Биология

, митоз. Подтверждением является простое наблюдение. Если клетку в S периоде, то есть прошедшую точку старта, совместить с другой клеткой в состоянии G

. (ранняя фаза), в последней немедленно начнутся процессы характерные для 8 периода. При дефиците основных питательных веществ клетки эукариот останавливаются в фазе G

в точке старта. Продолжительность G

, максимальна и у разных клеток колеблется от нескольких часов до нескольких суток.

В постсинтетическом периодеG

синтез ДНК прекращается, но наблюдается интенсивное образование АТФ и ядерных белков. Время необходимое для осуществления этих процессов 3—4 часа. Клетка начинает готовиться к сборке своего митотического аппарата.

Митотический аппарат клетки – это совокупность внутриклеточных структур, которые с началом митоза образуются из центросомы. Центросома (клеточный центр) – органелла, обеспечивающая течение митоза. Она состоит из двух центриолей, связанных тонкой перемычкой центродесмозой и окруженных лучистой сферой цитоплазмы – астросферой.

Митоз (М) – короткий период клеточного цикла. Сущность его заключается в конденсации содержимого ядра и выявлении в нем хромосом, которые удваиваются и затем равноценно распределяются между двумя дочерними клетками. Митоз – это непрерывный процесс, но для удобства рассмотрения в нем выделяют четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 26).

Профаза. Начинается со сдвига физико-химического состояния цитоплазмы и реорганизации цитоскелета клетки. Центросома расщепляется. Ее центриоли расходятся в противоположные стороны, формируя два полюса клетки. Между ними образуется ахроматиновое веретено в виде тонких белковых нитей. Формируется мнтотический аппарат клетки, состоящий из микротрубочек и связанных с ними белков. Ядро клетки несколько увеличивается в размерах. В нем обнаруживаются хромосомы в виде тонких нитевидных структур. Вся группа хромосом выглядит в виде клубка. Ядрышки уменьшаются и исчезают. Конец профазы характеризуется распадом ядерной оболочки на мелкие фрагменты. К этому моменту хромосомы максимально укорачиваются и отделяются друг от друга.

Рис. 26. Схема митоза.

Метафаза. Хромосомы представлены компактными палочковидно изогнутыми тельцами. Каждая хромосома образована двумя тесно связанными половинками – хроматидами. Такие реплицированные (двойные) хромосомы прикрепляются к веретену с помощью особых структур, называемых кинетохоры. В метафазе хромосомы четко сгруппированы в центре клетки, их свободные концы обращены к периферии. Образуется фигура, называемая «материнской звездой» или метафазной пластинкой. Упорядоченное расположение хромосом в метафазной пластинке – это, главным образом, результат действия тянущей силы, создаваемой кинетохорными микротрубочками.

Анафаза. Началом ее является взаимное синхронное разделение всех хромосом на сестринские хроматиды, которые начинают движение к противоположным полюсам. Основное правило анафазы – хроматиды от одной хромосомы расходятся в разные стороны. Движение связано с укорочением микротрубочек кинетохора. В анафазе хроматиды называют дочерними хромосомами. Заканчивается анафаза сближением дочерних хромосом у противоположных полюсов, где они образуют две «дочерние звезды».

Телофаза – заключительная стадия митоза, связанная с реконструкцией ядер. Хромосомы деспирализуются и уже не различаются как отдельные морфологические структуры. Ахроматиновое веретено растворяется. Формируются путем сборки ядерные мембраны, начинается цитокинез – деление цитоплазмы. В животных клетках оно происходит путем гантелевидной перетяжки между ядрами, ее разрыва и образования двух дочерних клеток. Длительность всего клеточного цикла зависит от внешних и внутренних факторов, а также типа клеток. Наиболее короткой фазой является анафаза, максимальную продолжительность имеет интерфаза.

Регулирует и контролирует процессы митоза группа гормонов, относящаяся к факторам роста (см. ниже).

