Биология как наука, методы биологии

Глава 1.

Введение в курс биологии

Биология как наука, методы биологии

Биология (bios – жизнь, logos – слово, учение) – наука о жизни. Биология как наука зародилась около 2000 лет назад. Основателем биологии является Аристотель. Термин предложил немецкий ученый Тревиранус Г.Р. в 1802 г.

Предметом биологии являются все проявления жизни. Биология изучает строение, функционирование организмов и их сообществ, распространение, происхождение, развитие индивидуальное и историческое, их взаимодействие между собой и с окружающей средой.

Живые биологические системы очень сложны, поэтому сложны и очень разнообразны методы, способы и формы их исследования. Однако, несмотря на это разнообразие, можно выделить наиболее важные методы исследования, используемые практически во всех биологических науках - наблюдение, описание, эксперимент, сравнительный и исторический методы, моделирование.

Метод наблюдения дает возможность анализировать и описывать биологические объекты и явления. На методе наблюдения основывается описательный метод. Для того, чтобы выяснить сущность явления, необходимо прежде всего собрать фактический материал и описать его.

Сравнительный метод позволяет через сопоставление изучать сходство и различия организмов и их частей.

Исторический метод выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и механизмов функционирования.

Экспериментальный метод связан с целенаправленным созданием ситуации, которая помогает исследователю изучать свойства и явления живой природы. Этот метод позволяет исследовать явления изолированно и добиваться их повторяемости при воспроизведении тех же условий.

К новым методам исследования в современной биологии можно отнести моделирование. Основными методами исследования биологических систем являются наблюдение и эксперимент. Но эксперименты со многими объектами, особенно надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы, биосфера) часто недопустимы в силу их уникальности или невозможности по причинам технического и финансового характера, а также из-за длительности многих экспериментов. Поэтому эти объекты заменяют их искусственными упрощенными копиями – моделями, на которых проводят эксперименты. Например, простейшей моделью водной экосистемы является аквариум. Ведущее место среди различных типов моделей занимают математические, которые можно реализовать на компьютере. Математические модели позволяют выявлять «белые пятна» наших знаниях об объектах исследования, прогнозировать их развитие, выявлять пределы устойчивости и оптимизировать функционирование с целью сохранения в изменяющихся условиях внешней среды или рационального использования. Преимущества экспериментов на модели заключаются в том, что при моделировании могут быть воспроизведены такие крайние положения, которые подчас не могут быть воссозданы на самом объекте.

Примеры моделей: модель последствий ядреной войны, модель экосистемы оз. Байкал, модель распределения рыбы в Японском море для организации рационального промысла (Меншуткин В.В., Жаков Л.А., ЯрГУ).

Комплексное, или системное, изучение природы, использующее различные методы, позволяет наиболее полно познать явления и объекты окружающего мира.

 

Свойства живых систем

1. Целостность и дискретность.

Организм целостен, нарушение целостности приведет к его гибели. Вместе с тем, организм дискретен, состоит из отдельных, но взаимодействующих частей, например, органов. (См. раздел уровни организации).

2. Структурированность – наличие определенного строения, нарушение которого приводит к гибели организма.

3. Субстрат – это материал, из которого построен организм. Для живых организмов это, прежде всего, комплекс биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.

4. Обмен веществ (метаболизм). Все живые организмы на Земле – открытые системы, через которые проходят потоки вещества и энергии. Организмы поглощают из окружающей среды элементы, необходимые для питания, и выделяют продукты жизнедеятельности. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма.

5. Гомеостаз (саморегуляция) – способность организмов сохранять постоянство внутренней среды (например, постоянная температура тела человека 36,6 ⁰С при любой температуре окружающей среды).

6. Раздражимость – свойство живого организма воспринимать внешние и внутренние раздражители и реагировать на них.

7. Размножение (самовоспроизведение, репродукция) – свойство организмов воспроизводить себе подобных, что обеспечивает непрерывность и преемственность жизни. В основе размножения на молекулярном уровне лежит самоудвоение ДНК (репликация), на клеточном уровне – деление, на организменном – размножение организмов.

8. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, то есть постоянством молекул ДНК.

