В чем заключается биологическое значение мейоза

Мейоз

Мейоз – это способ деления клеток эукариот, при котором образуются гаплоидные клетки. Этим мейоз отличается от митоза, при котором образуются диплоидные клетки.

Кроме того, мейоз протекает в два следующих друг за другом деления, которые называют соответственно первым (мейоз I) и вторым (мейоз II). Уже после первого деления клетки содержат одинарный, т. е. гаплоидный, набор хромосом. Поэтому первое деление часто называют редукционным. Хотя иногда термин «редукционное деление» применяют по отношению ко всему мейозу.

Второе деление называется эквационным и по механизму протекания сходно с митозом. В мейозе II к полюсам клетки расходятся сестринские хроматиды.

Мейозу, как и митозу, в интерфазе предшествует синтез ДНК – репликация, после которой каждая хромосома состоит уже из двух хроматид, которые называют сестринскими. Между первым и вторым делениями синтеза ДНК не происходит.

Если в результате митоза образуются две клетки, то в результате мейоза – 4. Однако если организм производит яйцеклетки, то остается только одна клетка, сконцентрировавшая в себе питательные вещества.

Количество ДНК перед первым делением принято обозначать как 2n 4c. Здесь n обозначает хромосомы, c – хроматиды. Это значит, что каждая хромосома имеет гомологичную себе пару (2n), в то же время каждая хромосома состоит из двух хроматид. С учетом наличия гомологичной хромосомы получается четыре хроматиды (4c).

После первого и перед вторым делением количество ДНК в каждой из двух дочерних клетках сокращается до 1n 2c. То есть гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки, но продолжают состоять из двух хроматид.

После второго деления образуются четыре клетки с набором 1n 1c, т. е. в каждой присутствует только одна хромосома из пары гомологичных и состоит она только из одной хроматиды.

Ниже приводится подробное описание первого и второго мейотического деления. Обозначение фаз такое же как при митозе: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Однако протекающие в эти фазы процессы, особенно в профазе I, несколько отличаются.

Мейоз I

Профаза I

Обычно это самая длинная и сложная фаза мейоза. Протекает намного дольше, чем при митозе. Связано это с тем, что в это время гомологичные хромосомы сближаются и обмениваются участками ДНК (происходят конъюгация и кроссинговер).

Конъюгация — процесс сцепления гомологичных хромосом. Кроссинговер — обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами. Несестринские хроматиды гомологичных хромосом могут обменяться равнозначными участками. В местах, где происходит такой обмен формируется так называемая хиазма.

Спаренные гомологичные хромосомы называются бивалентами, или тетрадами. Связь сохраняется до анафазы I и обеспечивается центромерами между сестринскими хроматидами и хиазмами между несестринскими.

В профазе происходит спирализация хромосом, так что к концу фазы хромосомы приобретают характерную для них форму и размеры.

На более поздних этапах профазы I ядерная оболочка распадается на везикулы, ядрышки исчезают. Начинает формироваться мейотическое веретено деления. Образуются три вида микротрубочек веретена. Одни прикрепляются к кинетохорам, другие — к трубочкам, нарастающим с противоположного полюса (конструкция выполняет функцию распорок). Третьи формируют звезчатую структуру и прикрепляются к мембранному скелету, выполняя функцию опоры.

Центросомы с центриолями расходятся к полюсам. Микротрубочки внедряются в область бывшего ядра, прикрепляются к кинетохорам, находящимся в области центромер хромосом. При этом кинетохоры сестринских хроматид сливаются и действуют единым целым, что позволяет хроматидам одной хромосомы не разъединяться и в дальнейшем вместе отойти к одному из полюсов клетки.

Метафаза I

Окончательно формируется веретено деления. Пары гомологичных хромосом располагаются в плоскости экватора. Они выстраиваются друг против друга по экватору клетки так, что экваториальная плоскость оказывается между парами гомологичных хромосом.

Анафаза I

Гомологичные хромосомы разъединяются и расходятся к разным полюсам клетки. Из-за произошедшего в профазу кроссинговера их хроматиды уже не идентичны друг другу.

Телофаза I

Восстанавливаются ядра. Хромосомы деспирализуются в тонкий хроматин. Клетка делится надвое. У животных впячиванием мембраны. У растений образуется клеточная стенка.

Мейоз II

Интерфаза между двумя мейотическими делениями называется интеркинезом, он очень короткий. В отличие от интерфазы удвоения ДНК не происходит. По-сути она и так удвоена, просто в каждой из двух клеток содержится по одной из гомологичных хромосом. Мейоз II протекает одновременно в двух клетках, образовавшихся после мейоза I. На схеме ниже изображено деление только одной клетки из двух.

