоз. Из каких фаз они состоят? Что происходит во время каждой из этих фаз? Ответ выполните в виде таблицы.

2. Какова роль мейоза в передаче наследственных признаков?

3. Что такое кроссинговер? Когда он происходит? Какое значение в жизнедеятельности организмов имеет?

4. Объясните понятия «диплоидный», «гаплоидный», «триплоидный». Как эти понятия связаны с генетическими заболеваниями человека? Приведите примеры.

5. Опишите стадии профазы 1 мейоза. Чем важна профаза 1?