9. Изменчивость – свойство организмов существовать в различных формах (вариантах). Изменчивость проявляется в появлении различий между потомками одного поколения и между родителями и потомками. Изменчивость создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования, что приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

10. Рост и развитие (онтогенез). Рост выражается, как правило, в увеличении массы. Развитие выражается в проявлении различий в строении и функциях развивающегося организма.

 

Глава 2. Клеточная теория

Глава 3. Химия клетки

Вода

Вода - самое распространенное соединение в живых системах. Но содержание воды колеблется в широких пределах: от 10% (эмаль зубов), 20% (костная ткань), до 85% (головной мозг человека), в сухих семенах 10-12%, у медузы 95-98%, т.е. весь организм по существу состоит из воды. Потеря 20% воды приводит к гибели клетки или анабиозу.

Свойства воды уникальны, т.е. ни одно другое соединение не обладает ими. Это обусловлено строением ее молекул: один атом кислорода связан прочной ковалентной связью с двумя атомами водорода, т.е. Н₂О – очень простое соединение. Атомы водорода присоединены к кислороду под углом 104,5⁰.

 

 

 

Рис.1. Строение молекулы воды.

 

Особенности физических свойств воды связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий. Распределение электронной плотности в молекуле воды таково (рис.1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1, г). Благодаря этому молекула воды дипольна, а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами. В результате образуются кластеры (при мгновенном замораживании они похожи на красивые снежинки, рис.2.).

 

Рис.2. Образование кластера воды.

 

Кластеры образуют рабочую «структуру воды». Водородные связи слабые, в 15-20 раз слабее ковалентных. Поэтому одни связи легко рвутся, другие возникают. Вследствие этого молекулы очень подвижны. Любые внешние изменения (температуры, давления и т.д.) меняют эту рабочую структуру. Таким образом, вода обладает высокой чувствительностью и памятью.

Молекулы воды могут присоединяться к молекулам, несущим электронный заряд, в результате образуются гидраты. Если сила притяжения между молекулами воды меньше, чем притяжение воды к молекулам вещества – вещество растворяется.

 

Свойства и функции воды.

1. Связывает в единую систему всю живую и неживую природу на планете. Вода подвижна, изменчива, но меняется не химический состав молекул, а структура кластера.

2. Вода - универсальный растворитель. Из-за полярности она не имеет в этом себе равных: в воде растворяется больше веществ, чем в каких-либо других жидкостях. Вещества в клетку поступают и выводятся только в растворенном виде.

3. По отношению к воде вещества в клетке делятся на 2 группы:

а) гидрофобные (fobos – страх, ужас): нерастворимы в воде (жиры, полисахариды и др.)

б) гидрофильные (fileon – люблю): растворимы в воде (минеральные соли, кислоты, моносахариды и др.)

Благодаря этому свойству воды (за счет гидрофобных взаимодействий) в клетке собираются:

1) биологические мембраны,

2) белки и ДНК принимают форму спирали.

4. Для воды характерна высокая теплоемкость (т.е. чтобы поднять температуру воды и разорвать водородные связи требуется много энергии). Так температура кипения воды 100⁰С, а у спирта 70⁰С.

5. Высокая теплопроводность. Благодаря этому свойству в клетке и организме поддерживается тепловое равновесие.

6. Вода сама как химическое соединение участвует во многих химических реакциях. Например, реакции гидролиза идут за счет присоединения воды.

7. Является источником О₂ и Н⁺ при фотосинтезе (фотолиз воды).

8. Вода – основная среда для транспорта веществ в клетке (диффузия) и организме (токи крови и лимфы, межтканевой жидкости, содержащими питательные вещества, О₂ и СО₂, гормоны, вещества, включающие и выключающие работу генов). Это транспортная функция.

9. Обеспечивает объем и упругость клетки: тургорное и осмотическое давление, сохраняет форму клеток и организмов (гидроскелет у круглых и кольчатых червей).

10. Среда для оплодотворения.

11. Среда для жизни водных организмов.

12. Среда для развития зародышей животных (в амнионе).

13. Участвует в образовании смазочных жидкостей в суставах, плевральной полости, околосердечной сумке.

14. Образует слизи, обеспечивающие передвижение веществ по кишечнику, влажную среду на слизистых оболочках (чихание, кашель).

15. Участвует в образовании секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и соли в организме).