Профаза II

Короткая. Снова исчезают ядра и ядрышки, а хроматиды спирализуются. Начинает формироваться веретено деления.

Метафаза II

К каждой хромосоме, состоящей из двух хроматид, прикрепляется по две нити веретена деления. Одна нить с одного полюса, другая – с другого. Центромеры состоят из двух отдельных кинетохор. Метафазная пластинка образуется в плоскости перпендикулярной экватору метафазы I. То есть если родительская клетка в мейозе I делилась вдоль, то теперь две клетки будут делиться поперек.

Анафаза II

Белок, связывающий сестринские хроматиды, разделяется, и они расходятся к разным полюсам. Теперь сестринские хроматиды называются сестринскими хромосомами.

Телофаза II

Подобна телофазе I. Происходит деспирализация хромосом, исчезновение веретена деления, образование ядер и ядрышек, цитокинез.

Значение мейоза

В многоклеточном организме мейозом делятся только половые клетки. Поэтому главное значение мейоза – это обеспечение механизма полового размножения, при котором сохраняется постоянство числа хромосом у вида.

Другое значение мейоза – это протекающая в профазе I перекомбинация генетической информации, т. е. комбинативная изменчивость. Новые комбинации аллелей создаются в двух случаях. 1. Когда происходит кроссинговер, т. е. несестринские хроматиды гомологичных хромосом обмениваются участками. 2. При независимом расхождении хромосом к полюсам в обоих мейотических делениях. Другими словами, каждая хромосома может оказаться в одной клетке в любой комбинации с другими негомологичными ей хромосомами.

Уже после мейоза I клетки содержат разную генетическую информацию. После второго деления все четыре клетки отличаются между собой. Это важное отличие мейоза от митоза, при котором образуются генетически идентичные клетки.

Кроссинговер и случайное расхождение хромосом и хроматид в анафазах I и II создают новые комбинации генов и являются одной из причин наследственной изменчивости организмов, благодаря которой возможна эволюция живых организмов.

Источник

В чем заключается биологическое значение мейоза

Биология

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:

1. Лептотена. Хромосомы становятся короче, конденсируются и спирализируются. В результате их можно рассмотреть в световой микроскоп. При этом в ядре хромосомы расположены хаотично.
2. Зиготена. Происходит сближение гомологичных хромосом (процесс конъюгация). Новообразованные структуры получили название биваленты или тетрады, так как состоят из 4 хроматид.
3. Пахитена. Хромосомы продолжают сближаться, и в некоторых местах происходит их скрещивание с последующим обменом короткими параллельными участками. В результате появляются хиазмы.
4. Диплотена. Генетический материал частично деконденсируется и начинает использоваться. В этот момент наблюдается активное производство протеинов и РНК.
5. 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.

Источник

Мейоз

Мейоз – третья фаза полового размножения. Во время мейоза происходит деление диплоидного ядра, приводящее к уменьшению числа хромосом и восстановлению гаплоидного набора хромосом [2] [4] .

Мейоз – универсальное явление, характерное для всех эукариотических организмов. Это особый тип дифференцировки, специализации клеток, приводящий к образованию половых клеток. Он обеспечивает постоянство числа хромосом вида, поскольку образующиеся в результате мейоза гаметы несут гаплоидный набор хромосом. Диплоидный набор восстанавливается при оплодотворении. При мейозе кроме редукции числа хромосом происходит ещё один генетический процесс – кроссинговер или обмен участками между гомологичными хромосомами [1] [3] .

Типы мейоза

Мейоз – основное звено образования гамет (половых клеток). В процессе мейоза из одной клетки, содержащей двойной набор хромосом, в результате двух последовательных делений формируются четыре половые клетки, каждая из них содержит одинарный набор хромосом. При слиянии мужских и женских половых клеток в процессе оплодотворения двойной набор хромосом восстанавливается [2] .

Существует несколько типов мейоза:

Зиготный

Зиготный тип мейоза характерен для грибов типа Аскомицеты (Ascomycota) и типа Базидиомикота (Basidiomycota), некоторых водорослей и других организмов [3] .

Зиготный тип наблюдается у организмов, в жизненном цикле которых преобладает гаплоидная фаза. Две клетки (гаметы) сливаются с образованием зиготы с диплоидным набором хромосом. В таком виде диплоидная зигота (покоящаяся спора) приступает к мейозу, дважды делится, образуя четыре гаплоидные клетки, продолжающие размножение [3] .

