Wszyscy wiedzą, że podczas rozmnażania płciowego w wyniku połączenia dwóch gamet (komórek płciowych) powstaje nowy organizm. Gametogeneza, czyli tworzenie się komórek generatywnych, zachodzi poprzez specyficzny podział zwany mejozą. Jaka jest istota tego procesu, jakie są jego etapy, powiemy w tym artykule.
Trochę wiedzy ogólnej
Dla większości organizmów heteroseksualnych na naszej planecie rozmnażanie płciowe jest charakterystyczne. W tym przypadku gamety mają zestaw połówkowy chromosomów, który nazywa się haploidem (n). W wyniku fuzji gamet powstaje zygota, w której zostaje przywrócona diploidalność, a zestaw chromosomów oznaczony jest jako 2n, co jest istotą mejozy (w skrócie).
Na przykład Drosophila (mucha owocowa) ma tylko 4 chromosomy - jest to zestaw diploidalny. Gamety w jej jądrze mają tylko 2 chromosomy. U człowieka w każdej komórce w jądrze znajduje się 46 chromosomów, a w gametach (jajo i plemnik) – po 23.
Aleprzywrócenie diploidalności podczas rozmnażania płciowego to tylko niewielka część tego, czym jest istota mejozy.
Chromosomy i chromatydy
Aby zrozumieć poniższy materiał, ważne jest, aby zrozumieć różnicę między nimi.
Chromosomy (używa się oznaczenia n) nazywane są nośnikami materiału genetycznego, ale po prostu są to cząsteczki DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego), zwielokrotnione spiralnie i zlokalizowane w jądrze komórek eukariotycznych (mające jądro z osłoną błony) organizmy. W postaci, w jakiej przywykliśmy do obserwowania ich w podręcznikach i informatorach (zdjęcie powyżej pokazuje ludzkie chromosomy), stają się zauważalne dopiero podczas interfazy, przed podziałem komórki, kiedy już się podwoiły.
Ale chromatydy (oznaczone) - to tylko strukturalna część chromosomu, która przeszła już proces replikacji (podwojenia) w interfazie przed podziałem komórki. Chromatyda to jedna z dwóch kopii DNA, które w tym momencie są połączone specjalnym przewężeniem (centromer).
Dopóki dwie chromatydy są połączone centromerem, nazywane są chromatydami siostrzanymi. I dopiero w trakcie płciowego podziału komórek (mejozy) oddzielają się i reprezentują niezależne jednostki materiału dziedzicznego, a jeśli nastąpiło między nimi krzyżowanie (o tym później), to ulegały zmianom w sekwencji genów.
Wszystkie chromosomy różnią się kształtem i rozmiarem w obrębie jednej homologicznej (identycznej) pary. Cały zestaw chromosomów w komórkach tego samego gatunku nazywa się kariotypem. Tak więc u ludzi kariotyp to 46 chromosomów,z czego 22 pary są homologiczne lub autosomami, a 23 pary to chromosomy płci (X i Y). W gametach ludzkich (plemniku i jaju) występuje połówka (haploidalny) zestaw chromosomów - 23 autosomy i 1 chromosom płciowy (X lub Y).
Tylko mejoza zapewnia taki zestaw gamet.
Specjalny podział komórek
Specyficzny podział z powstawaniem komórek zarodkowych - mejoza (od greckiego słowa Μείωσις, co oznacza redukcję) to zestaw dwóch następujących po sobie podziałów komórkowych, w wyniku których jądro dzieli się dwukrotnie, a chromosomy tylko raz. Z tego powodu dochodzi do zmniejszenia (redukcji) zestawu chromosomów w gametach o połowę, które po połączeniu się przywracają diploidalność zygoty. To jest jego biologiczne znaczenie.
Mejoza (jej fazy) we wszystkich organizmach żywych przebiega w ten sam sposób:
- Pierwszy podział (redukcja), po którym liczba chromosomów jest zmniejszona o połowę.
- Drugi podział (równy) występuje jako dzielenie proste (mitoza). Nazywa się to również poziomowaniem.
Pierwszy podział mejotyczny
Podczas przygotowania komórki do podziału (interfazy) w jądrze liczba chromosomów podwaja się (jest ich 4 n), co jest typowe dla komórek, które dzielą się przez prosty podział (mitoza). W komórkach prekursorów gamet (u człowieka spermatocyty i oocyty) takie podwojenie nie występuje w interfazie, a komórka rozpoczyna mejozę z zestawem 2n chromosomów i przechodzinastępujące kroki:
- Profaza I. Na tym etapie chromosomy stają się gęstsze i bliżej siebie. Następuje koniugacja (adhezja) chromosomów homologicznych (jedna para), podczas której następuje skrzyżowanie. Proces ten jest charakterystyczny tylko dla mejozy (co jest istotą, opiszemy poniżej). Następnie chromosomy zostają rozdzielone, otoczka jądra komórkowego zostaje zniszczona, a wrzeciono podziału zaczyna się formować.
- Metafaza I. Włókna wrzeciona przyczepiają się do centromerów chromosomów, a one same znajdują się wzdłuż równika podziału naprzeciwko siebie, a nie wzdłuż tej samej linii (jak w mitozie).
