Мейоз – один із способів поділу клітини. Він пов’язаний з утворенням гамет, а отже, відіграє роль у статевому розмноженні. Це важливий процес в еволюційному плані, який дозволяє створювати організмів різноманітні популяції у відповідь на зміни навколишнього середовища. Без розуміння значущості мейозу неможливо подальше вивчення таких розділів біології як селекція, генетика, екологія.
Що таке мейоз
Цей спосіб розподілу характерний для утворення гамет у тварин, рослин і грибів. У результаті мейозу утворюються клітини, що мають гаплоидным набором хромосом, які також називаються статевими клітинами.
На відміну від іншого варіанту помноження клітин – мітозу, при якому кількість хромосом дочірніх особин характерно материнської, при мейозі відбувається зменшення кількості хромосом вдвічі. Це відбувається в два етапи – мейоз 1 і мейоз 2. Перша частина процесу схожа з мітозом – перед нею відбувається подвоєння ДНК, збільшення кількості хромосом. Далі слід редукційний розподіл. В результаті утворюються клітини з гаплоидным (а не диплоїдним) набором хромосом.
Основні поняття
Для того щоб зрозуміти, що таке мейоз, необхідно згадати визначення деяких понять, щоб не повертатися до них згодом.
- Хромосома – структура в ядрі клітини, що має нуклеопротеидную природу і яка зосередила більшу частину спадкової інформації.
- Соматичні і статеві клітини – клітини організму, які мають різний набір хромосом. В нормі (виключаючи поліплоїдії) соматичні клітини диплоидны (2n), а статеві гаплоидны (n). При злиття двох статевих клітин утворюється повноцінна соматична клітина.
- Центромера – ділянка хромосоми, що відповідає за експресію генів і зв’язує хроматиди між собою.
- Теломери – кінцеві ділянки хромосом, виконують захисну функцію.
- Мітоз – спосіб поділу соматичних клітин, що створює в процесі ідентичні їм копії.
- Еухроматин та гетерохроматин – ділянки хроматину в ядрі. Перший зберігає деспирализованное стан, другий спирализован.
Стадії процесу
Мейоз клітини складається з двох послідовних поділів.
Перший поділ. У період профазы 1 можна розглянути хромосоми навіть у світловий мікроскоп. Будову подвійної хромосоми складають дві хроматиди і центромери. Відбувається спирализация і, як наслідок, скорочення хроматид у хромосомі. Мейоз починається з метафази 1. Гомологічні хромосоми розташовуються в екваторіальній площині клітини. Це називається вибудовуванням тетрад (бівалентів) хроматида до хроматиде. У цей момент відбуваються процеси кон’югації і кросинговеру, вони описані нижче. При цих діях часто теломери перетинаються і накладаються один на одного. Починає розпадатися оболонка ядра, зникає ядерце і стають видні нитки веретена поділу. У період анафази 1 цілі хромосоми, що складаються з двох хроматид, відходять до полюсів, причому випадковим чином.
В результаті першого поділу в стадії телофазы 1 утворюються дві клітини з одинарним набором ДНК (на відміну від мітозу, дочірні клітини якого диплоидны). Інтерфаза нетривала, так як не вимагає подвоєння ДНК.
У другому поділі в стадії метафази 2 до екваторіальній частині клітини відходить вже одна хромосома (з двох хроматид), утворюючи метафазную платівку. Центромера кожної хромосоми ділиться, хроматиди розходяться до полюсів. На стадії телофазы цього поділу утворюються дві клітини, що містить гаплоїдному набору хромосом. Настає вже нормальна інтерфаза.
Кон’югація і кросинговер
Кон’югація – процес злиття гомологічних хромосом, а кросинговер – обмін відповідними ділянками гомологічних хромосом (починається в профазі першого поділу, закінчується у метафазі 1 або в анафазі 1 при розходженні хромосом). Це два суміжних процесу, які беруть участь у додатковій рекомбінації генетичного матеріалу. Таким чином, хромосоми в гаплоидных клітинах не аналогічні таким у материнської, а існують вже з замінами.