Отмечен суточный ритм митозов, связанных с биоритмами каждого организма. Так, у животных с ночным образом жизни пик митозов приходится на ранние утренние часы, у дневных животных и человека максимум митозов наблюдается в вечерние часы суток. Как долго исходная клетка может делиться митозом? Наблюдения над клетками соединительной ткани (нормальные фибробласты), выращенными в условиях лаборатории, показали, что способность каждой клетки данной линии делиться ограничена 50-ю удвоениями (лимит Хейфлика), после чего эта линия клеток погибает за счет исчезновения теломер. Если клеточную культуру заморозить на длительный срок после 10-го и 20-го удвоения, а затем разморозить, они все равно дадут только 50 удвоений. Также ведут себя и другие типы клеток, что обусловлено их генетической памятью. Клетки, как бы имеют «встроенные часы», точно отсчитывающие число делений своей линии. Жизнь клетки как любой живой системы ограничена.

В 1972 году ученый Ж. Керр впервые описал апоптоз – запрограммированную клеточную гибель. Апоптоз регулируется показателями внешней среды и рядом внутренних факторов, связанных с системой гомеостаза. Гомеостаз – постоянство внутренней среды организма. Посредством гомеостаза обеспечивается точный баланс различных видов клеток на определенных этапах онтогенеза.

Однако, из общего правила есть исключения. Культивируемую линию клеток можно превратить в «бессмертную», обработав вирусом рака. Сейчас существует около 600 бессмертных, трансформированных клеточных линий Наиболее известна линия клеток человека, называемая HeLa, которая возникла в 1952 г., в культуре ткани, взятой из матки женщины. С тех пор она непрерывно культивируется. Чтобы животные клетки приобрели способность к неограниченному клеточному делению, они должны обрести некоторые особенности раковых клеток.

Биологическое значение митоза. Точный механизм клеточного деления обеспечивает качественное явление жизни – наследственность. В ходе митоза (клеточный цикл) происходит передача генетического материала в бесчисленных поколениях клеток. Митотическое деление клеток делает возможным рост и развитие. Оно поддерживает структурную целостность организмов посредством восстановления компонентов тканей, утраченных в ходе нормальной жизнедеятельности или при различных повреждениях.

Рост клетки

Закончив митоз, клетки вступают в рост. В процессе роста происходит увеличение объема ядра и цитоплазмы, формируется цитоскелет, закладываются клеточные органеллы. В итоге, каждая клетка приобретает свой ядерно-цитоплазматический коэффициент, характерный для данной клеточной линии:

Мnгде: Мn – масса ядра,

Мс Мс – масса цитоплазмы.

Рост клеток контролируется факторов роста. Система включает: 1) белковый фактор роста, 2) специфические к нему клеточные рецепторы, 3) связывающие белки, которые регулируют поступление к клетке факторов роста. Помимо роста клеток, фактор роста оказывает свое действие на различные фазы клеточного цикла. Белковые факторы роста разнообразны и входят в группу гормонов роста. Особенностью их является то, что они вырабатываются не специальными железами, а неспецифическими клетками, находящимися во многих тканях. Наиболее изученным фактором роста является инсулиноподобный фактор. Он очень похож на белок инсулин, но ген инсулина находится у человека в хромосоме 19, а ген инсулиноподобного фактора роста – в хромосоме 15. Таким образом, эти белки являются продуктами различных генов.

Рост клетки сопровождается усилением пластического обмена и требует значительного напряжения энергетических процессов. На заключительном этапе роста клетка дифференцируется – приобретает специальные черты и становится функционально активной.

Раздел III. Организменный (онтогенетический) уровень организации живого/Размножение – фундаментальное свойство жизни

Размножением называется способность особи производить себе подобных, то есть давать потомство. Необходимость продолжения рода обеспечивается программой организма, которая имеет генетическую основу и выполняется при участии кластеров – интегрированных блоков генов. Это блоки эволюционной памяти, где отражены важнейшие этапы эволюции данного вида. Никто не учит живые организмы совершать порой чрезвычайно сложные действия для того, чтоб обеспечить появление и нормальное развитие своего потомства. Указанные особенности закреплены эволюционно и проявляются в виде инстинктов.

