Природа создала несколько способов деления клеток, одним из них является мейоз. Он представляет собой процесс, во время которого из соматической клетки образуется четыре гаметы (половые клетки с одинарным набором хромосом). Они отличаются комбинациями генов и редуцированными наборами хромосом. Без этого процесса половое размножение многоклеточных живых организмов просто невозможно. В этом и заключается биологическое значение мейоза.
Общая информация
При половом размножении после слияния двух гамет образуется зигота. Именно из этой клетки затем и развивается дочерний организм. Родительские половые клетки имеют определенный гаплоидный набор (n) хромосом. После их соединения число хромосом в зиготе увеличивается и становится диплоидным (2n). При этом каждая пара гомологических хромосом имеет по одной материнской и отцовской хромосоме. Так кратко можно описать сущность процесса формирования диплоидных клеток из гаплоидных, который и называется мейоз.
Уже в 1883 году ученые при изучении оплодотворения и предзародышевого развития (гаметогеноз) у червей обнаружили одну закономерность — яйцеклетки и сперматозоиды содержат в два раза меньше хромосом в сравнении с зиготой. Во время дальнейшего внимательного изучения гаметогенеза был обнаружен новый вид деления клеток — мейоз. На установление главных закономерностей этого процесса было затрачено около 50 лет.
Фазы мейоза
Процесс деления клеток состоит из двух последовательных этапов. Они называются первое деление (мейоз I) и вторичное деление (мейоз II). Между этими этапами существует укороченная интерфаза, названная интеркинезом. Каждый этап деления состоит из 4 фаз. Для мейоза I это:
- профаза I;
- метафаза I;
- анафаза I;
- телофаза I.
Мейоз II, в свою очередь, составляют соответственно профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II. В ходе всех этих делений в клетках происходят серьезные изменения. Среди них следует отметить:
- перестройку цитоплазмы и структуры ядер;
- деконденсацию и конденсацию ДНК;
- синтез и распад протеиновых комплексов.
Каждый этап мейоза требует более детального рассмотрения.
Первое деление
В мейоз могут вступать только определенные соматические клеточки после завершения интерфазы. Профаза I является самым сложным процессом. Это связано с тем, что именно на этой стадии происходит распределение генетического материала. У человека профаза I длиться чуть более 22 дней и состоит из 5 стадий:
- Лептотена. Хромосомы становятся короче, конденсируются и спирализируются. В результате их можно рассмотреть в световой микроскоп. При этом в ядре хромосомы расположены хаотично.
- Зиготена. Происходит сближение гомологичных хромосом (процесс конъюгация). Новообразованные структуры получили название биваленты или тетрады, так как состоят из 4 хроматид.
- Пахитена. Хромосомы продолжают сближаться, и в некоторых местах происходит их скрещивание с последующим обменом короткими параллельными участками. В результате появляются хиазмы.
- Диплотена. Генетический материал частично деконденсируется и начинает использоваться. В этот момент наблюдается активное производство протеинов и РНК.
- Диакинез. Происходит повторное конденсирование. В результате ядерная оболочка исчезает, а центриоли перемещаются к разным полюсам. После этих изменений клетка готова к дальнейшему делению.
Если на этапе профаза I происходит подготовка к делению генетического материала, то во время метафазы I это делают остальные структуры клетки. Оболочка ядра растворена, биваленты находятся около полюсов, образуя тем самым метафазную пластину. Кроме этого к каждой хромосоме присоединяется веретено деления.
На стадии анафаза I веретено деления притягивает к полюсам по одной хромосоме из всех тетрад. В результате в клетке формируется 2 гаплоидных генома — по одному на полюс. Однако до завершения процесса деления цитоплазмы клетка продолжает оставаться диплоидной.
Телофаза I характеризуется делением цитоплазмы на две части. У растительных организмов этот процесс протекает благодаря достраиванию поперечной стенки в клетке. У представителей фауны мембрана цитоплазмы перешнуровывается. Также во время телофазы I происходит формирование ядер. В результате образуется две клеточки, в состав которых входит 2 хроматиды. При этом новообразованные клетки имеют только один вариант генов.
Второй этап
Второе деление начинается после непродолжительного интеркинеза — паузы. На этом этапе делиться начинают 2 клеточки, содержащие гаплоидные геномы. Для профазы II характерно разрушение мембран и ядер. Одновременно с этим наблюдаются следующие процессы:
- хромосомы уплотняются и конденсируются;
- клеточный экватор становится перпендикулярным относительно экватора первого деления;
- центриоли смещаются в направлении противоположных полюсов.
Во время метафазы II хромосомы размещаются в определенном порядке в плоскости экватора. При этом метафазные пластины расположены перпендикулярно друг к другу. Веретено деления связывает хроматиды и центриоли.
На следующем этапе (анафаза II) к каждому полюсу смещается одна дочерняя хроматида из каждой хромосомы. В делящейся клеточке создается два редуцированных генетических набора. Так как цитоплазма еще не разделилась, клетку следует считать гаплоидной.
Этап телофаза II завершает деление клетки. Именно в этот момент происходит разделение цитоплазмы и формирование мембран ядер. Из двух гаплоидных клеток создается 4 гаметы с разными комбинациями генов. У мужчин во время гаметогенеза цитоплазма поровну распределяется между четырьмя сперматозоидами. У женщин основная часть цитоплазмы смещается в направлении яйцеклетки. В остальных клетках (полярные тельца) основную часть свободного пространства занимают ядра.
Биологическое значение
Ознакомившись с процессом деления, остается выяснить, каково биологическое значение мейоза, и какую он играет роль в жизни эукариотов. Этот процесс крайне важен для многоклеточных организмов. Во время оплодотворения, при слиянии гамет, новый организм сохраняет признаки кариотипа, так как получает диплоидный генетический набор. При отсутствии мейоза при делении клеточек количество хромосом постоянно увеличивалось бы.
Кроме этого, биологический смысл мейоза заключается в следующем:
- способствует созданию спор у некоторых растений и грибов;
- обеспечивается комбинативная изменчивость организма;
- во время размножения сохраняется постоянное число генов;
- новому организму передается генетический код.
Особенность мейоза состоит в том, что дочерние (новообразованные) клетки не похожи на материнскую. Они обладают собственным генетическим материалом. В некоторых случаях при нарушении процесса деления возможны проблемы с развитием организма, не исключая даже его смерть.
