Популярная генетика для владельцев той-терьеров. Часть 1. Клетка и её деление.
Популярная генетика для владельцев той-терьеров. Часть 1. Клетка и её деление.
Автор: Анастасия Винжега
1. Клетка и её деление. Митоз
Сначала надо определиться с основными понятиями. Да простят меня знатоки и ценители славной науки цитологии (наука
о клетке), но я постараюсь сделать это как можно короче. Те, кто
захотят углубиться, могут почитать учебник биологии за 10-11 классы
(там все описано простым языком) или найти специальную литературу.
Все прекрасно знают, что есть «ген», «ДНК» и другие понятия, но не все ясно представляют их и их работу. Давайте попробуем разобраться.
Итак, у нас есть клетка. В клетке – ядро. В ядре – хромосомы.
Что собой представляют хромосомы? Это кусочек нити ДНК. Так как генов
огромное количество, то и ДНК – очень длинная нить. А информацию с
очень длинной нити считывать неудобно, поэтому все упрощено: длиннющая
ДНК поделена на отдельные ДНК-шечки, т.е. хромосомы. Они и короче, и
форму имеют свою, что упрощает процесс деления клетки.
Как выглядит ДНК, все знают – это две спирально закрученные
нити. Между ними находятся так называемые азотистые основания, которые
состыкуются особым образом. А большое число водородных связей не дают
нитям развалиться и сохраняют подвижность молекулы ДНК. Каждая нить –
это «постройка» из нуклеотидов. Нуклеотиды – это
химическое соединение трех остатков веществ: азотистого основания,
углевода и фосфорной кислоты. А углевод не какой-нибудь, а так
называемая «дезоксирибоза». Поэтому и ДНК – это ДезоксирибоНуклеиновая Кислота. Нуклеиновые кислоты играют центральную роль в хранении и передаче наследственной информации.
Далее мы должны осознать, что клетки бывают соматические (это клетки тела: кожи, органов, когтей, крови и проч.) и половые. На примере соматических клеток обычно показывают процесс деления как таковой, потому что проходит он проще, а называется «митоз» (от греч. «митос» - нить). Вот давайте и посмотрим, что же там творится.
Вот есть некая клетка, скажем, мышечная, которая готова
делиться. У нее в ядре в виде тонюсеньких волосков «дремлют» хромосомы.
Их там четное количество. Если мы ведем речь о собаках, то их там 78
штук. Пока клетка только готовится, это время называют интерфазой.
В это время клетка растет и достигает нормальных размеров, в ней
происходит активный биосинтез, и в определенный момент хромосомы в ее
ядре начинают удваиваться. То есть каждая хромосома выстраивает рядом с
собой свое точное подобие. И теперь каждая хромосома представляет
собой органоид из двух совершенно идентичных частей, которые называются
«хроматиды». Хроматиды держатся друг с другом посредством специальной точки сцепления – центромеры.
Процесс удвоения хромосом очень интересен, но я не буду на нем
останавливаться. Просто поверьте на слово. (рис. 7.1 – я обращаю
внимание, что это – упрощенный схематичный рисунок клетки.)
