Поділ – це найважливіша властивість клітин, без нього були б неможливі зростання та розвиток багатоклітинних організмів, заміна та відновлення окремих клітин, тканин або навіть цілих органів.
Запитання 2. Назвіть основні типи поділу клітин.
Запитання 3. Що таке мітоз?
Мітоз – непрямий поділ клітини, найбільш поширений спосіб репродукції еукаріотів.
Питання 4. Що відбувається у клітці перед розподілом?
У період між поділами клітина росте і готується до нового поділу. Саме тоді у ній утворюється багато білків, найважливіші органоїди подвоюються. Подвоюються і хромосоми: тепер кожна складається із двох дочірніх хромосом, або хроматид.
Запитання 5. Де знаходяться хромосоми?
У період між розподілами хромосоми перебувають у ядрі. Під час поділу вони переміщуються у цитоплазмі.
Запитання 6. Що таке хроматида?
Хроматида – структурний елемент хромосоми, що формується в період між поділами клітини внаслідок подвоєння хромосом.
Запитання 7. Що таке мейоз?
Мейоз – тип поділу клітини, в результаті якого з однієї материнської клітини утворюються не дві, а чотири клітини, кожна з яких має вдвічі менше порівняно з материнською клітиною кількість хромосом.
Питання 8. Виділіть критерії для порівняння процесів мітозу та мейозу. Обговоріть їх із однокласниками. Проведіть порівняння та складіть таблицю.
Питання 9. Яка біологічна роль мітозу та мейозу?
Без мітозу були б неможливі зростання та розвиток багатоклітинних організмів, заміна та відновлення окремих клітин, тканин або навіть цілих органів.
Мейоз пов'язаний із розмноженням, в результаті його утворюються клітини з одинарним набором хромосом: у тварин – статеві клітини, а у рослин – суперечки.
Запитання 10. Наведіть приклади явищ, які пояснюються поділом клітин.
Ранки на тілі людини гояться завдяки поділу клітин. Організм зростає і збільшується у розмірах завдяки поділу клітин.
У одноклітинних організмів поділ клітин – це найчастіше єдиний шлях розмноження організму. У багатоклітинних організмів розподіл клітин – це невід'ємний процес індивідуального розвитку та самооновлення. Особливий вид поділу клітин мейоз – процес, у якому виникають статеві клітини. Статеві клітини не діляться, а зливаються в одну і з цієї клітини розвивається новий організм шляхом поділу. Без поділу клітин у принципі неможливо уявити життя Землі, навіть для вірусів, котрим клітини, що діляться – шлях розмноження.
Парність, індивідуальність хромосом
У процесі поділу клітини добре помітні хромосоми, які суттєво відрізняються у кожного виду живих організмів. Важливу роль грає їх кількість, особливості будови, форма, і навіть розмір. До кожного виду тварин і рослин властивий свій набір хромосом, які у науковому середовищі називаються каріотипом.
Органи і тканини складаються з різних клітин, які мають певний період життя. Кожна їх по-своєму зростає і розвивається, забезпечуючи цим життєдіяльність всього організму. Тривалість мітотичного періоду має свої відмінності. Наприклад, клітини шкірного покриву та крові змушені ділитися один раз на добу, а от нейрони піддаються репродукції тільки у новонароджених.
У багатоклітинному організмі обов'язково присутні статеві (гамети) та соматичні клітини. В останньому випадку всі хромосоми представлені попарно, через що цей феномен називають диплоїдним. Всі вони можуть мати однаковий розмір, будову і форму, через що будуть називатися гомологічними. Кожен ген присутній у подвійному екземплярі. А ось у статевих гаметах кількість хромосом знижена вдвічі.
Галоїдним прийнято називати набір статевих клітин, коли всі хромосоми знаходяться в одинарному числі. Всі ці нюанси можна побачити під мікроскопом. Потрібно також розуміти, що хромосома складається із молекули ДНК, центроміру, білка, сестринських хроматидів.
Стадії мітозу
Неможливо уявити розвиток організму без поділу клітин, оскільки цей процес використовується як основа. Мітоз здатний здивувати своїми властивостями. У процесі природного поділу диплоїдної соматичної клітини утворюються дві дочірні одиниці, у яких закладено однакову генетичну інформацію. Кількість хромосом дорівнює. Це означає, що завдяки мітозу можна зберегти наступність між усіма поколіннями клітин-еукаріотів. Біологи виділяють 4 стадії цього процесу: профаза, метафаза, анафаза та телофаза.
