Мейоз і його фази. Характеристика фаз мейозу. Розмноження організмів. Подібності мітозу і мейозу

Про живих організмах відомо, що вони дихають, харчуються, розмножуються і гинуть, в цьому полягає їх біологічна функція. Але за рахунок чого це все відбувається? За рахунок цеглинок - клітин, які теж дихають, харчуються, гинуть і розмножуються. Але як це відбувається?

Про будову клітин

Будинок складається з цегли, блоків або колод. Так і організм можна розділити на елементарні одиниці - клітини. Все розмаїття живих істот складається саме з них, відміну лежить лише в їх кількості і видах. З них складаються м`язи, кісткова тканина, шкіра, всі внутрішні органи - настільки сильно вони різняться у своєму призначенні. Але незалежно від того, які функції виконує та чи інша клітина, всі вони влаштовані приблизно однаково. Перш за все, у будь-якого "цеглинки" є оболонка і цитоплазма з розташованими в ній органоїдами. Деякі клітини не мають ядра, їх називають прокариотическими, проте всі більш-менш розвинені організми складаються з еукаріотичних, що мають ядро, в якому зберігається генетична інформація.

Органели, розташовані в цитоплазмі, різноманітні і цікаві, вони виконують важливі функції. У клітинах тваринного походження виділяють ендоплазматичну мережу, рибосоми, мітохондрії, комплекс Гольджи, центриоли, лізосоми і рухові елементи. За допомогою них і відбуваються всі процеси, які забезпечують функціонування організму.

Життєдіяльність клітин

Як вже було сказано, все живе харчується, дихає, розмножується і вмирає. Це твердження справедливо як для цілісних організмів, тобто людей, тварин, рослин і т. Д., Так і для клітин. Це дивно, але кожен "цеглинка" володіє своїм власним життям. За рахунок своїх органоїдів він отримує і переробляє поживні речовини, кисень, виводить все зайве назовні. Сама цитоплазма і ендоплазматична мережа виконують транспортну функцію, мітохондрії відповідають в тому числі за дихання, а також забезпечення енергією. Комплекс Гольджі займається нагромадженням і виведенням продуктів життєдіяльності клітини. Решта органели також беруть участь у складних процесах. І на певному етапі свого життєвого циклу клітина починає ділитися, тобто відбувається процес розмноження. Його варто розглянути більш докладно.

Процес поділу клітин

Розмноження - одна зі стадій розвитку живого організму. Те ж відноситься і до клітин. На певному етапі життєвого циклу вони входять у стан, коли стають готові до розмноження. Прокариотические клітини просто діляться надвоє, подовжуючись, а потім утворюючи перегородку. Цей процес простий і практично повністю вивчений на прикладі паличковидних бактерій.

З еукариотическими клітинами все трохи складніше. Вони розмножуються трьома різними способами, які називаються амитоз, мітоз і мейоз. Кожен з цих шляхів має свої особливості, він властивий певному виду клітин. Амітоз вважається найпростішим, його також називають прямим бінарним поділом. При ньому відбувається подвоєння молекули ДНК. Однак веретено поділу не утворюється, так що цей спосіб є найбільш енергетично економічним. Амітоз спостерігається в одноклітинних організмів, у той час як тканини багатоклітинних розмножуються за допомогою інших механізмів. Однак він іноді спостерігається і там, де знижена мітотична активність, наприклад, в зрілих тканинах.

Іноді пряме поділ виділяють як різновид мітозу, однак деякі вчені вважають це окремим механізмом. Протікання цього процесу навіть у старих клітинах відбувається досить рідко. Далі будуть розглянуті мейоз і його фази, процес мітозу, а також подібності та відмінності цих способів. У порівнянні з простим поділом вони більш складні і досконалі. Особливо це стосується редукційного поділу, так що характеристика фаз мейозу буде найбільш докладною.

Важливу роль в розподілі клітини мають центриоли - спеціальні органели, як правило, розташовані поруч з комплексом Гольджі. Кожна така структура складається з 27 мікротрубочок, згрупованих по три. Вся конструкція має циліндричну форму. Центриоли безпосередньо беруть участь у формуванні веретена поділу клітини в процесі непрямого поділу, про який мова піде далі.

Митоз

Тривалість існування клітин розрізняється. Деякі живуть пару днів, а якісь можна віднести до довгожителів, оскільки їх повна зміна відбувається дуже рідко. І практично всі ці клітини розмножуються за допомогою мітозу. У більшості з них між періодами поділу проходить в середньому 10-24 години. Сам мітоз займає невеликий період часу - у тварин приблизно 0,5-1 годину, а у рослин близько 2-3. Цей механізм забезпечує зростання клітинної популяції і відтворення ідентичних за своєму генетичному наповненню одиниць. Так дотримується спадкоємність поколінь на елементарному рівні. При цьому число хромосом залишається незмінним. Саме цей механізм є найбільш поширеним варіантом репродукції еукаріотичних клітин.