16. Вода - лимитирующий фактор жизни на нашей планете. Всюду, где есть вода, есть жизнь, где нет воды – там нет жизни.

 

Липиды

Липиды (от греч. lipos – жир) – группа веществ, химически разнообразных, но обладающих некоторыми общими свойствами. Так, все липиды неполярны, следовательно, нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворах (бензин, эфир, хлороформ и др.).

Липиды содержатся во всех клетках, но количество сильно различается: от 1,5% до 70% (сухие семена). В клетке наиболее важная роль принадлежит таким липидам, как жиры и жироподобные вещества (фосфолипиды и воски).

Жиры представляют собой соединения двух-трех молекул жирных кислот и одной молекулы многоатомного спирта (рисунок).

 

Рис.3. Структура фосфолипида.

 

Общая формула жирных кислот R-COOH, где R – радикал, по которому различаются жирные кислоты. Радикал гидрофилен, а «хвост» гидрофобен. Поэтому расположение таких молекул в воде, в масле и на границе воды и масла будет различно.

Жирные кислоты бывают насыщенные (твердые) и ненасыщенные (жидкие, называются масла). Насыщенные характерны для животных, более твердые. Исключение – рыбий жир. Ненасыщенные характерны для клеток растительных организмов. Исключение – кокосовый жир.

Липиды делятся на простые и сложные. Простые липиды (жиры, воски, масла) состоят только из остатков жирных кислот и многоатомных спиртов. Сложные липиды состоят из остатков жирных кислот, спиртов и других веществ.

Фосфолипиды – соединения липидов и остатков фосфорной кислоты, входят в состав биологических мембран.

Гликолипиды – соединения липидов и углеводов (образуют гликокалекс).

Липопротеиды- соединения липидов и белков.

Пигменты.

Липиды синтезируются в каналах эндоплазматической сети, аппарате Гольджи. В организм животных липиды поступают с пищей, расщепляются до глицерина и жирных кислот, а эти в свою очередь образуют жиры клетки.

 

Функции липидов.

1. Строительная. Липиды входят в состав биомембран, а следовательно почти во все органоиды клетки (см.рис.). Благодаря биомембране клетка отгорожена от среды, так как мембрана не растворяется в воде. Мембрана полупроницаема, поэтому в клетке своя среда, отличная от окружающей.

 

Рис.4. Строение биологической мембраны.

 

2. Энергетическая. Жиры окисляются, выделяя много энергии: 1 г дает 38,9 кДж, т.е. примерно в 2 раза больше, чем углеводы. Они обеспечивают 25-30% энергии, необходимой организму.

3. Защитная а). У жира низкая теплопроводность (в отличие от воды). Поэтому жировая прослойка обеспечивает теплокровным животным постоянную температуру тела. Так, киты, жировая прослойка которых достигает 1 м, живут и размножаются при 4^оС. б). Жир обеспечивает защиту и от механических воздействий (амортизация). У животных жир откладывается на почках, вокруг глаз, в подкожной жировой клетчатке. Растения благодаря жировой смазке листьев не намокают во время дождя. У животных – смазка перьев, шерсти, кожных покровов.

4. Запасающая. Липиды служат в качестве запасных питательных веществ у животных и растений, особенно много их в семенах.

5. Жир окисляется с образованием эндогенной воды, поэтому при спячке (медведи, сурки) жиры обеспечивают организм не только энергией, но и водой. 1 кг жира дает 1,1 л эндогенной воды.

6. Некоторые липиды являются биологически активными веществами: гормоны (например, половые), желчные кислоты, холестерин, кортизон, у растений – ростовые вещества (подобные гормонам животных).

 

Углеводы

Углеводы – органические соединения, в состав которых входят три элемента: углерод, водород, кислород. Общая формула С_n(H₂О)_n, за что они получили свое название – углеводы. Углеводы содержатся во всех организмах, особенно много их в растениях – до 90% сухой массы (целлюлоза, крахмал). В животных клетках находится в пределах 1-2% углеводов.

Угнлеводы принято делить на три основных группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды (см. схему).

 

 

 

 

Рис.5. Углеводы.

 

Чем меньше молекулярные вес, тем углеводы более сладкие и лучше растворяются в воде. С увеличением молекулярного веса теряется сладкий вкус и снижается растворимость. Так, наиболее сладкая и легко растворимая глюкоза, а целлюлоза и крахмал нерастворимы и несладки.