И вот наша героиня решила, что пора. В ее
ядре начинаются изменения: каждая хромосома начинает закручиваться в
спиральку. И теперь хромосомы в микроскопе видны не как тоненькие и
длинные, а как толстенькие и коротенькие. Причем каждая хромосомка –
особой длины, формы. К этому времени оболочка ядра рассасывается, все
другие клеточные включения замирают. Это – профаза. (рис. 7.2)
Свернувшись, хромосомы оказываются в
центре клетки и встают в стройный ряд. В противоположных частях
(полюсах) клетки из особых точек – центриолей –
начинают появляться так называемые нити веретена деления. Если мы
представим клетку как яйцо, то в центре – все хромосомы, а из верхней и
из нижней частей начинают тянуться нити. Каждая ниточка прикрепляется
к центромерам. Это – метафаза. (рис.7.3)
Как только каждая нить нашла свою хромосомку, в один миг
происходит сокращение этих нитей, в результате чего хромосомы
разделяются пополам: ниточка из нижней части утаскивает к себе свою
хроматиду, а ниточка из верхней – свою. Так как обе хроматиды содержат
идентичную друг другу информацию, то в разных полюсах клетки
оказываются хроматиды с одинаковой информацией. Этот коротенький период
называют анафазой. (рис.7.4)
Когда анафаза закончилась, в нашей
клетке оказалось два набора хромосом – 78 в одном полюсе и 78 – в
другом (на рисунке их по 3). Вы ведь помните, что перед делением
хромосомы удвоились? Вот теперь это удвоение и пригодилось: хромосому
«разорвали» пополам, и каждая хроматида отошла в сторону. Эти хроматиды
без своего двойника станут самостоятельными хромосомами, когда
клетка поделится окончательно. А до конца осталось совсем немного.
Когда хроматиды разошлись, происходит сближение противоположных сторон
внешней оболочки клетки в центральной части. Сблизившись, они
размыкаются и снова смыкаются так, что вместо одной клетки получается
две. В это же самое время хромосомы разворачиваются
(деспирализируются), в каждой клетке образуется оболочка ядра, а в ней
опять в беспорядке уже раскрутившиеся в виде тонких волосков хромосомы
ждут следующего деления. Это была телофаза. (рис. 7.5)
В итоге получились две дочерние клетки, идентичные материнской по «составу».
2. Мейоз
Это процессы деления половой клетки, их два: мейоз I и мейоз II. Дело в том, что половые клетки – яйцеклетки и сперматозоиды
– должны иметь только половину набора хромосом, то есть 39 штук
(гаплоидный). Если и яйцеклетка, и сперматозоид будут иметь по 78
хромосом, то при слиянии у зародыша их получится 78+78=156, а это уже
не будущая собака, а неведома зверушка. Поэтому половым клеткам нужно
пройти две стадии подготовки перед тем, как стать полноценной
яйцеклеткой с 39 хромосомами и полноценным сперматозоидом с тем же
количеством хромосом. В процессе этих стадий половые клетки именно тем и
занимаются, что «освобождаются» от «лишних» хромосом. Когда же
сперматозоид сольется с яйцеклеткой, их половинные наборы создадут
полный набор – 78 штук (диплоидный), который и даст нам новое существо –
собаку. И всего делов!
Что же там происходит? В ядре половой клетки тоже «дремлют» хромосомы. Сначала клетка готовится к делению. В ее ядре – двойной набор хромосом, т.е. 78 штук, которые начинают удваиваться.
Итак, клетка готова – она сыта, здорова, имеет запас энергии. Начинается профаза I:
уже удвоенные хромосомы спирализуются и приобретают свою форму и
размер. И тут оказывается, что вон та третья слева просто один в один
похожа на ту, которая вон там внизу справа! Знаете, что это значит? Это
значит, что эти хромосомы – гомологичны, т.е. схожи. Они сближаются и
от счастья, что наконец-то нашлись, соединяются и скручиваются по всей
длине друг с другом. Этот процесс называется конъюгация.
Пока эффект от встречи не закончился, хромосомы могут обменяться
какими-нибудь своими частями: серединками, краешками и т.д. Такой обмен
называется кроссенговер. После обмена они раскручиваются и просто держатся друг за друга.
Теперь начинается метафаза I: хромосомы
располагаются в плоскости экватора. Другими словам – по центру клетки.
Каждая хромосома мало того, что сама удвоенная (т.е. представляет собой
две хроматиды), так она еще держит свою гомологичную подругу, тоже
удвоенную. Из центриолей появляются нити веретена деления и
прикрепляются к центромерам подружек.
Когда все уже выстроились, а нити прикрепились, происходит анафаза I:
резкое сокращение нитей. И тут – внимание! – в противоположные части
клетки расходятся не отдельные хроматиды, а сдвоенные хромосомы: одна –
в одну часть, другая – в другую.
