Учебник по Биологии. 9 класс. Соболь - Новая программа

Разнообразие живого мира - результат того, что кроме митоза в природе сформировался мейоз.

Основы системной биологии

§ 29. МЕЙОЗ. РЕКОМБИНАЦИЯ ДНК

Основные понятия и ключевые термины: МЕЙОЗ. РЕКОМБИНАЦИЯ ДНК.

Вспомните! Что такое деление клеток?

Новости науки

«Научный интерес к мейозу значительно вырос, когда оказалось, что одни и те же ферменты могут участвовать в репликации ДНК, обмене её отдельных участков и репарации. Ныне некоторые биологи развивают оригинальную гипотезу о том, что в процессе мейоза происходит проверка цепей ДНК и восстановление повреждений. При этом наблюдается полное омоложение клеток, участвующих в половом размножении».

Что же такое мейоз?

СОДЕРЖАНИЕ

Каково биологическое значение мейоза?

Мейоз был впервые описан у морских ежей немецким биологом А. Гертвигом (1849-1922) в 1876 г. А. Вайсману (1834-1914) принадлежит объяснение биологического значения мейоза. Один из основателей цитогенетики С. Дарлингтон (1903-1981) разработал теорию, объясняющую механизм сочетания хромосом в мейозе (1932). Изучением мейоза занимается цитогенетика.

Ил. 74. Схема мейоза

МЕЙОЗ (от греч. мейозиз - уменьшение) - это деление эукариотических клеток, в результате которого образуются дочерние клетки с вдвое меньшим набором хромосом (ил. 74). Значение мейоза заключается в поддержке в поколениях стабильности хромосомных наборов и в создании новых сочетаний родительских и материнских генов, что способствует изменчивости. Согласно современным исследованиям во время мейоза происходит и репарация ДНК с участием гомологичной рекомбинации. Мейоз является основой размножения.

Ил. 75. Типы мейоза: 1 - гаметний; 2 - споровый; 3 - зиготный

У животных вследствие мейоза образуются половые клетки - гаметы (гаметный мейоз), у высших растений - споры для бесполого размножения (споровый мейоз), а у грибов и низших растений - клетки мицелия или талома, формируемых из зиготы (зиготный мейоз) (ил. 75). Из гаплоидной споры прорастает половое поколение высших растений (гаметофитов), которое образует гаметы. У животных образовавшиеся половые клетки сливаются с образованием зиготы, в которой после оплодотворения восстанавливается диплоидный набор хромосом. Если бы в процессе мейоза число хромосом не уменьшалось, то в каждом следующем поколении при слиянии яйцеклетки и сперматозоона количество хромосом увеличивалось бы вдвое. А у грибов и водорослей из диплоидной зиготы образуются гаплоидные клетки грибницы и талома, которые впоследствии образуют гаметы или споры.

Итак, биологическое значение мейоза заключается в: 1) обеспечении изменения наследственного материала; 2) поддержании постоянства кариотипа при половом размножении; 3) образовании гамет для полового размножения животных; 4) формировании спор для бесполого размножения высших растений; 5) восстановлении повреждений ДНК.

Каковы отличия мейоза от митоза?

Мейоз в процессе эволюции возник на основе митоза, но имеет ряд принципиальных отличий:

• происходит в два последовательных этапа - мейоз I и мейоз ІІ, каждый из которых состоит из 4 фаз;

• на первом этапе происходит распределение гомологичных двухроматидных хромосом на две клетки с образованием в них гаплоидных наборов хромосом, поэтому этот раздел называют редукционным (от лат. reductio - возвращение);

• состояние наследственной информации после первого деления уже изменено благодаря рекомбинации ДНК;

• на втором этапе расходятся хроматиды гомологичных хромосом, и он осуществляется по митотическому типу;

• общим результатом мейоза является образование из одной материнской клетки четырёх дочерних клеток с гаплоидным набором однохроматидных хромосом (табл. 7).