Функции углеводов.

1. Энергетическая. Легко разлагаются с выделением энергии. 1 г углеводов при разложении до СО₂ и Н₂О дает 17,6 кДж, т.е. столько же, сколько дает 1 г белка. Однако углеводы легче расщепляются благодаря строению молекулы, поэтому используются с первую очередь. 60% энергии у человека обеспечивается за счет углеводов.

2. Строительная. Из углеводов построены органоиды клетки, например целлюлозная оболочка, гликокаликс, хитин, муреин.

3. Запасающая. Углеводы запасаются у животных и у растений (жир, крахмал, гликоген). Они нерастворимы в воде, поэтому «консервируются» в виде капель, гранул.

4. Защитная. Например, хитиновый покров у членистоногих и грибов.

5. Входят в состав ДНК (дезоксирибоза), РНК (рибоза), АТФ (рибоза).

 

Белки

Белки – сложные органические вещества, состоящие из Н, О, С, N. Некоторые белки образуют комплексы с другими соединениями, включающими S, P, Fe, Zn, Cu. Белки - очень крупные молекулы, вторые на планете после ДНК, молекулярный вес от нескольких тысяч до сотен тысяч.

Белки – полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Так, в организмах на нашей планете содержится 20 типов аминокислот. Некоторые аминокислоты являются незаменимыми: они не синтезируются в организме человека, а должны поступать с пищей. Их восемь (триптофан, лизин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, треонин).

Построены все аминокислоты по одной схеме:

 

 

Различаются аминокислоты только по радикалу.

 

Образование полипептидной цепи.

Оказавшись рядом во время синтеза белка, аминокислоты соединяются, и образуется дипептид.

 

 

Пептидная связь – ковалентная, т.е. очень прочная. Две аминокислоты образуют дипептид, если аминокислот много – полипептид. Все белки – полипептиды, т.к. их молекулы включают тысячи аминокислотных остатков.

Последовательность аминокислот в первичной полипептидной цепи определяется генами. Это и есть первичная структура молекулы белка. В таком состоянии белок неактивен, т.е. не работает в клетке. Далее идет преобразование этой нити, которое зависит только от того, какие аминокислоты и в каком порядке собраны в белке.

Вторичная структура – это первичная полипептидная цепь, закрученная в спираль. Витки спирали удерживаются водородными связями. Для неактивных белков (кератин ногтей) это не спираль, а лестница. При вторичной структуре белок уже может быть активным, т.е. работать в клетке.

Третичная структура – за счет ионной связи (дисульфидные мостики), водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Радикалы бывают гидрофильные и гидрофобные, поэтому они или притягиваются или отталкиваются, и спираль превращается в глобулу (рис.6.). Большинство белков работает именно в этой структуре.

Четвертичная структура – некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей и могут даже включать небелковые компоненты. Например, гемоглобин крови состоит из четырех полипептидных нитей и небелкового компонента гемма, содержащего железо. Железо определяет красный цвет нашей крови. Если в молекуле содержится не железо, а медь, кровь будет «голубая». Связи между компонентами обеспечиваются дисульфидными мостиками, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

 

 

 

Рис. 6. Первичная (1), вторичная (2), третичная (3) и четвертичная (4) структура белка.

 

Белки очень лабильны, чувствительны к условиям окружающей среды и под действием физических и химических факторов (температура, кислотность среды и т.д.) могут изменять свою структуру – денатурировать. Четвертичная структура переходит в третичную, третичная – во вторичную, вторичная – в первичную. При возвращении прежних условий белки могут восстановить свою структуру. Это называется ренатурация. Первичная структура перейдет во вторичную, вторичная – в третичную, третичная – в четвертичную. Процессы денатурации и ренатурации постоянно идут в клетке.

При нарушении первичной структуры, т.е. когда первичная полипептидная цепь распадается на отдельные аминокислоты, денатурация необратима. В новый белок аминокислоты могут собраться только по указанию ДНК. Таким образом, на нашей планете существует только один путь получения белков – по указанию ДНК в рибосомах.

