Страница - 23

Раздел 10. РАЗМНОЖЕНИЕ

§45. Митоз и мейоз, их биологическое значение

Объяснять значение митоза и мейоза в жизнедеятельности живых организмов

Что такое клеточный цикл? Какие наборы хромосом встречаются в живых организмах? Для чего нужны гаплоидный и диплоидный наборы хромосом? В каких клетках они содержатся?

Митоз и мейоз. Существуют 2 типа деления клеток: митоз и мейоз. Митозом размножаются клетки тел всех эукариот, как одноклеточных, так и многоклеточных. При митозе число хромосом в дочерних клетках не изменяется и остается таким же, как в материнской клетке. Из одной материнской клетки образуются 2 дочерние клетки, в которых содержит­ся такой же набор хромосом, как и в материнской. Причем совершенно не важно, какой набор хромосом содержался в материнской клетке – га­плоидный или диплоидный. Если эта клетка приступила к размножению митозом, из нее обязательно образуются две дочерние клетки с таким же количеством хромосом, какое было в материнской клетке.

Мейоз – способ размножения, при котором из одной материнской образуются 4 дочерние клетки. Набор хромосом в них уменьшается в 2 раза. Таким способом могут размножаться только диплоидные клетки. При этом из одной материнской диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. Так, если клетка, приступившая к мейозу, содержала 50 хромосом, то из нее образуются четыре дочерние клетки по 25 хромосом в каждой.

Значение митоза и мейоза в жизни организмов различно. Митоз - основа бесполого размножения. Этим способом размножаются все од­ноклеточные эукариоты, клетки всех зародышей, как растений, так и животных. Именно митоз – способ появления новых клеток тела орга­низмов. За счет митоза происходит рост – увеличение размеров тела, а также регенерация – восстановление старых или поврежденных частей. Так, у человека в клетках кожи, волос и ногтей митоз идет постоянно. В клетках костей этот процесс активно происходит до 25 лет или в случае переломов. А вот в клетках мозга митоз происходит только до рождения, так как нервные клетки после рождения не размножаются, а только ра­стут. Также за счет митоза появляются новые клетки в образовательной ткани растений. Это кончики стебля и корня, внутренняя структура по­чек, молодые листья, клетки камбия и т. д.

Мейоз – основа полового размножения. У всех многоклеточных жи­вотных, большинства одноклеточных и растений гаплоидные половые клетки – гаметы образуются мейозом. Например, у человека в клет­ках тела по 46 хромосом. А в половых клетках их по 23. При мейозе из 1 половой клетки появляются 4 гаплоидные гаметы. Это происходит потому, что половым клеткам предстоит оплодотворяться – сливаться. Объединившись, сперматозоид с яйцеклеткой восстановят нормальный двойной набор хромосом – 46. Благодаря слиянию гаплоидных гамет в зиготе человека 46 хромосом. Напомним, что зигота – оплодотворен­ная яйцеклетка, или первая клетка любого многоклеточного зародыша. Чаще всего половые клетки не способны размножаться (исключение – партеногенез). Они либо оплодотворяются, либо погибают.

Но у некоторых растений и большинства грибов мейозом образуют­ся не гаметы, а споры. Это происходит у тех организмов, клетки тел которых содержат одинарный – гаплоидный набор хромосом. Если их клетки уже гаплоидны, они не могут делиться мейозом, так как умень­шать набор хромосом уже некуда (меньше единицы набор хромосом быть не может). Речь об этом явлении пойдет в следующих параграфах. Но у большинства организмов клетки тела содержат двойной – диплоид­ный – набор хромосом. И у них количество хромосом в половых клетках в 2 раза меньше (23), чем в клетках тела (46).