- Anafaza I. Nici wrzeciona rozciągają chromosomy do biegunów. Krótko mówiąc, sens i istota mejozy tkwi w tej fazie podziału - bieguny mają n chromosomów.
- Telofaza I. Na tym etapie tworzą się otoczki jądrowe. U zwierząt i niektórych roślin następuje dalszy podział cytoplazmy i powstają dwie komórki potomne.
Uformowane komórki wchodzą w interfazę, która jest albo bardzo krótka, albo nieobecna.
Drugi podział mejotyczny
Mejoza II ma te same fazy:
- Profaza II. Chromosomy stają się gęstsze, błony jądrowe znikają i zaczyna się pojawiać wrzeciono rozszczepienia (zdjęcie powyżej).
- Podczas metafazy II formowanie wrzeciona trwa, a chromosomy znajdują się wzdłuż równika podziału.
- Anafaza II. Chromosomy są rozciągnięte do biegunów komórki (zdjęcie poniżej).
- Telofaza II. Tworzą się błony jądrowe, cytoplazma jest podzielona międzydwie komórki.
Dzięki temu podziałowi liczba chromosomów się nie zmienia, ale każdy z nich składa się tylko z jednej chromatydy (jednostki strukturalnej). To jest istota mejozy II. Tworzą się komórki z haploidalnym zestawem chromosomów w każdym (n).
Biologiczne znaczenie mejozy
Co to jest, już stało się jasne:
- Mejoza to doskonały mechanizm, który zapewnia niezmienność kariotypu (liczby chromosomów) gatunku, która jest nieodłącznym elementem rozmnażania płciowego.
- Ze względu na dwa kolejne podziały mejozy, liczba chromosomów w gametach staje się haploidalna i logiczne staje się przywrócenie diploidalności, gdy łączą się (nawożą) z utworzeniem zygoty z pierwotnym kariotypem diploidalnym.
- To mejoza zapewnia organizmom taką właściwość, jak zmienność. W profazie I – z powodu krzyżowania, aw anafazie I – ze względu na fakt, że homologiczne chromosomy z różnymi genami mogą trafić do różnych gamet.
Co to jest Crossover
Wróćmy do profazy I mejozy. To właśnie w tym momencie, gdy homologiczne chromosomy zbliżyły się i prawie skleiły ze sobą, może nastąpić między nimi wymiana dowolnego miejsca. To właśnie ta wymiana nazywa się cross over, co dosłownie przetłumaczone z angielskiego (crossing over) oznacza przejście lub skrzyżowanie.
Innymi słowy, jedna część chromosomu może zamienić się miejscami z tą samą częścią innego chromosomu z tej samej pary. Mechanizm ten zapewnia rekombinacyjną zmienność genetyczną organizmów. tasowaniegeny prowadzą do zwiększenia bioróżnorodności w obrębie jednego gatunku.
Cykl życia i mejoza
W zależności od tego, na jakim etapie cyklu życia występuje mejoza, w biologii istnieją trzy typy mejozy:
- Początkowe (zygota) występuje natychmiast po zapłodnieniu w zygocie. Ten typ mejozy jest typowy dla organizmów z przewagą fazy haploidalnej w cyklu życiowym. Są to grzyby (ascomycetes i basidomycetes), niektóre glony (chlamydomonas), pierwotniaki (sporozoa).
- Mejoza pośrednia (zarodnikowa) występuje podczas formowania się zarodników w organizmach o jednolitej przemianie form diploidalnych i haploidalnych. Są to zarodniki wyższe (mchy, widłaki, skrzypy, paprocie), nagonasienne i okrytonasienne. Wśród zwierząt ten typ mejozy jest charakterystyczny dla morskich pierwotniaków otwornic.
- Końcowa (gametyczna) mejoza jest nieodłączną cechą wszystkich zwierząt wielokomórkowych, morszczynu i niektórych pierwotniaków (orzęsów). W tych organizmach faza diploidalna dominuje w cyklu życiowym i tylko gamety mają haploidalny zestaw chromosomów.
Podsumuj
Uczniowie w szóstej klasie zapoznają się z istotą mejozy, studiując pierwotniaki, glony i przechodząc do biologii roślin. Ta kluczowa koncepcja biologii ogólnej i mechanizmów powstawania komórek rozrodczych (gamet) pozwala nam zrozumieć wspólność całego życia na naszej planecie, zrozumieć różne cykle życia roślin i zwierząt.
Dodatkowo powinniśmy być mejoząsą wdzięczni za wewnątrzgatunkową różnorodność biologicznego gatunku Homo sapiens. Podczas nauki biologii na kolejnych zajęciach studenci kontynuują naukę faz podziału płciowego, a gdy poznają genetykę, prawa dziedziczności i zmienności.
Zbadanie mechanizmów różnych podziałów komórek pozwala nam zrozumieć wyjątkowość i celowość praw natury, które powstały w ciągu miliardów lat ewolucji na jednej planecie Układu Słonecznego. I mieliśmy szczęście, że się na nim urodziliśmy.