Споровый

Споровый мейоз встречается у высших растений, клетки которых имеют диплоидный набор хромосом. В этом случае в органах размножения растений, образовавшиеся после мейоза, гаплоидные клетки делятся ещё несколько раз [3] .

Гаметный

Гаметный тип мейоза встречается у многоклеточных животных и у некоторых низших растений. Он происходит во время созревания гамет. В случае гаметного мейоза при развитии организма наблюдается выделение клоном гермитативных клеток, которые в дальнейшем дифференцируются в половые клетки. Только клетки этих клонов при созревании будут подвергаться мейозу и превращаться в половые клетки. Все клетки, развивающихся многоклеточных животных организмов, делят на две группы: соматические – из которых образуются клетки всех тканей и органов и герминативные – дающие начало половым клеткам [3] .

Биологическое значение мейоза

Биологическое значение мейоза заключается в сохранении хромосомного набора вида из поколения в поколение при половом размножении. Благодаря случайному распределению гомологичных хромосом и обмену их отдельных участков в профазе (первой фазе) редукционного деления, возникающие гаплоидные половые клетки содержат различные сочетания хромосом. Это обеспечивает разнообразие хромосомных наборов и дает материал для естественного отбора [2] .

Источник



Что такое мейоз? Биологическое значение процесса

Мейоз – один из способов деления клетки. Он связан с образованием гамет, а значит, играет роль в половом размножении. Это важный процесс в эволюционном плане, который позволяет создавать организмам разнообразные популяции в ответ на изменения окружающей среды. Без понимания значимости мейоза невозможно дальнейшее изучение таких разделов биологии как селекция, генетика, экология.

Что такое мейоз

Этот способ деления характерен для образования гамет у животных, растений и грибов. В результате мейоза образуются клетки, обладающие гаплоидным набором хромосом, также называемых половыми клетками.

В отличие от другого варианта умножения клеток – митоза, при котором количество хромосом дочерних особей характерно материнской, при мейозе происходит уменьшение количества хромосом вдвое. Это происходит в два этапа – мейоз 1 и мейоз 2. Первая часть процесса сходна с митозом – перед ней происходит удвоение ДНК, увеличение количества хромосом. Далее следует редукционное деление. В результате образуются клетки с гаплоидным (а не диплоидным) набором хромосом.

Основные понятия

Для того чтобы понять, что такое мейоз, необходимо вспомнить определения некоторых понятий, чтобы не возвращаться к ним впоследствии.

• Хромосома – структура в ядре клетки, имеющая нуклеопротеидную природу и сосредоточившая большую часть наследственной информации.
• Соматические и половые клетки – клетки организма, имеющие разный набор хромосом. В норме (исключая полиплоиды) соматические клетки диплоидны (2n), а половые гаплоидны (n). При слиянии двух половых клеток образуется полноценная соматическая клетка.
• Центромера – участок хромосомы, отвечающий за экспрессию генов и связывающий хроматиды между собой.
• Теломера – концевые участки хромосом, выполняют защитную функцию.
• Митоз – способ деления соматических клеток, создающий в процессе идентичные им копии.
• Эухроматин и гетерохроматин – участки хроматина в ядре. Первый сохраняет деспирализованное состояние, второй спирализован.

Стадии процесса

Мейоз клетки состоит из двух последовательных делений.

Первое деление. В период профазы 1 можно рассмотреть хромосомы даже в световой микроскоп. Строение двойной хромосомы составляют две хроматиды и центромеры. Происходит спирализация и, как следствие, укорочение хроматид в хромосоме. Мейоз начинается с метафазы 1. Гомологичные хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Это называется выстраиванием тетрад (бивалентов) хроматида к хроматиде. В этот момент происходят процессы конъюгации и кроссинговера, они описаны ниже. При этих действиях часто теломеры перекрещиваются и накладываются друг на друга. Начинает распадаться оболочка ядра, пропадает ядрышко и становятся видны нити веретена деления. В период анафазы 1 целые хромосомы, состоящие из двух хроматид, отходят к полюсам, причем случайным образом.

В результате первого деления в стадии телофазы 1 образуются две клетки с одинарным набором ДНК (в отличие от митоза, дочерние клетки которого диплоидны). Интерфаза непродолжительна, так как не требует удвоения ДНК.

Во втором делении в стадии метафазы 2 к экваториальной части клетки отходит уже одна хромосома (из двух хроматид), образуя метафазную пластинку. Центромера каждой хромосомы делится, хроматиды расходятся к полюсам. На стадии телофазы этого деления образуются две клетки, содержащей по гаплоидному набору хромосом. Наступает уже нормальная интерфаза.