У рамках шкільної програми у 10 класі у підручниках коротко описано кілька основних стадій мітозу, для кожної з яких властиві свої відмінності:
- Профаза. На цій стадії відбувається розчинення ядра та його оболонки. Завдяки цьому вдається домогтися розбіжності центріолей і сформувати спеціальні мікротрубочки. У хромосомах збільшується концентрація хроматид, рахунок чого зароджується основна клітинна одиниця.
- Метафаза.Формування метафазної пластини відбувається внаслідок вибудовування хроматиду у веретено. Нитки центріолей поступово розтягуються до полюсів клітини, а також прикріплюються до центромірів.
- Анафаза. Найтриваліший процес. Пари хромосом і хроматид розходяться різними полюсами, оскільки у період вони можуть самостійно існувати.
- Телофаза. Фінальна стадія поділу клітин. Хромосоми повертаються до свого стандартного розміру, покриваються новою ядерною оболонкою. Поступово зникають нитки веретену. Після пройдених етапів відбувається збільшення цитоплазми.
У науковій літературі можна знайти розгорнуту інформацію у тому, із скількох фаз складається мітоз. Наприклад, перед профазою обов'язково є препрофаза, оскільки саме цей етап відповідає за підготовку до майбутнього поділу клітин. А ось прометафаза знаходиться між профазою та метафазою. Всі ці нюанси дозволяють більш поглиблено вивчити тему та зрозуміти, який сенс та біологічну цінність має мітоз.
Але багато біологів звикли поєднувати прометофазу, препрофазу в одну стадію — профазу, що на практиці набагато зручніше.
Основні функції
У багатоклітинних організмів перший етап їхнього життя починається з єдиної клітини, яка виникла завдяки двом гаметам. У такій зиготі природою закладена вся ДНК-інформація, яка знадобиться у розвиток повноцінного організму. Суть використання мітозу у тому, що з допомогою цього нескладного процесу утворюється колонія клітин — бластул.
Поступово гамети починають диференціюватись, завдяки чому у них з'являється можливість виконувати різні завдання. На фінальному етапі злагоджено функціонуючий організм може бути виведений або народжений.Такий підхід активно застосовується біологами та іншими фахівцями, які працюють над створенням витриваліших рослин, тварин.
Одноклітинні організми використовують мітоз для рівномірного розподілу своєї ДНК та розмноження. Але не виключено розмноження статевим шляхом. У цьому випадку використовується дещо інший процес – мейоз. У заплідненій гаметі міститься одразу два набори геномів, які необхідні для нормального розвитку організму. Якщо мова стосується гаплоїдних видів, тоді потрібно врахувати, що вони мають лише одну копію ДНК.
Особливості поділу клітин
Зменшити ймовірність передчасного старіння, і навіть розділити конкретний індивід на напівнезалежні одиниці дозволяє розподіл клітин. Цей процес набув поширення в біології, тому що з його допомогою можна не тільки підтримувати життя, а й змусити організм розвиватися далі. Розподіл клітин можна описати двома способами:
- Мітоз. У цьому випадку ядро піддається різним складним змінам, перш ніж воно буде розділене на дві дочірні зиготи.
- Амітоз. Тіло клітини і ядро біологічно піддаються простому поділу маси на дві рівні частини.
Амітоз використовується для безстатевого розмноження в безклітинних організмах. Наприклад, найпростіші бактерії. Прямий поділ також є методом розмноження та подальшого зростання в плодових оболонках хребетних. І тут розщеплення ядра завжди супроводжується специфічним цитоплазматичним звуженням. Цей процес має своє пояснення. При амітозі ядро спочатку трохи подовжується, а на фінальному етапі набуває форми гантелі. Присутнє звуження чи поглиблення ділить ядро дві рівні частини.Після цього відбувається стиск цитоплазми. Без виникнення ядерної події утворюються одразу дві дочірні одиниці.
Для мітозу властиві свої нюанси. Клітина ділиться на дві частини, які на генетичному рівні однакові. Цей тип клітинного поділу актуальний у тому випадку, якщо організм повинен зберегти всі свої функції та вижити у важких умовах. Існують різні причини, через які може знадобитися мітоз. Все залежить від бажаної біологічної функції. Наприклад, коли в тканинах печінки одні клітини серйозно пошкоджені або вже загинули, інші продовжують ділитися, щоб відновити колишній стан органу.
