II. Хромосомы

Каждое растение и животное, каждый человек называется организмом. Любой организм состоит из клеток. На рис. 3 показаны основные части клетки: клеточная оболочка, окружающая клетку; цитоплазма - вязкая жидкость, которая заполняет большую часть клетки; ядро - более плотное тело, взвешенное в цитоплазме.

Рис. 3. Основные части клетки

Многие мелкие организмы, например бактерии, состоят из одной клетки. В питательной среде такая клетка растет и, когда она достигает определенных размеров, делится на две. Вскоре две новые клетки в свою очередь делятся, в результате чего образуются четыре клетки; так продолжается до тех пор, пока существует запас питательных веществ (рис. 4). В благоприятных условиях многие тысячи бактерий могут образоваться из одной клетки. В более сложных организмах клетки также делятся, но вновь образовавшиеся клетки остаются вместе. Жизнь животного или человека начинается с одной клетки - с оплодотворенной яйцеклетки (рис. 5), в то время как организм взрослого человека состоит из многих миллиардов клеток.

Рис. 4. Деление бактерий

Рис. 5. Деление яйцеклетки

Существенную роль в жизни клетки играет ядро. Клетка, лишенная ядра, не может делиться и вскоре погибает. В ядре имеются хромосомы (от греческого слова, означающего "окрашенные тела"). Это очень тонкие нити, которые при делении клетки сокращаются, образуя более плотные, способные окрашиваться структуры, и тогда их можно видеть под микроскопом. На фото II видны хромосомы в клетке корня лилии.

Фото II. Хромосомы при митотическом делении клетки линии (× 1000)

Перед делением клетки каждая хромосома образует другую, точно такую же хромосому. Иначе говоря, уже к началу деления клетки все хромосомы оказываются удвоенными. Когда исходная клетка делится на две, удвоенные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся в новые клетки (фото III). В результате каждая из этих клеток получает точно такие же хромосомы, какие имела исходная клетка (рис. 6). Этот процесс называется митозом (от греческого слова mitos - нить). Более подробное описание митоза можно найти в учебниках по биологии. Для наших целей достаточно запомнить, что все клетки, образовавшиеся друг от друга путем митоза, содержат одинаковые хромосомы. В частности, все клетки тела человека имеют одинаковые хромосомы, поскольку все они произошли в результате митотических делений из одной исходной клетки.

Фото III. Хромосомы клетки лилии в конце митоза (× 1200)

Рис. 6. Митоз в клетке, содержащей две пары хромосом. Каждая хромосома создает свою точную копию. После деления копия и оригинал хромосомы направляются в две новые клетки; в результате каждая из них получает точно такие же хромосомы, какие были в исходной клетке

Организмы, относящиеся к разным биологическим видам (человек, кролик, медоносная пчела, огородный горох, кукуруза), имеют разное число хромосом. У человека каждая клетка содержит 46 хромосом, у мыши - 40, у кукурузы - 20, у гороха - 14, у конских бобов - 12 хромосом. Вы можете спросить, не случайно ли все приведенные числа являются четными. Оказывается, не случайно. Числа хромосом четные потому, что хромосомы в клетках существуют в парах. На фото IV показаны хромосомы женщины в белой кровяной клетке (лейкоците), на фото V - те же хромосомы, расположенные парами. Они уже расщепляются в процессе подготовки к делению. Некоторые пары выделить легко; правильность подборки других пар, особенно образуемых хромосомами средних размеров, вызывает подчас сомнение. Но даже в тех случаях, когда нельзя различить хромосомы разных пар по размеру или по форме, можно быть уверенным, что такие пары существуют, так как имеется один особый вид деления, при котором хромосомы сами соединяются попарно.

Фото IV (слева). Хромосомы белой кровяной клетки женщины (× 1500). Фото V (справа). Те же хромосомы, что и на фото IV, расположенные парами (× 1500)

Это деление происходит в половых органах, т. е. в завязях и пыльниках у растений или в яичниках и семенниках у животных. Оно называется редукционным делением, так как приводит к уменьшению числа хромосом вдвое. Это очень точный процесс (рис.7). На ранней стадии редукционного деления партнерные хромосомы сближаются, ложатся вплотную друг к другу и остаются в таком положении до начала деления клетки (фото VI). Затем они расходятся и порознь направляются в две новые клетки. Эти клетки, таким образом, получают только одну хромосому каждой пары и имеют поэтому вдвое меньше хромосом, чем клетка, из которой они произошли. Клетки или ядра, содержащие по одной хромосоме каждой пары, т. е. имеющие один набор хромосом, называются гаплоидными (от греческого слова "одиночный"). Клетки, содержащие обе хромосомы каждой пары, т. е. имеющие два набора хромосом, называются диплоидными (от греческого слова "двойной").

Рис. 7. Редукционное деление в клетке, содержащей две пары хромосом. Партнерные хромосомы группируются парами при делении. Хромосомы каждой пары клеток порознь направляются в две новые клетки; в результате каждая получает только одну хромосому каждой пары

Фото VI. Хромосомы лилии, тесно спаренные в начале мейоза (× 2000)

Практически все клетки тела являются диплоидными, и только клетки, образовавшиеся при редукционном делении, гаплоидны. У человека, например, диплоидные клетки содержат 46 хромосом, которые можно рассматривать как два набора по 23 хромосомы. Редукционное деление разъединяет эти два набора, в результате образуются гаплоидные клетки с одним набором, состоящим из 23 хромосом.