Кроме митоза и мейоза есть еще один способ деления клеток – амитоз. Он похож на митоз, но хромосомы по дочерним клеткам распределяются не поровну. Если представить амитоз в клетках человека, то в одну дочернюю клетку может попасть, например, 48 хромосом, а в другую – 44. Подобные клетки не могут давать нормальное жизнеспособное потомство. Они недол­говечны, не дают начала другому организму, тканям или органам. Так об­разуется эндосперм (запас питательных веществ в семенах растений). Его поедают клетки зародыша. Другой пример – клетки оболочек зародыша млекопитающих – плаценты. При родах эти оболочки отторгаются, т. е. перестают функционировать и выбрасываются из организма.

Митоз, мейоз, амитоз, гаплоидный и диплоидный наборы хро­мосом, гамета, зигота, споры, партеногенез.

Знание и понимание:

1. Дайте определение понятию «митоз».
2. Что такое гаметы?
3. Объясните, почему половой процесс нуждается в мейозе.
4. Как вы понимаете диплоидный и гаплоидный наборы хромосом?
5. Объясните, для чего нужен процесс мейоза.
6. Опишите типы размножения клеток.

Применение:

1. Определите связь между типом размножения организмов и типом де­ления клеток.
2. Сравните результаты митоза и мейоза.
3. Назовите причины, по которым в клетках формируется определенное количество наборов хромосом: диплоидное или гаплоидное.
4. Рассмотрите рисунок. Определите, на какой схеме изображен митоз, а на какой – мейоз, впишите недостающие цифры.

5. Опишите, каким образом происходит образование хромосомного на­бора в гаметах и в зиготе.

Анализ:

1. Изобразите в виде схемы процесс формирования структур, содержа­щих хромосомные наборы у человека, начиная с появления еще не оплодотворенной яйцеклетки и заканчивая его внуками.
2. Выскажите ваше мнение о причинах формирования в ходе эволюции разных типов размножения клеток и разных хромосомных наборов: диплоидного и гаплоидного.
3. Докажите на примерах, что у любых высших организмов, способных к оплодотворению, обязательно должны сменяться хромосомные на­боры и протекать митоз и мейоз.

Синтез:

1. Систематизируйте по критериям сходство и отличия процессов митоза и мейоза.
2. Напишите эссе о роли мейоза как одного из величайших эволюцион­ных достижений в развитии живой материи.
3. Возможно ли существование организмов, в телах которых только га­плоидный набор хромосом и никогда не происходит мейоз?
4. Опишите роль митоза в обеспечении биологических процессов.

Оценка:

1. Напишите реферат о трех разных типах размножения клеток: митозе, мейозе и амитозе.
2. Найдите информацию, используя дополнительные источники знаний, и выскажите свое мнение о трех типах редукции: зиготической, гаме- тотической и споротической».
3. Оцените значение в природе явлений митоза и мейоза.

Дискуссия:

Cчитаете ли вы, что возможна соматическая редукция?

§46. Типы размножения животных

Сравнивать способы размножения животных

Чем отличаются бесполый и половой способы размножения? В чем особен­ности вегетативного размножения растений? Возможен ли такой процесс у животных? Какой главный орган полового размножения у покрытосеменных растений? Что такое партеногенез? У каких растений он происходит?

Размножение — общее свойство живых организмов. Живые суще­ства размножаются разными способами. Их объединяют в две большие группы: половое и бесполое размножение. Бесполое размножение – более древний способ. Так размножались самые первые одноклеточные орга­низмы – бактерии (прокариоты). При бесполом размножении не проис­ходит образования половых клеток – гамет.

При половом размножении формируются гаплоидные гаметы. Эти по­ловые клетки необходимы для процесса слияния, т. е. оплодотворения. Для этого не всегда нужны два организма. Существуют исключения в виде партеногенеза и самооплодотворения (гермафродитизм).

Формы бесполого размножения животных.

Митоз, или деление, – основной способ размножения одноклеточ­ных, как животных: амебы, эвглена зеленая, так и растений: хлорелла, хламидомонада.