Якщо створити необхідні біохімічні та екологічні сигнали, то в результаті клітини зможуть суттєво змінитись. Сенс таких дій у тому, що після докладених зусиль організм отримає певну пластичність і навіть безсмертя.
Біологічне значення
У науковому середовищі мітоз отримав великий попит, тому що за його допомогою можна скопіювати генетичний код, щоб передати його всім наступним поколінням. Цей процес є унікальним. Його сутність у цьому, що у ядрі завжди підтримується певну кількість хромосом, які рівномірно розподілені між присутніми дочірніми клітинами. Для нарощування рослинних тканин використовується розподіл мітотичного типу. У живих організмів мітоз надійно захований в основі своєрідного дроблення заплідненої яйцеклітини та росту тканин. Це справжнє досягнення науки, яке регулярно використовується у лабораторних умовах.
Основне значення мітозу полягає у збільшенні числа клітин, що дозволяє досягти наступних результатів:
- Поступове зростання, розвиток живих організмів.Саме завдяки мітозу із звичайної одноклітинної зиготи може вирости багатоклітинний організм. Розподіл клітин лежить в основі ембріонального розвитку.
- Поетапна регенерація. Деякі організми під впливом мітозу можуть відновлюватися навіть у тому випадку, якщо вціліла лише одна частина тіла. Наприклад, морська зірка може задіяти свої природні можливості для того, щоб повернутися до нормального стану всього одного променя. У людини добре регенерується шкірний покрив, а ось у ящірок може відрости хвіст.
- Заміна наявних клітин. У процесі життєдіяльності багато ділянок тіла та складові елементи організму потребують періодичної заміни. Це стосується клітин шкірного покриву, еритроцитів, епітелію кишківника.
- При вирощуванні рослин стало доступним безстатеве (вегетативне) розмноження. Серед тваринного світу за допомогою мітозу може розмножуватися гідра. Після проведених лабораторних досліджень було виявлено, що нова особина розвивається завдяки брунькуванню, яке відбувається за рахунок розподілу та постійного збільшення кількості клітин.
Вперше мітоз був описаний німецьким вченим В. Флеммінг ще в XIX столітті. В основі цього процесу лежить прагнення досягти утворення дочірніх клітин із абсолютно ідентичною генетичною інформацією. Непряме розподіл є основою розвитку, зростання, регенерації, і навіть безстатевого розмноження живих організмів.
Непрямий поділ клітин-еукаріотів, що містять ядро, називають мітозом. У цій статті Ви дізнаєтесь, у чому полягає біологічне значення мітозу, історію дослідження цього процесу.
Стадії мітозу
Індивідуальний розвиток будь-якого живого організму неможливий без процесу розподілу клітин.Унікальність мітозу полягає в тому, що під час поділу диплоїдної соматичної клітини утворюється дві дочірні клітини, які мають однакову генетичну інформацію і мають однакову кількість хромосом. Тобто зберігається наступність між поколіннями клітин-еукаріотів.
Весь процес складається із чотирьох стадій:
У деяких джерелах можна знайти розгорнутий перелік фаз мітозу. Так, наприклад, профазе передує препрофаза, так звана підготовка до поділу. А також між профазою та метафазою розглядають етап прометафази. Однак більшість вчених поєднують препрофазу, профазу та прометафазу в одну єдину стадію – профазу.
Історія дослідження процесу
Вперше згадки про процес розподілу клітин зустрічаються у науковій літературі 1870 року. Але ці описи були неповними і стосувалися лише зміни поведінки ядер усередині клітини.
Перші спроби дослідити цей процес належать російським вченим Руссову, Чистякову, а також німецькому вченому Шнейдеру.
які читають разом з цією
Мал. 2. Вальтер Флемінг
Біологічне значення мітозу
Ключовою роллю мітозу є копіювання генетичного коду та передача його наступним поколінням. Завдяки цьому процесу в ядрі підтримується постійне число хромосом, яке однаково розподіляється між дочірніми клітинами. За допомогою мітотичного поділу нарощуються клітини рослинних тканин. У тварин організмів мітоз лежить в основі дроблення заплідненого яйця та росту тканин.
Крім цього біологічним змістом мітозу є:
Завдяки цьому процесу з одноклітинної зиготи розвивається та росте багатоклітинний організм. Мітоз є основою ембріонального розвитку.
Деякі ділянки тіла у процесі життєдіяльності потребують постійного оновлення, наприклад, клітин шкіри, епітелій кишечника, еритроцити.