Таблица 7. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ МЕЙОЗА

Название фазы	Основные процессы
I этап - РЕДУКЦИОННОЕ ДЕЛЕНИЕ, или МЕЙОЗ І
Профаза І	Фаза конденсации двухроматидных хромосом. Особенностью является конъюгация (слияние участков гомологичных хромосом) и кроссинговер (обмен участками между гомологичными хромосомами), обеспечивающие рекомбинацию ДНК

Продолжение табл. 7

Название фазы	Основные процессы
Метафаза І	Расположение двухроматидных хромосом на экваторе клетки в два ряда в виде тетрад (комплексов и двух двухроматидных хромосом)
Анафаза І	Расхождение двухроматидных хромосом к полюсам клеток
Телофаза І	Деконденсация двухроматидных хромосом и формирование двух клеток или только ядер с гаплоидным набором хромосом
II этап - ЭКВАЦИОННЫЙ, или МЕЙОЗ ІІ (интерфазы между делениями мейоза нет, поскольку репликации ДНК не происходит)
Профаза ІІ	Конденсация двухроматидных хромосом
Метафаза ІІ	Расхождение двухроматидных хромосом на экваторе клетки
Анафаза ІІ	Расхождение однохроматидных хромосом к полюсам клеток
Телофаза ІІ	Деконденсация однохроматидных хромосом

Итак, мейоз происходит в два этапа деления с образованием гаплоидных клеток с видоизменённой наследственной информацией.

Как изменяется наследственная информация в мейозе?

Генетическая стабильность очень важна для жизнедеятельности организмов в постоянных условиях. Для существования видов в течение длительных исторических промежутков времени жизненно необходима генетическая изменчивость, обеспечивающая приспособленность к изменяющимся условиям окружающей среды. Для обеспечения изменчивости организмов самая загадочная из молекул живого - ДНК - обладает ещё одним удивительным свойством, а именно способностью к перестройкам.

РЕКОМБИНАЦИЯ ДНК (генетическая рекомбинация) - это перераспределение генетической информации ДНК, приводящее к появлению новых комбинаций генов. При рекомбинации цепочка ДНК разрывается, а затем её фрагменты объединяются в ином порядке. Этот процесс универсален и наблюдается в про- и эукариотических клетках. Среди процессов рекомбинации ДНК у живых организмов чаще всего выделяют гомологическую и негомологическую рекомбинации.

Ил. 76. Рекомбинация ДНК во время кроссинговера

Гомологическая рекомбинация - это процесс обмена нуклеотидных последовательностей между гомологичными хромосомами или цепями ДНК. Этот тип рекомбинации используется клетками для исправления повреждений ДНК, образования новых комбинаций генов во время мейоза и т. п. Самый известный пример гомологической рекомбинации ДНК - обмен участками между чётными хромосомами - кроссинговер (ил. 76). Этот процесс происходит в мейозе после конъюгации - сочетания гомологических хромосом на стадии профазы І.

Негомологическая рекомбинация - это процесс обмена нуклеотидными последовательностями между негомологическими хромосомами или цепями ДНК. Пример такой рекомбинации - случайное встраивание вирусных или бактериальных фрагментов ДНК в ДНК клетки-хозяина.

Итак, механизмы генетической рекомбинации в мейозе обеспечивают возможность перемещения из хромосомы в хромосому фрагментов ДНК, что повышает комбинативную изменчивость организмов.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задание на сравнение

Сравните в рабочей тетради митоз и мейоз по плану и сделайте вывод о причинах различий.

План сравнения

1. Количество делений.

2. Количество образованных клеток из одной.

3. Набор хромосом перед делением в клетках.

4. Набор хромосом в дочерних клетках.

5. Состояние наследственной информации в клетках.

6. Биологическое значение.

ОТНОШЕНИЕ

Биология + Декоративные растения

Папоротник нефролепис возвышенный (Nephrolepis exaltata) считается красивым, выносливым и полезным декориативным растением, которое очищает воздух в помещении от формальдегидов, толуола и ксилола. Это является одной из причин размещения этого папоротника в офисах, школах, детских садах. На этом конкретном примере оцените значение мейоза в жизни высших растений.

РЕЗУЛЬТАТ

Оценка	Задания для самоконтроля
1-6	1. Что такое мейоз? 2. Какие клетки образуются после мейоза? 3. Каков результат первого деления мейоза? 4. Каков результат второго деления мейоза? 5. Что такое рекомбинация ДНК? 6. Оцените значение рекомбинации ДНК.
7-9	7. Каково значение мейоза? 8. Назовите отличия мейоза от митоза. 9. Как изменяется наследственная информация в мейозе?
10-12	10. Каковы причины сходства и различий между митозом и мейозом?