Значення цього виду поділу велике - цей процес допомагає рости і регенерувати тканинам, за рахунок чого відбувається розвиток всього організму. Крім того, саме мітоз лежить в основі безстатевого розмноження. І ще одна функція - переміщення клітин і заміна вже віджилих. Тому вважати, що через те, що стадії мейозу складніше, то і його роль набагато вище, неправильно. Обидва ці процесу виконують різні функції і по-своєму важливі і незамінні.

Мітоз складається з декількох фаз, що розрізняються за своїми морфологічними особливостями. Стан, у якому клітина знаходиться, будучи готовою до непрямого поділу, називають інтерфазою, а безпосередньо процес розділяється ще на 5 стадій, які необхідно розглянути докладніше.

Фази мітозу

Перебуваючи в інтерфазі, клітина готується до поділу: відбувається синтез ДНК і білків. Ця стадія підрозділяється на ще кілька, в ході яких відбувається зростання всієї структури і подвоєння хромосом. У цьому стані клітина перебуває до 90% всього життєвого циклу.

Інші 10% займає безпосередньо поділ, поділяють на 5 стадій. При мітозі клітин рослин також виділяється препрофаза, яка відсутня у всіх інших випадках. Відбувається утворення нових структур, ядро переміщується до центру. Формується препрофазная стрічка, розмічають передбачуване місце майбутнього поділу.

У всі же інших клітинах процес мітозу проходить наступним чином:

Таблиця 1

Після завершення поділу генетичної інформації відбувається цитокинез або цитотомія. Під цим терміном мається на увазі освіту тел дочірніх клітин з тіла материнської. При цьому органели, як правило, діляться навпіл, хоча можливі виключення, утворюється перегородка. Цитокинез не виділяють в окрему фазу, як правило, розглядаючи його в рамках телофази.

Отже, в найцікавіших процесах задіяні хромосоми, які несуть генетичну інформацію. Що ж це таке і чому вони так важливі?

Про хромосомах

Ще не маючи ні найменшого поняття про генетику, люди знали, що багато якості потомства залежать від батьків. З розвитком біології стало очевидно, що інформація про той чи інший організмі зберігається в кожній клітині, і частина її передається майбутнім поколінням.

В кінці 19 століття були відкриті хромосоми - структури, які з довгою молекули ДНК. Це стало можливо з удосконаленням мікроскопів, і навіть зараз розглянути їх можна лише в період поділу. Найчастіше відкриття приписують німецькому вченому В. Флемінгу, який не тільки упорядкував все те, що було вивчено до нього, але і вніс свій внесок: він одним з перших досліджував клітинну структуру, мейоз і його фази, а також ввів термін "мітоз". Саме поняття "хромосома" було запропоновано трохи пізніше іншим ученим - німецьким гістологом Г. Вальдейером.

Структура хромосом в момент, коли вони чітко видно, досить проста - вони являють собою дві хроматиди, з`єднані посередині центромерой. Вона є специфічною послідовністю нуклеотидів і відіграє важливу роль в процесі розмноження клітин. Зрештою хромосома зовні в профазі і метафазі, коли її можна найкраще розгледіти, нагадується букву Х.

У 1900 році були відкриті закони Менделя, описують принципи передачі спадкових ознак. Тоді стало остаточно ясно, що хромосоми - це саме те, за допомогою чого передається генетична інформація. Надалі вченими був проведений ряд експериментів, що доводять це. І тоді предметом вивчення стало і той вплив, котроє на них чинить розподіл клітини.

Мейоз

На відміну від мітозу цей механізм в підсумку призводить до утворення двох клітин з набором хромосом в 2 рази менше вихідного. Таким чином процес мейозу служить переходом від диплоидной фази до гаплоидной, причому в першу чергу мова йде про поділ ядра, а вже в другу - всієї клітини. Відновлення ж повного набору хромосом відбувається в результаті подальшого злиття гамет. У зв`язку зі зменшенням кількості хромосом цей метод ще визначають як редукційний розподіл клітини.

Мейоз і його фази вивчали такі відомі вчені, як В. Флемінг, Е. Страсбургрер, В. І. Бєляєв та інші. Дослідження цього процесу в клітинах як рослин, так і тварин, триває досі - настільки він складний. Спочатку цей процес вважався варіантом мітозу, однак практично відразу після відкриття він все-таки був виділений як окремий механізм. Характеристика мейозу і його теоретичне значення були вперше в достатній мірі описані Августом Вайсманом ще в 1887 році. З тих пір вивчення процесу редукційного поділу сильно просунулося, але зроблені висновки поки не були спростовані.