За допомогою мітозу деякі організми можуть відновлюватись із однієї частини тіла. Наприклад, морська зірка може відновитися лише з одного свого променя. У ящірки може відрости новий хвіст, у людини відновлюються ділянки шкіри.
Цей процес лежить в основі вегетативного розмноження рослин. У тварин за допомогою мітозу розмножується гідра. Нова особина утворюється способом брунькування, яке неможливе без поділу та збільшення числа клітин. Черв'яки, які теж є тваринами, розмножуються фрагментацією, в основі якої теж лежить мітоз.
Що ми дізналися?
Поділ клітин – це природний процес, який забезпечує нормальне зростання, розвиток та розмноження організму. За рахунок цього збільшується кількість клітин, здійснюється зростання тканин, статеве розмноження та передача спадкового матеріалу. Основні типи поділу клітин – це мейоз та мітоз. Кожен із цих процесів має деякі особливості.
Мітоз
Мітоз – це поділ клітин, в результаті якого з материнської клітини утворюється дві дочірні з ідентичною кількістю і порядком хромосом. Подібні процеси постійно відбувається із соматичними клітинами організму, забезпечуючи зростання, розвиток, регенерацію тканин та органів.
Життєвий цикл клітини можна розділити на інтерфазу та мітоз. Інтерфаза – це так звана стадія спокою, під час якої йде активний синтез та накопичення необхідних для поділу клітин речовин. Ближче до початку мітозу відбувається подвоювання кількості хромосом.
Мітоз прийнято розділяти на чотири основні стадії.
- Профаза. У цей час можна побачити початок конденсації хромосом. Дві ідентичні хромосоми поєднуються між собою однією центромірою. На початку профази відбувається розподіл центріолі. Тепер дві дочірні центріолі починають повільно розходитися до двох протилежних сторін клітини. При цьому вони залишаються пов'язаними тонкими білковими нитками – так формується веретено поділу. До кінця цієї стадії хромосоми сильно коротшають і стають товстішими і рухаються до екватора клітини.
- Метафаза – дуже коротка стадія, яка починається з вибудовування хромосом екватором клітини. Приблизно в той же час одночасно у всіх хромосомах відбувається розподіл центроміру.
- Анафаза – нитка веретена поділу кріпиться в центромірі хромосоми. У цей час дочірні хромосоми повільно рухаються до протилежних полюсів. Вважається, що нитки веретена розподілу як направляють хромосоми, а й завдяки наявності АТФ скорочуються, прискорюючи їх розбіжність.
- Телофаза починається в той момент, коли хромосоми вже розійшлися до полюсів. Вони розкручуються і стають менш помітними – повертаються у стан спокою. Навколо скупчення хроматину відбувається синтез нової ядерної оболонки. Паралельно з цим відбувається поділ клітин — цитоплазма та органели порівну поділяються між дочірніми утвореннями.
Мейоз
Мейоз – це спосіб поділу клітин, під час якого утворюється чотири гамети з одинарним набором хромосом. Такі процеси відбуваються під час утворення статевих клітин – сперматозоїдів, яйцеклітин (у рослини таким чином відбувається утворення спор). Подібні процеси забезпечують обмін генетичним матеріалом та комбінаторну мінливість.При злитті двох гамет, кожна з яких містить половину генетичного матеріалу, кількість хромосом відновлюється, але їх послідовність змінюється.
Процес утворення гамет складається з двох коротких мейотичних поділів, у кожному з яких можна виділити всі вищеописані стадії. Але між двома поділами немає вираженої інтерфази, і синтез ДНК не відбувається. Отже, до другої профази вступає дві клітини з одинарним набором хромосом (у людини це 46). Результат другого поділу – це 4 гамети, які мають по 23 хромосоми.
Амітоз
Амітоз – це нехарактерний поділ клітин, який спостерігається досить рідко. У цьому клітина зберігає все фізіологічні функції. Під час цього процесу не відбувається подвоювання генетичного матеріалу та поділу клітини. Діляється лише ядро, але без утворення веретена поділу. Внаслідок такого процесу хромосоми розходяться у випадковому порядку — утворюється багатоядерна клітина. Варто зазначити, що амітоз, як правило, зустрічається або в клітинах, що старіють і вмирають, або в патологічно змінених структурах (пухлинні клітини).