Редукционное деление - первая ступень в процессе, названном мейозом (от греческого слова "уменьшение") В результате мейоза формируются гаметы (от греческого слова gamos - женитьба, брак). Гаметы сливаются при оплодотворении и дают начало потомству. У животных гаметы называются яйцеклетками и сперматозоидами (от греческого слова spermatozoon - семя животного). На рис. 8 показано, каким образом формируются гаметы у животных. Как у самцов, так и у самок редукционное деление приводит к образованию двух гаплоидных клеток из одной диплоидной. Вслед за первым мейотическим делением наступает второе мейотическое деление, при этом каждая гаплоидная клетка делится на две, так же, как в митозе, и к концу мейоза из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных. Последние ступени в формировании гамет у самцов и самок протекают по-разному. У самца все четыре гаплоидные клетки превращаются в сперматозоиды. У самки очень сильно разрастается одна клетка. В ней откладываются запасы питательных веществ (желток) для будущего эмбриона; она развивается в яйцеклетку.

Рис. 8. Мейоз и образование гамет у самца (слева) и самки (справа) с двумя парами хромосом. У самца все четыре гаплоидные клетки образуют сперматозоиды. У самки одна гаплоидная клетка развивается в яйцеклетку, а три остальные образуют полярные тельца, которые позднее разрушаются. (Сперматозоиды и яйцеклетка изображены в разных масштабах. На самом деле яйцеклетка несоизмеримо больше сперматозоида)

Другие три гаплоидные клетки не увеличиваются в размерах и вскоре разрушаются; они называются полярными тельцами, потому что остаются на одном полюсе яйцеклетки. Какая из четырех гаплоидных клеток превратится в яйцеклетку - дело случая.

При оплодотворении сперматозоид проникает в яйцеклетку (рис. 9). Оплодотворенное яйцо называется зиготой (от греческого слова zygosis - соединение ярмом).

Рис. 9. Оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом: I - сперматозоид приближается к яйцеклетке. Обе гаметы гаплоидны (две хромосомы); II - сперматозоид проникает в яйцеклетку; III - ядра сперматозоида и яйцеклетки сливаются. Оплодотворенная яйцеклетка диплоидна (две пары хромосом)

Ядра яйцеклетки и сперматозоида, сливаясь, образуют зиготу, так, что зигота опять диплоидна: она содержит один набор хромосом, полученный от отца, а другой - от матери. Зигота развивается в зародыш и в итоге из нее образуется взрослый организм. Этот процесс сопровождается большим числом клеточных делений. Поскольку все эти деления протекают по типу митоза, каждая клетка организма диплоидна и содержит те два набора хромосом, которые соединились при оплодотворении. Когда в таком диплоидном организме формируются гаметы, они снова получают гаплоидный набор хромосом. После слияния гамет вновь начинает формироваться следующее диплоидное поколение. Так из поколения в поколение каждый диплоидный организм, возникающий из гаплоидных гамет, в свою очередь, по достижении половой зрелости, образует гаметы.

На рис. 10 показан цикл чередования гаплоидной и диплоидной стадий у птиц.

Рис. 10. Диплоидная и гаплоидная стадии в жизненном цикле животного

У растений мейоз происходит точно так же, как и у животных, но последующие стадии формирования гамет у растений протекают сложнее.

Мы можем не рассматривать эти стадии, поскольку они не имеют отношения к вопросам, которых касается настоящая книга.

Гаметы цветковых растений представляют собой гаплоидные ядра; мужское ядро формируется в пыльцевом зерне, а женское - в семяпочке. Когда семяпочка сливается с пыльцевой трубкой, мужское и женское ядра соединяются и образуют диплоидную зиготу.

Выводы

1. Организм состоит из клеток. Каждая клетка имеет ядро. Внутри ядра находятся хромосомы.

2. Перед делением каждая хромосома создает другую, точно такую же хромосому, Идентичные хромосомы порознь направляются в две новые клетки. Этот процесс называется митозом. Клетки, которые образуются в результате митоза, содержат одинаковые хромосомы. Все клетки любого организма имеют одинаковые хромосомы.

3. Каждый биологический вид характеризуется определенным числом хромосом.

4. Хромосомы всегда бывают парными. Хромосомы любой пары (называемые гомологичными хромосомами) имеют одинаковые размеры и форму.

5. Гаметы - это клетки, обеспечивающие образование потомства. Они формируются в процессе, который называется мейозом. Главным в мейозе является редукционное деление, уменьшающее число хромосом вдвое.

6. Гаметы имеют только половину того числа хромосом, которое свойственно всем остальным клеткам данного организма. Каждая гамета содержит один хромосомный набор, т. е. имеет по одной хромосоме каждой пары.

7. Клетки, которые имеют один хромосомный набор, называются гаплоидными; клетки, которые имеют два хромосомных набора, называются диплоидными. Гаметы гаплоидны. При оплодотворении они образуют диплоидную зиготу, развивающуюся в диплоидный организм. В мейозе диплоидный организм образует гаплоидные гаметы, которые способны дать начало следующему поколению.

Задание

1. В приложении 1 изображены сильно увеличенные хромосомы, которые встречаются в клетках некоторых видов травянистых растений. Сделайте копию рисунка, вырежьте хромосомы, расположите их парами и наклейте в рабочую тетрадь.

Таким методом пользуются и ученые, которые при изучении хромосом нередко располагают их парами (см. фото V).

2. Клетки корешка лука содержат 16 хромосом: а) чему равно диплоидное число хромосом у лука? б) чему равно гаплоидное число?

3. У собак гаплоидное число хромосом равно 39. Сколько хромосом: а) в сперматозоиде, б) в клетке кожи, в) в яйцеклетке до оплодотворения, г) в оплодотворенной яйцеклетке?