Конъюгация и кроссинговер

Конъюгация – процесс слияния гомологичных хромосом, а кроссинговер – обмен соответствующими участками гомологичных хромосом (начинается в профазе первого деления, заканчивается в метафазе 1 или в анафазе 1 при расхождении хромосом). Это два смежных процесса, которые участвуют в дополнительной рекомбинации генетического материала. Таким образом, хромосомы в гаплоидных клетках не аналогичны таковым в материнской, а существуют уже с заменами.

Разнообразие гамет

Гаметы, образованные в процессе мейоза, не гомологичны друг другу. Хромосомы расходятся в дочерние клетки независимо друг от друга, поэтому могут принести разнообразные аллели будущему потомству. Рассмотрим простейшую классическую задачу: определим типы гамет, образованные у родительского организма по двум простым признакам. Пусть у нас будет темноглазый и темноволосый родитель, гетерозиготный по этим признакам. Формула аллелей, характеризующая его, будет выглядеть как AaBb. Половые клетки будут иметь следующий вид: AB, Ab, aB, ab. То есть четыре типа. Естественно, количество аллелей в живом организме со множеством признаков будет многократно выше, значит и вариантов разнообразия гамет будет во много раз больше. Эти процессы усиливаются конъюгацией и кроссинговером, протекающими в процессе деления.

Существуют ошибки в репликации и расхождениях хромосом. Это приводит к образованию дефектных гамет. В норме такие клетки должны подвергнуться апоптозу (клеточной смерти), но иногда они сливаются с другой половой клеткой, образуя новый организм. Например, таким образом формируется болезнь Дауна у человека, связанная с одной дополнительной хромосомой.

Следует упомянуть, что образовавшиеся половые клетки в разных организмах претерпевают дальнейшее развитие. Например, у человека из одной родительской клетки образуются четыре равноценных сперматозоида – как в классическом мейозе, что такое яйцеклетка — выяснить несколько сложнее. Из четырех потенциально одинаковых клеток образуется одна яйцеклетка и три редукционных тельца.

Мейоз: биологическое значение

Почему в процессе мейоза количество хромосом в клетке уменьшается, понятно: если бы этого механизма не было, то при слиянии двух половых клеток происходило бы постоянное увеличение хромосомного набора. Благодаря редукционному делению, в процессе размножения из слияния двух гамет выходит полноценная диплоидная клетка. Таким образом, сохраняется постоянство вида, стабильность его хромосомного набора.

Половина ДНК дочернего организма будет содержать материнскую, а половина отцовскую генетическую информацию.

Механизмы мейоза лежат в основе стерильности межвидовых гибридов. Из-за того, что в клетках таких организмов находятся хромосомы от двух видов, в процессе метафазы 1 они не могут вступить в конъюгацию и процесс образования половых клеток нарушается. Плодовитые гибриды возможны только между близкими видами. В случае полиплоидных организмов (например, многие сельскохозяйственные растения) в клетках, обладающих четным набором хромосом (октоплоиды, тетраплоиды) хромосомы расходятся как и при классическом мейозе. В случае триплоидов хроматиды образуются неравномерно, велик риск получить дефектные гаметы. Эти растения размножают вегетативно.

Таким образом, понимание, что такое мейоз — фундаментальный вопрос биологии. Процессы полового размножения, накопления случайных мутаций, а также передача их потомству лежит в основе наследственной изменчивости и неопределенного отбора. Современная селекция сформирована на основе этих механизмов.

Варианты мейоза

Рассмотренный вариант деления в мейозе характерен главным образом для многоклеточных. У простейших механизм выглядит несколько иначе. В процессе него протекает одно мейотическое деление, фаза кроссинговера соответственно, тоже смещается. Такой механизм считается более примитивным. Он послужил основой делению гаплоидных клеток современных животных, растений, грибов, протекающему в две фазы и обеспечивающему лучшую рекомбинацию генетического материала.

Отличия мейоза от митоза

Подытоживая различия между этими двумя типами деления, нужно отметить плоидность дочерних клеток. Если при митозе количество ДНК, хромосом в обоих поколениях одна и та же – диплоидная, то в мейозе образуются гаплоидные клетки. При этом в результате первого процесса образуются две, а в результате второго — четыре клетки. В митозе отсутствует кроссинговер. Разнится и биологическое значение этих делений. Если цель мейоза — образование половых клеток и их последующее сливание у разных организмов, т. е. рекомбинация генетического материала в поколениях, то цель митоза – поддержание стабильности тканей, целостности организма.

Источник