Что это значит? Было 78 хромосом. У каждой из них после
спирализации оказалась в наличии подруга-близнец. В митозе (делении
соматической клетки) хромосомам было все равно – есть у них подружка
или нет. А тут наоборот. Хромосома в гордом одиночестве не пойдет
строиться в ряд к центру, пока не найдет свою гомологичную пару. То
есть пойти-то она может, но тогда и процесс деления пойдет не по плану.
А нас сейчас интересует именно правильное деление.
Итак, они разошлись. Начинается телофаза I:
нити исчезают, центриоли замирают до следующего деления, а клетка
делится пополам. Получилось 2 клетки, в которых пока четное количество
хромосом, но эти хромосомы уже не те, что перед делением, потому что
кое-какие части у них поменялись местами во время конъюгации. Таким
образом, генетическая информация стала немного другой, скажем, более
разнообразной. И следующая задача получившихся клеток – это пройти
деление еще раз так, чтобы теперь уже, минуя процесс удвоения, к полюсам
разошлись только хроматиды.
Поэтому клетка тут же делится еще раз. После короткой профазы
II, хромосомы встают в ряд и к ним прикрепляются нити (метафаза II).
Далее – короткая анафаза II – и к полюсам клетки
разошлись одинокие хроматиды. Хрясь! – и клетка делится пополам
(телофаза II). Получаем две клетки, а в них – гаплоидный набор! Ба,
знакомые все лица: да это уже ЯЙЦЕКЛЕТКА и СПЕРМАТОЗОИД! Здрасьте, заждались!
Суть: после митоза из одной изначальной (материнской) клетки получили две точно такие же (дочерние), а после мейоза – четыре, но уже не такие же, как изначальная.
До всех этих делений первичные половые клетки кобеля и суки
сходны, потом они дифференцируются. У кобелей первичные половые клетки
называются «сперматогонии», которые превращаются в сперматоциды первого порядка, а те делятся и превращаются в сперматоциды 2-го порядка, а те, когда набор хромосом станет гаплоидным, и являются спермиями. Весь этот процесс называется сперматогенез. У сук немного иначе: первичные половые клетки – оогонии – сначала становятся ооцитами 1-го порядка, потом 2-го порядка, а только потом единицы из них станут яйцеклетками. Это оогенез.
Зачем нам это нужно знать? Затем, чтобы уяснить одну вещь: у кобелей
из первичных половых клеток получается множество сперматозоидов, а у
сук – единичные яйцеклетки, потому что, несмотря на то, что все ооциты
имеют шанс стать яйцеклетками, этого не происходит – часть остается
недоразвита. Это происходит потому, что яйцеклетка – самая крупная
клетка организма. Ей надо много энергии, она занимает много места. Если
бы все ооциты становились яйцеклетками, они бы заполонили собой все
свободное место – развивающимся эмбрионам просто стало бы тесно.
И теперь любому станет ясно, что человек, который говорит: «Мой
кобель дает много щенков» - просто не знает, о чем говорит. Любой
кобель имеет тысячи сперматозоидов и может дать тысячи щенков. А вот
сколько яйцеклеток будет у суки, столько и щенков будет зачато. Сколько
зародышей выживет в первые три недели беременности, сколько плодов
не замрут в развитии в течение следующих периодов беременности –
зависит от суки, ее здоровья, условий окружающей среды и генетической
способности приносить здоровые, полноценные, многочисленные пометы.
Логичнее гордиться тем, что кобель с разными суками дает в каждом
помете одного-единственного классного щенка, чем десять, но
посредственных.
Конечно, это не значит, что кобель совсем не при чем. Во-первых,
от кобеля зависит пол щенков. А во-вторых, у здорового, молодого
кобеля и сперматозоиды активнее, подвижнее. Стало быть, быстрее и точнее
«попадают в цель». Главное, чтобы эта цель была.