По аминокислотному составу белки делятся на полноценные (т.е. содержат все или почти все незаменимые аминокислоты) (альбумин яйца, мясо, рыба, молоко), т.е. продукты, которые определяют рост и развитие ребенка. Неполноценные (не содержат полного набора аминокислот) – большинство растительных белков.

Функции белков.

1. Строительная. Все биологические мембраны построены из белков и липидов, а, следовательно, все мембранные органоиды клетки. Кроме того, белки составляют и основу немембранных компонентов – рибосом, образуют ее цитоскелет. Белок коллаген – главный компонент хрящей суставов, из белка кератина состоят волосы, ногти, перья.

2. Ферментативная (каталитическая). Все реакции в клетке идут с участием биологических катализаторов – ферментов. Они ускоряют и направляют химические реакции.

3. Энергетическая. При разложении белка выделяется энергия, 1 г белка дает 17,6 кДж энергии.

4. Защитная (иммунологическая). В организме человека содержатся защитные белки – антитела. Они связываются с возбудителями болезней (антигенами), образуя комплексы антиген-антитело, которые не способны выполнять свои функции.

5. Двигательная (сократительная). Все виды движений выполняются сократительными (двигательными) белками. К таким белкам относятся актин и миозин. Белки обеспечивают движение жгутиков и ресничек, листьев растений, расхождений хромосом при делении клеток.

6. Регуляторная. Большинство гормонов – белки. Они контролируют развитие организма и все процессы его жизнедеятельности.

7. Сигнальная. В биологических мембранах находятся специальные белки-рецепторы. В ответ на химические и физические факторы они меняют структуру, а следовательно и конформацию молекул белков, обеспечивают прием сигналов и передачу их в клетку. Это обусловливает раздражимость.

8. Транспортная. Белки переносят атомы, группы атомов и молекулы (гемоглобин).

Таким образом, белки определяют практически все свойства и признаки организма.

 

Глава 4. Организация клетки

По характеру организации генетического материала можно выделить несколько типов клеточной организации.

 

Таблица 3.

Характерные признаки прокариотических и эукариотических клеток.

 

	Признак	Прокариоты	Эукариоты
1)	Размер клетки	0,5-5 мкм	Обычно до 40 км
2)	Плазматическая мембрана	+	+
3)	Клеточная стенка	Да, состоит из аминокислот и полисахаридов и мурамовой кислоты	+ (основной компонент у растений – целлюлоза, у грибов – хитин)
4)	Капсула	Если имеется, то состоит из мукополисахаридов	-
5)	Ядерная мембрана	-	+
6)	Генетический материал	Одиночная кольцевая ДНК (нуклеоид), чистая ДНК, без связей с белком.	В ядре несколько линейных хромосом, состоят из ДНК и белка.
7)	Митохондрии	-	+
8)	Эндоплазматическая сеть	-	+
9)	Аппарат Гольджи	-	+
10)	Рибосомы	+ (мелкие, до 70 S)	+ (80 S и крупнее)
11)	Вакуоли	-	+ (у растений)
12)	Лизосомы	-	+
13)	Фиксация азота	+ (у некоторых видов)	-
14)	Деление клетки	Простое деление (бинарное)	Митоз, мейоз

 

 

Глава 5. Размножение

Размножение - присущее всем организмам свойство воспроизведения себе подобных. Размножение обеспечивает преемственность поколений за счет передачи генетической информации от родительского поколения к потомству.

Задачи размножения:

1. сохранение и увеличение численности вида.

2. обеспечение разнообразия потомства.

В течение индивидуального развития размножение может быть однократным (бабочки, лососевые рыбы, имеют многочисленное потомство) или многократным (млекопитающие, в том числе человек, менее плодовиты).

Выделяют три типа размножения: бесполое, вегетативное и половое. Все типы размножения существуют и не вытесняют друг друга. Следовательно, каждый из них имеет свои преимущества.

 

Типы размножения

Бесполое размножение.

При бесполом размножении потомки образуется из одной соматической клетки, которая делясь дочерние клетки, а те новый организм. В основе этого типа размножения лежит митоз. Следовательно, потомки идентичны родительской особи и представляют ее клон. Несомненным преимуществом бесполого размножения является его высокая скорость, которая способствует быстрому росту численности. Недостаток бесполого размножения – потомство генетически идентично, поэтому нет материала для естественного отбора. Бесполое размножение дает преимущество популяциям, живущим в постоянных условиях среды.