Составными элементами размножения являются наследственность, рост и развитие.

Наследственность обеспечивает тождество между родителями и потомками, тем самым, сохраняя непрерывность жизненного пути.

Рост – механизм, восстанавливающий дефинитивное состояние особей. В отсутствие роста любой способ размножения приводит к быстрому измельчению потомства и угасанию жизненного цикла в данной генетической линии.

Развитие – важный, но не обязательный элемент размножения. У некоторых примитивно организованных живых существ развитие выпадает, поскольку основные черты клеточной организации сохраняются.

Функция размножения отличаются от многих других функций тем, что служит интересам вида, а не индивидуума. В ходе эволюции жизненный успех сопутствовал тем видам, которые лучше размножались и давали более плодовитое потомство с лучшими шансами на выживание. Именно этим объясняется, почему многие особенности живых организмов, как структурные, так и поведенческие, подчинены интересам размножения, а в ходе онтогенеза для этого формируются специальные системы органов.

Типы размножения

Бесполое размножение животных может происходить следующими способами.

1. Митотическим делением клетки. Это наиболее распространенный способ репродукции клеток, свойственный многоклеточным и одноклеточным организмам.

2. Простым делением клетки. Так размножаются, в частности, прокариотические клетки.

3. Шизогонией, или множественным делением, которое представляет более редкую форму, свойственную, например, некоторым простейшим организмам.

4. Почкованием клетки, которое бывает наружным и внутренним. При наружном почка образуется на поверхности клетки, при внутреннем изнутри, причем перед отделением почки поступают в специальную полость внутри материнской клетки и лишь затем выводятся наружу. Данный способ хорошо выражен у сосущих инфузорий – сукторий.

Рис. 27. Почкование дрожжевых грибов.

5. Спорообразованием, репродукцией при помощи спор, форма типичная для простейших споровиков.

6. Вегетативное размножение характеризуется тем, что начало новому организму дают группы клеток или многоклеточные зачатки, иногда участки тела родителя. Вегетативный способ наиболее широко распространен у низших представителей животного царства (кишечнополостных, губок), но может наблюдаться и у относительно высокоорганизованных животных (кольчатых червей).

Половое размножение животных получило в природе доминирующие положение, потому что является неиссякаемым источником изменчивости в результате перекомбинаций генетического материала. Оно совершается с участием половых клеток, гамет.

Половые клетки, гаметы, являются высокоспециализированными клетками, предназначенными для полового размножения. Их главная функция – осуществить перенос в закодированном виде генетической информации от родительских форм к потомкам, обеспечить формирование зиготы. Тем самым, с помощью половых клеток реализуется механизм наследственности.

Известны две группы половых клеток: мужские гаметы – сперматозоиды (спермии) и женские гаметы — яйцеклетки (овоциты, яйцевые клетки). Первые способны к различным по форме и быстроте типам движений, вторые – неподвижны, имеют систему оболочек и могут включать различные количества питательного материала необходимого для развития зародыша.

Принципиальные отличия половых клеток от соматических (телесных) состоят в следующем:

1. Зрелые гаметы гаплоидны, то есть содержат половинный набор хромосом.

2. В половых клетках резко изменены объемные соотношения ядра и цитоплазмы (ядерно-цитоплазматический коэффициент). В закончивших развитие половых клетках процессы метаболизма замедлены.

Развитие половых клеток

Развитие половых клеток, гаметогенез, включает процессы сперматогенеза и овогенеза. Эти процессы происходят в половых железах, гонадах, которые называются соответственно семенники и яичники.

Сперматогенез

Развитие мужских половых клеток включает четыре стадии: размножение, рост, созревание, формирование.