Різноманітність гамет
Гамети, утворені в процесі мейозу, не є гомологічними один одному. Хромосоми розходяться в дочірні клітини незалежно один від одного, тому можуть принести різноманітні алелі майбутньому потомству. Розглянемо найпростішу класичну задачу: визначимо типи гамет, утворені батьківського організму з двох простих ознаками. Нехай у нас буде темноокий і темноволосий батько гетерозиготний за цими ознаками. Формула алелей, що характеризує його, буде виглядати як AaBb. Статеві клітини будуть мати наступний вигляд: AB, Ab, aB, ab. Тобто чотири типи. Природно, кількість алелів у живому організмі з безліччю ознак буде багаторазово вище, значить і варіантів різноманітності гамет буде у багато разів більше. Ці процеси посилюються конъюгацией і кросинговером, що протікають у процесі поділу.
Існують помилки в реплікації і розбіжності хромосом. Це призводить до утворення дефектних гамет. У нормі такі клітини повинні піддатися апоптозу (клітинної смерті), але іноді вони зливаються з іншої статевої клітиною, утворюючи новий організм. Наприклад, таким чином формується хвороба Дауна у людини, пов’язана з однією додатковою хромосомою.
Слід згадати, що утворилися статеві клітини у різних організмах зазнають подальший розвиток. Наприклад, у людини з однієї батьківської клітини утворюються чотири рівноцінних сперматозоїда – як в класичному мейозі, що таке яйцеклітина – з’ясувати дещо складніше. З чотирьох потенційно однакових клітин утворюється одна яйцеклітина і три редукційних тільця.
Мейоз: біологічне значення
Чому в процесі мейозу кількість хромосом у клітині зменшується, зрозуміло: якщо б цього механізму не було, то при злитті двох статевих клітин відбувалося постійне збільшення хромосомного набору. Завдяки редукционному поділу, в процесі розмноження з злиття двох гамет виходить повноцінна диплоидная клітина. Таким чином, зберігається сталість виду, стабільність його хромосомного набору.
Половина ДНК дочірнього організму буде містити материнську, а половина батьківську генетичну інформацію.
Механізми мейозу лежать в основі стерильності міжвидових гібридів. З-за того, що в клітинах таких організмів знаходяться хромосоми від двох видів, в процесі метафази 1 вони не можуть вступити в кон’югацію і процес утворення статевих клітин порушується. Плодовиті гібриди можливі тільки між близькими видами. У разі поліплоїдних організмів (наприклад, багато сільськогосподарські рослини) в клітинах, які мають парних набором хромосом (октоплоиды, тетраплоїди) хромосоми розходяться як і при класичному мейозі. У разі триплоидов хроматиди утворюються нерівномірно, великий ризик отримати дефектні гамети. Ці рослини розмножують вегетативно.
Таким чином, розуміння, що таке мейоз – фундаментальне питання біології. Процеси статевого розмноження, накопичення випадкових мутацій, а також передача їх нащадкам лежить в основі спадкової мінливості і невизначеного відбору. Сучасна селекція сформована на основі цих механізмів.
Варіанти мейозу
Розглянутий варіант поділу в мейозі характерний головним чином для багатоклітинних. У найпростіших механізм виглядає дещо інакше. В процесі нього протікає одне мейотическое поділ, фаза кросинговеру відповідно, теж зміщується. Такий механізм вважається більш примітивним. Він послужив основою поділу гаплоидных клітин сучасних тварин, рослин, грибів, протікає у дві фази і забезпечує кращу рекомбінацію генетичного матеріалу.
Відмінності мейозу від мітозу
Підсумовуючи відмінності між цими двома типами поділу, потрібно відзначити плоїдності дочірніх клітин. Якщо при митозе кількість ДНК хромосом в обох поколіннях одна і та ж – диплоидная, то в мейозі утворюються гаплоїдні клітини. При цьому в результаті першого процесу утворюються дві, а в результаті другого – чотири клітини. У митозе відсутня кросинговер. Різниться і біологічне значення цих розподілів. Якщо мета мейозу – утворення статевих клітин та їх подальше зливання у різних організмів, тобто рекомбінація генетичного матеріалу в поколіннях, то мета мітозу – підтримання стабільності тканин, цілісності організму.