 

Типы размножения.

 

 

Вегетативное размножение.

Вегетативное размножение новый организм возникает не из одной клетки, а из комплекса соматических клеток, который может включать различные ткани. Поэтому принципиально вегетативное не отличается от бесполого: оно также дает клоны. Преимущество вегетативного размножения: скорость его еще более выше, чем при бесполом размножении.

Половое размножение.

Размножение с помощью специализированных половых клеток гамет, которые сливаясь, дают зиготу, а зигота – новый организм.

Преимущество - разнообразие потомства, Популяции, размножающиеся половым путем гетерогенны, что дает материал для естественного отбора. Половое размножение дает преимущество в меняющихся условиях среды.

К недостаткам следует отнести низкую скорость размножения, обусловленную многими причинами, в том числе затратами на формирование гамет, поиск партнера, половое созревание потомства и др.

 

Жизненный цикл клетки

Жизненный (митотический) цикл клетки (клеточный цикл) – это период от начала митоза до следующего митоза. Продолжительность жизненного цикла различна у разных организмов. Например, у млекопитающих в культуре клеток она составляет около 24 часа.

Жизненный цикл клетки состоит из интерфазы – периода между делениями и собственно самого митоза. На митоз приходится около 20% всего времени. Интерфазой называют стадию покоящегося ядра, однако, это наиболее активная фаза с точки зрения биохимических процессов.

В интерфазе выделяют 3 периода (от англ. Gap – интервал):

G₁ – предсинтетический период, 60% времени: активно проходит биосинтез, рост клетки, всех органоидов и структур. Каждая хромосома состоит из одной хроматиды (одна молекулы ДНК). Генетическая характеристика клетки 2n2с.

S – синтетический период: происходит репликация ДНК, синтез гистонов. В хромосоме находится теперь две молекулы ДНК, которые упакованы в две хроматиды. Генетическая характеристика клетки к концу периода 2n4с.

G₂ – постсинтетический период. Заканчивается подготовка клетки к делению: происходит запасание энергии, накопление структур, необходимых для митоза. Генетическая характеристика клетки в этот период 2n4с.

Количество митозов, которое может пройти клетка, генетически детерминировано. Использовав определенное количество митозов, клетка может перейти в особую фазу митотического цикла G₀ - дифференцированное состояние. В клетке могут идти активные метаболические процессы, но в митоз она не вступает. Клетка при этом продолжает жить и активно выполнять функции в ткани многоклеточного организма, но уже больше не делится. Разные клетки в разное время вступают в G₀. Например, нервные клетки рано перестают делиться, клетки кожного эпителия длительное время сохраняют способность к делению.

 

 

Рис.7. Клеточный (митотический) цикл.

 

В многоклеточном организме количество митозов генетически ограничено. Пройдя определенное количество митозов клетка гибнет. Это определяется клеточной памятью на хромосомном уровне. Так у человека клетки рассчитаны на 50±10 митозов, что соответствует ≈120 годам. Раковые клетки не имеют генетической памяти, поэтому способны к бесконечному делению, что приводит к развитию опухоли.

 

Митоз

Каждая клетка образуется путем деления исходной материнской. Таким образом, деление клеток обеспечивает "биологическое бессмертие".

Митоз – непрямое деление клетки. Термин "митоз" от греч. mitos – нить.

Митоз представляет собой процесс непрерывно разворачивающихся в клетке событий. Для удобства исследования его было принято делить на 4 периода: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Таблица 6.

Морфологическая и генетическая характеристика фаз митоза.

Фаза	Характерные черты	Схема
Интерфаза ранняя	Диплоидный набор хромосом и генетического материала	2n 2c
Интерфаза поздняя	Заканчивается репликация ДНК, каждая хромосома состоит из двух хроматид	2n 4c
Профаза	1. Спирализация хромосом 2. Растворение ядерной оболочки и исчезновение ядрышек 3. формирование веретена деления	2n 4c
Метафаза	Расположение в экваториальной плоскости редуплицированных одиночных хромосом	2n 4c
Анафаза	Разделение хромосом на хроматиды. Расхождение к полюсам хроматид, ставших самостоятельными хромосомами	4n 4c (2n 2c+2n 2c)
Телофаза	1. Деспирализация хромосом. 2. Образование ядерной оболочки и ядрышек. 3. Цитокинез и образование двух диплоидных клеток.