Фрагментация (стробиляция) – способ размножения, когда тело взрослого организма распадается на отдельные части – фрагменты, ко­торые имеют все необходимые ткани и органы. Это гарантирует восста­новление до целого организма. То есть к процессу размножения фраг­ментацией материнский организм готовится заранее. Так размножается

поколение полипов у сцифоидных кишечнополостных, некоторые пло­ские черви (распадаются на 16 фрагментов), морские звезды (в основном после повреждений) и некоторые кольчатые черви (океанский червь палоло).

При этом способе размножения потомки полностью копируют мате­ринский организм.

Почкование. У кишечнополостных животных в стадии полипа проис­ходит как стробиляция (фрагментация), так и почкование (рис. 98, 99). При почковании на материнском организме образуется вырост – почка. Затем происходит обособление и специализация этого участка тела. В нем закладываются необходимые клетки и органы. Так размножаются губки и кишечнополостные.

Формы полового размножения и их характеристика. Половое размно­жение свойственно всем эукариотам, но преобладает у животных и высших растений. У инфузорий и некоторых бактерий близка к нему конъюгация, при которой происходит обмен наследственным материалом.

Партеногенез – это процесс развития зародыша из неоплодотворен- ной яйцеклетки. При этом способе не происходит оплодотворения, т. е. гаметы не сливаются, потому что сперматозоиды вообще в процессе не участвуют. Партеногенез позволяет комбинировать признаки только предков материнского организма. Из животных таким способом появля­ются, например, личинки многих паразитических червей. Так как сам­ки червей-паразитов находятся внутри организма хозяина, вероятность встретить там самца ничтожно мала. И в организмах самок образуются следующие поколения личинок без процесса оплодотворения.

Из свободно живущих беспозвоночных партеногенезом образуются летние поколения тлей, дафний (мелкие ракообразные) и самцы пчел.

Оплодотворение – классический способ полового размножения, свя­занный со слиянием гамет: яйцеклетки и сперматозоида. Оно происхо­дит как у растений, так и у животных. В процессе оплодотворения мож­но выделить два принципиально различных способа: самооплодотворение и перекрестное оплодотворение. Самооплодотворение возможно только у гермафродитных организмов. Оно происходит у многих паразитиче­ских животных по той же причине, что и партеногенез (мала вероятность встретить партнера противоположного пола).

Но у большинства непаразитических живот­ных-гермафродитов самооплодотворение невоз­можно. Хотя в одном организме животного об­разуются и женские яйцеклетки, и мужские сперматозоиды, самооплодотворение никогда не происходит. Например, у дождевых червей. Вес­ной, после зимнего покоя, начинают активно функционировать семенники. Затем черви обра­зуют пары, и происходит обмен семенной жидко­стью, содержащей мужские гаметы. То есть каж­дый дождевой червь получает мужские гаметы другого червя, отдав ему свои. После этого все черви становятся самками (примерно в течение 7–10 дней), у них перестают работать семенники и начинают активно функционировать яичники. Образовавшиеся яйцеклетки оплодотворяются спермой, полученной от другого червя. То есть дождевой червь никак не может осуществить са­мооплодотворение.

Таким образом появляется наследственно раз­нородное потомство. И при этом каждый червь производит потомство, т. е. не половина особей – самок, а все особи без исключения. Также пере­крестное оплодотворение происходит у некото­рых кишечнополостных, всех брюхоногих мол­люсков и т. д.

Среди позвоночных животных гермафродиты встречаются крайне редко, а самооплодотворение невозможно вовсе.

Суть полового процесса — получить у потом­ков новое сочетание качеств, свойственных двум неодинаковым родительским организмам. По мере совершенствования все живое стремится достичь этой цели.

Знание и понимание:

1. Дайте определение половому и бесполому размножению.
2. Что такое почкование и фрагментация?
3. Дайте определение терминам партеногенез, самооплодотворение.
4. Опишите виды размножения организмов.