Усі клітини з'являються шляхом поділу батьківських клітин. Більшості клітин властивий клітинний цикл, що складається з двох основних стадій: інтерфази та мітозу.
Інтерфаза складається із трьох етапів. Протягом 4-8 годин після народження клітка збільшує свою масу. Деякі клітини (наприклад, нервові клітини мозку) назавжди залишаються у цій стадії, в інших протягом 6–9 годин подвоюється хромосомна ДНК. Коли маса клітини збільшується вдвічі, починається мітоз.
У типовій тваринній клітині мітоз відбувається так.У профазу центріолі подвоюються, дві центріолі, що утворилися, починають розходитися до різних полюсів клітини. Ядерна мембрана руйнується. Спеціальні мікротрубочки вишиковуються від однієї центріолі до іншої, утворюючи веретено поділу. Хромосоми роз'єднуються, але все ще залишаються попарно зчепленими.
Наступна після профази стадія називається метафазою. Хромосоми, які привертають нитки веретена, вишиковуються в екваторіальній площині клітини. Центроміри, що скріплювали хромосоми, діляться, після чого дочірні хромосоми повністю роз'єднуються.
Хромосоми клітини людини безпосередньо перед розподілом ядра (збільшення у 950 разів). Добре помітно, що пари хромосом все ще пов'язані між собою центромірами.
У стадії анафази хромосоми переміщуються до полюсів клітини. Коли хромосоми досягають полюсів, починається телофаза. Клітина ділиться надвоє в екваторіальній площині, нитки веретена руйнуються, навколо хромосом формуються ядерні мембрани. Кожна дочірня клітина отримує власний набір хромосом і повертається до стадії інтерфази. Весь процес триває близько години.
Процес мітозу може змінюватись в залежності від типу клітини. У рослинній клітині відсутні центріолі, хоча веретено поділу утворюється. У грибних клітинах мітоз відбувається усередині ядра, ядерна мембрана не розпадається.
Цитокінез на завершальній стадії у тваринній клітині
Наявність хромосом не є необхідною умовою поділу клітини. З іншого боку, один або кілька мітозів можуть зупинятися на стадії телофази, внаслідок чого виникають багатоядерні клітини (наприклад, деякі водорості).
Розмноження за допомогою мітозу називають безстатевим або вегетативним, а також клонуванням. При мітоз генетичний матеріал батьківських і дочірніх клітин ідентичний.
Мейоз, на відміну мітозу, є важливим елементом статевого розмноження. При мейозі утворюються клітини, що містять лише один набір хромосом, що уможливлює подальше злиття статевих клітин (гамет) двох батьків. По суті, мейоз є різновидом мітозу. Він включає два послідовні поділки клітини, проте хромосоми подвоюються тільки в першому з цих поділів. Біологічна сутність мейозу полягає у зменшенні числа хромосом у два рази та утворенні гаплоїдних гамет (тобто гамет, що мають по одному набору хромосом).
В результаті мейотичного поділу у тварин утворюються чотири гамети. Якщо чоловічі статеві клітини мають приблизно однакові розміри, то при утворенні яйцеклітин розподіл цитоплазми відбувається дуже нерівномірно: одна клітина залишається великою, а решта трьох настільки малі, що їх майже повністю займає ядро. Ці дрібні клітини служать лише розміщення надлишкового генетичного матеріалу.
Чоловічі та жіночі гамети зливаються, утворюючи зиготу. Хромосомні набори при цьому поєднуються (цей процес називається сингамією), внаслідок чого в зиготі відновлюється подвійний набір хромосом – по одному від кожного з батьків. Випадкова розбіжність хромосом та обмін генетичним матеріалом між гомологічними хромосомами призводять до виникнення нових комбінацій генів, підвищуючи генетичну різноманітність. Зигота, що утворилася, розвивається в самостійний організм.
Останнім часом проводилися експерименти зі штучного злиття клітин одного або різних видів. Зовнішні поверхні клітин склеювалися разом, а мембрана з-поміж них руйнувалася. Таким чином вдалося отримати гібридні клітини миші та курча, людини та миші.Однак при наступних поділах клітини втрачали більшість хромосом одного з видів.
В інших експериментах клітина поділялася на компоненти, наприклад, ядро, цитоплазму та мембрану. Після цього компоненти різних клітин знову з'єднували разом, і в результаті виходила жива клітина, що складається з компонентів різних видів клітин. У принципі, досліди зі збирання штучних клітин можуть стати першим кроком на шляху до створення нових форм життя.