3. Хромосомы

Все живые организмы состоят из клеток. Бактерии и многие простые микроорганизмы состоят из одной-единственной клетки; высшие организмы состоят из множества клеток. Клетки в большинстве случаев имеют очень маленькие размеры, и их можно видеть лишь под микроскопом. На рис. 2, а показана растительная клетка при большом увеличении, она заполнена живой субстанцией - цитоплазмой. В цитоплазме видно компактное изолированное тело - ядро. Любая клетка всегда содержит ядро. Хотя клетка может на короткое время оставаться живой и без ядра, но в таком состоянии она теряет способность делиться. Ядро содержит хромосомы, которые хорошо видны на некоторых стадиях жизни клетки, а именно во время ее деления на две дочерние клетки. Из-за способности интенсивно окрашиваться определенными красителями их назвали хромосомами (хромосома - окрашенное тело). На рис. 2, б показаны окрашенные хромосомы во время деления клетки растения - конского боба Vicia faba. Можно подсчитать, что хромосом в ядре 12, также видно, что они отличаются одна от другой по величине и по форме. Если пересмотреть много клеток боба, обнаруживается, что каждая из них содержит по 12 хромосом. Каждая клетка гороха имеет 14 хромосом, плодовой мушки Drosophila melanogaster - 8, мыши - 40 (см. рис. 2, г), каждая клетка человека имеет 46 хромосом (см. рис. 2, е). Для каждого вида растений и животных характерно определенное число, форма и величина хромосом в ядре.

Рис. 2. Строение ядра и хромосомы разных организмов: а - растительная клетка с ядром; б - хромосомы в клетке конских бобов; в - хромосомы в клетке самки дрозофилы; г - хромосомы в клетке самки мыши; д - хромосомы яйцеклетки мыши; е - хромосомы в клетке костного мозга женщины; ж - хромосомы человека, распределенные попарно; з - хромосомы ржи в мейозе

Каким образом каждая клетка индивидуума получает одинаковый набор хромосом? Как известно, новые клетки возникают вследствие деления старых. Перед делением клетки хромосома всегда образует около себя совершенно подобную себе хромосому. Вначале две хромосомы лежат рядом, но в дальнейшем в процессе деления клетки они расходятся и каждая из двух дочерних клеток получает одну копию каждой хромосомы. Сложный процесс, при котором наблюдается равномерное попадание дочерних хромосом в дочерние клетки, называется митозом. Детальное описание митотического процесса можно найти почти в любой книге по биологии. Очень важно, что в результате удвоения хромосом и митоза каждая клетка любого организма данного вида содержит одинаковый набор хромосом. Имеется одно важное исключение из этого правила, на котором следует остановиться. Здесь возникают вопросы, для их разрешения на помощь генетике приходит цитология - наука о клетке.

Вернемся опять к рис. 2. Если мы посмотрим на клетки с несколькими хромосомами (см. рис. 2, б и в), то заметим, что их можно распределить парами. К каждой отдельной хромосоме, имеющей определенную величину и форму, можно подобрать другую, сходную с ней. Так, у дрозофилы (см. рис. 2, в) обнаруживается одна пара хромосом средней величины, две пары длинных хромосом и одна пара точечных хромосом. В клетках, где имеется много мелких хромосом, не всегда удается их собрать парами. На рис. 2, ж показано, как 46 хромосом человека (см. рис. 2, е) можно подобрать парами (вырезая фотоснимки отдельных хромосом и сопоставляя их друг с другом по величине и форме). Даже в случаях, когда такие попытки оказались неудачными, можно быть вполне уверенными, что хромосомы можно подбирать парами, так как во время жизненного цикла каждого размножающегося половым путем организма наблюдается стадия, когда хромосомы раздваиваются. Эта" стадия называется мейозом, что значит уменьшение. Теперь посмотрим, почему был взят этот термин.

Мейоз - это два последовательных, следующих друг за другом деления клетки, первый шаг в образовании половых клеток, или гамет. На рис. 3 в чрезвычайно упрощенной форме изображен мейоз для одной пары хромосом; рисунок показывает лишь такие черты процесса, которые имеют значение для понимания законов Менделя. В начале мейоза хромосомы-партнеры подходят и обвивают друг друга. На рис. 2, з это показано для 14 хромосом ржи, образующих в мейозе 7 пар. Это похоже на то, как во многих старинных танцах образование пар танцующих является прелюдией к расхождению в стороны. В конце первого мейотического деления парочки нарушаются, и партнеры движутся по отдельности в две дочерние клетки. Это явление сходно с тем, что бывает при митозе: деление приводит к равному распределению хромосом по дочерним клеткам. Однако существует чрезвычайно важное отличие. В митозе каждая клетка получает полный набор хромосом, тогда как при мейозе дочерние клетки получают лишь по одному партнеру каждой хромосомной пары.

Рис. 3. Майоз одной пары хромосом

Таким образом, первое мейотическое деление уменьшает число хромосом в каждой клетке вдвое. Оно поэтому носит название редукционного деления. Второе деление представляет собой обычный митоз и никак не влияет на число хромосом. В итоге двух мейотических делений образуется группа из четырех зародышевых клеток, из которых каждая содержит один набор хромосом, т. е. число хромосом, равное числу хромосомных пар. Такая клетка носит название гаплоидной, тогда как клетка с двумя наборами хромосом носит название диплоидной. Можно выразиться иначе. Мейоз образует четыре гаплоидные зародышевые клетки из одной диплоидной материнской клетки. На рис. 2, д показаны хромосомы яйцеклетки мыши; можно подсчитать, что их 20, вдвое меньше, чем в обычной клетке тела мыши (см. рис. 2, г). При оплодотворении две гаметы, несущие по одному набору хромосом, сливаются и тем самым восстанавливают диплоидное состояние. На этом цикл замыкается, и начинается новый цикл, когда новое поколение образует зародышевые клетки.