Применение:

1. Сравните способы размножения с точки зрения изменчивости потом­ков.
2. Предположите, какой из способов размножения более надежный, а какой – более прогрессивный.
3. Рассмотрите рис. 99. На нем изображен процесс размножения кишеч­нополостных. Определите, какие типы размножения обозначены циф­рами.
4. Назовите, какие животные могут размножаться только половым пу­тем, а какие – только бесполым.
5. Опишите процесс фрагментации.

Анализ:

1. Определите, существует ли связь между типом размножения и ростом численности организмов.
2. Докажите, что половое размножение считается более прогрессивным.
3. Проанализируйте этапы, связанные с половым процессом.
4. Изобразите в виде схемы подтипы полового размножения (оплодотво­рение перекрестное, самооплодотворение и гермафродитизм, раздель­нополость, партеногенез).
5. Выскажите ваше мнение о причинах возникновения полового размно­жения.

Синтез:

1. Систематизируйте по критериям разные типы размножения:

1. количество родительских особей;
2. степень изменчивости;
3. наличие для размножения клеток, отличающихся по хромосомному набору;
4. митоз или мейоз в основе;
5. многочисленность потомства;
6. эволюционная продвинутость;
7. надежность (независимость от обстоятельств).

2. Как взаимосвязаны способы и типы размножения? Можно ли с точки зрения изменчивости приравнять партеногенез к бесполому размноже­нию? Да или нет? Почему?

1. В чем эволюционный смысл полового размножения? Каковы его пре­имущества?
2. Смоделируйте ситуацию: если бы половой процесс никогда не возник в эволюции; если бы бесполый процесс никогда не возник в эволюции.

Оценка:

1. Оцените, при каких способах полового размножения происходит об­мен генетическим материалом между разными особями, а при каких – только формирование гамет.
2. По мнению большинства ученых, партеногенез среди позвоночных – большая редкость (менее 0,1% видов). У млекопитающих он отсут­ствует полностью. У живущих в Северной Америке скалистых ящериц ученые не обнаружили самцов. Возможно, они действительно размно­жаются партеногенезом, как и комодские вараны. Обсудите.

Предположите, какие исследования нужно провести, чтобы точно это установить.

Оцените, какие выводы можно сделать об уровне партеногенеза как эволюционного явления и о продвинутости млекопитающих как класса.

Материал для дополнительного чтения

Споровые растения. Все наземные растения можно поделить на две большие группы: семенные и споровые. К споровым растениям относятся отделы мхов, хвощей, плаунов и папоротников. Иногда хвощи, плауны и папоротники объ­единяют в группу папоротникообразных.

Важнейшим признаком споровых растений является образование спор. Это специализированные клетки в толстой двойной оболочке, приспособленные для размножения и пережидания неблагоприятных условий. Ñпоры многих расте­ний могут выдерживать длительное высыхание и замораживание. Они не теряют жизнеспособности в течение десятков и даже сотен лет.

Споровые растения являются первыми высшими наземными растениями, чьи тела имеют разные ткани и органы. Они сформировались и приспособилась к жизни на суше, являются прямыми потомками многоклеточных зеленых водо­рослей.

Гаплоидные и диплоидные клетки растений. Водоросли - низшие растения. Их тела состоят из одинаковых клеток и не имеют тканей и органов. При этом клетки тел многих зеленых водорослей гаплоидны, т. е. их тела имеют оди­нарный набор хромосом. Гаметы у таких организмов образуются митозом. По­сле чего гаплоидные гаметы оплодотворяются, т. е. сливаются. Образовавшаяся при этом диплоидная зигота – клетка с двойным набором хромосом – состоит из одинарных наборов спермия и яйцеклетки. После этого сама зигота делится мейозом. Возникают четыре гаплоидные клетки, каждая из которых дает начало новому дочернему организму водоросли.

Предположительно у первых растений, вышедших на сушу, клетки тел име­ли гаплоидный набор хромосом. Одинарный набор хромосом до сих пор сохраня­ется у мхов. Все остальные наземные растения состоят из диплоидных клеток. Гаплоидными у них могут быть либо споры, либо гаметы.