Мейоз не слід плутати з Гаметогенез, хоча обидва ці процеси тісно пов`язані. В освіті статевих клітин беруть участь обидва механізму, проте між ними є ряд серйозних відмінностей. Мейоз відбувається у дві стадії поділу, кожна з яких складається з 4 основних фаз, між ними є коротка перерва. Тривалість всього процесу залежить від кількості ДНК в ядрі і структури хромосомної організації. В цілому він набагато більш тривалий у порівнянні з митозом.

До речі, одна з основних причин значного видового різноманіття - саме мейоз. Набір хромосом в результаті редукційного поділу розбивається надвоє, так що з`являються нові комбінації генів, в першу чергу потенційно підвищують пристосовуваність і адаптивність організмів, у результаті отримують ті чи інші набори ознак і якостей.

Фази мейозу

Як уже було згадано, редукционное клітинний розподіл умовно ділять на дві стадії. Кожна з цих стадій розділена ще на 4. І перша фаза мейозу - профаза I в свою чергу поділяється ще на 5 окремих етапів. Оскільки вивчення цього процесу продовжується, в подальшому можуть бути виділені й інші. Зараз же розрізняють такі фази мейозу:

Таблиця 2

Отже, очевидно, що фази поділу мейозу набагато складніше, ніж процес мітозу. Але, як уже було згадано, це не применшує біологічної ролі непрямого поділу, оскільки вони виконують різні функції.

До речі, мейоз і його фази спостерігаються і у деяких найпростіших. Однак, як правило, він включає в себе лише одну поділку. Передбачається, що така одноступенева форма пізніше розвинулася в сучасну, двоступеневу.

Відмінності і подібності мітозу і мейозу

На перший погляд здається, що відмінності двох цих процесів очевидні, адже це зовсім різні механізми. Однак при більш глибокому аналізі виявляється, що відмінності мітозу і мейозу не так вже глобальні, врешті-решт вони призводять до утворення нових клітин.

Перш за все варто поговорити про те, що є спільного у цих механізмів. По суті збігу всього два: в однаковій послідовності фаз, а також у тому, що перед обома видами поділу відбувається реплікація ДНК. Хоча, що стосується мейозу, до початку профази I цей процес не завершується повністю, закінчуючись на одній з перших подстадий. А послідовність фаз хоч і аналогічна, але, по суті, що відбуваються в них події збігаються не повністю. Так що подібності мітозу і мейозу не так вже й численні.

Відмінностей ж набагато більше. Перш за все, мітоз відбувається в соматичних клітинах, в той час як мейоз тісно пов`язаний з утворенням статевих клітин і спорогенеза. У самих фазах процеси не повністю збігаються. Наприклад, кроссинговер в мітозі відбувається під час інтерфази, і то не завжди. У другому ж випадку на цей процес доводиться анафаза мейозу. Рекомбінація генів в непрямому розподілі зазвичай не здійснюється, а значить, він не грає ніякої ролі в еволюційному розвитку організму і підтримці внутрішньовидового різноманіття. Кількість одержані в результаті мітозу клітин - дві, і вони в генетичному сенсі ідентичні материнській і володіють диплоїдним набором хромосом. Під час редукційного поділу все інакше. Результат мейозу - 4 гаплоїдних клітини, відрізняються від материнської. Крім того, обидва механізму значно різняться за тривалістю, і це пов`язано не тільки з різницею в кількості ступенів поділу, але і тривалістю кожного з етапів. Наприклад, перша профаза мейозу триває набагато довше, адже в цей час відбувається кон`югація хромосом і кросинговер. Саме тому її додатково ділять на кілька стадій.

У загальному і цілому подібності мітозу і мейозу досить незначні в порівнянні з їх відмінностями один від одного. Переплутати ці процеси практично неможливо. Тому зараз навіть трохи дивує те, що редукційний розподіл раніше вважалося різновидом мітозу.

Наслідки мейозу

Як уже було згадано, після закінчення процесу редукційного поділу, замість материнської клітини з диплоїдним набором хромосом утворюються чотири гаплоїдних. І якщо говорити про відмінності мітозу і мейозу - це найзначніше. Відновлення необхідної кількості, якщо мова йде про статевих клітинах, відбувається після запліднення. Таким чином, з кожним новим поколінням не відбувається подвоєння кількості хромосом.

Крім того, під час мейозу відбувається рекомбінація генів. У процесі розмноження це призводить до підтримання внутрішньовидового різноманіття. Так що той факт, що навіть рідні брати і сестри деколи сильно відрізняються один від одного - саме результат мейозу.

До речі, стерильність деяких гібридів у тваринному світі - теж проблема редукційного поділу. Справа в тому, що хромосоми батьків, що належать до різних видів, не можуть вступити в кон`югацію, а значить, процес утворення повноцінних життєздатних статевих клітин неможливий. Таким чином, саме мейоз лежить в основі еволюційного розвитку тварин, рослин та інших організмів.