 

Биологический смысл митоза заключается в равномерном распределении наследственного материала между дочерними клетками: в результате митоза образуется дочерние клетки генетически идентичные друг другу и материнской клетке. Таким образом, митоз обеспечивает поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений.

 

Процессы, которые обеспечиваются митозом:

· бесполое размножение,

· рост многоклеточного организма (благодаря митозу все клетки организма – клон).

· регенерация (замещение клеток) у многоклеточного организма.

 

Митоз - наиболее распространенный, но далеко не единственный тип деления клеток.

 

Амитоз

 

При амитозе деление ядра происходит прямо путем перетяжки (прямое деление), а не как при митозе за счет сложного многостадийного процесса упаковки хромосом, их удвоения, равномерного распределения между дочерними клетками. При этом делении ядро остается в интерфазном состоянии, ядро делится путем перетяжки, веретено деления не образуется. Часто амитоз не сопровождается делением цитоплазмы, что приводит к возникновению многоядерных клеток. Дочерние клетки могут содержать различное количество генетического материала, то есть являются «генетическими уродами». Эти клетки обреченных на гибель, теряют способность к митозу. Амитоз возникает при различных изменениях работы клеток: раковые клетки, при воспалительных процессах и т.д.

 

5.5. Мейоз

 

Мейоз (от гр. Meiosis – уменьшение) – деление клеток, в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом в два раза. В этом и заключается важнейшее биологическое значение мейоза: вывести из диплоидной клетки (2n2с) избыток генетической информации, сформировав гаплоидное клетки (1n1с). Мейоз лежит в основе образования половых клеток у животных и спор у растений.

Подготовка клетки к делению осуществляется в интерфазе, к концу которой генетическая характеристика клетки становится 2n4с. Редукция числа хромосом достигается за счет двух последовательных делений: редукционного и эквационного. В каждом делении выделяют те же стадии, что и в митозе.

 

.

Таблица 7.

Морфологическая и генетическая характеристика фаз мейоза.

 

I деление Редукционное	II деление Эквационное
Фаза	Характерные черты	Характерные черты	Фаза
Интерфаза ранняя (до S периода)	Диплоидный набор хромосом и генетического материала	2n 2c	Короткий промежуток между первым и вторым делениями (интерфаза без S-периода)		Интеркинез
Интерфаза поздняя	Заканчивается репликация ДНК	2n 4c
Профаза I	1. Спирализация хромосом 2. Конъюгация гомологичных хромосом и образование бивалентов (тетрад), кроссинговер 3. Растворение ядерной оболочки и исчезновение ядрышек 4. Формирование веретена деления	2n 4c	Краткая, т.к. спирализация хромосом прошла в профазе I		Профаза II
Метафаза I	Расположение в экваториальной плоскости бивалентов (тетрад) гомологичных хромосом	2n 4c	Расположение в экваториальной плоскости одиночных хромосом		Метафаза II
Анафаза I	Разделение бивалентов на хромосомы. Расхождение хромосом к полюсам	2n 4c (n 2c+n 2c)	Расхождение к полюсам хроматид, ставших самостоятель-ными хромосомами, удвоение числа хромосом		Анафаза II
Телофаза I	1. Образование ядерной оболочки. 2. Цитокинез и образование двух гаплоидных клеток.	n2c	1. Образование ядерной оболочки 2. Цитокинез и образование 4-х гаплоидных клеток	Телофаза II

 

Процессы, происходящие во втором делении мейоза, по своему механизму сходны с происходящими в митозе.

В результате мейоза образуется 4 дочерние клетки. Генетическая характеристика каждой клетки nc.

Мейоз создает возможности для возникновения в гаметах новых комбинаций генов, результатом чего является гетерогенность потомства, что в свою очередь обеспечивает материал для естественного отбора.

 

Механизмы, обеспечивающие разнообразие гамет:

1. кроссинговер. Происходит в профазе 1, обеспечивает новые комбинации аллелей за счет разрушения групп сцепления.

2. независимое расхождение хромосом в анафазе 1. Приводит к случайному распределению материнских и отцовских хромосом между дочерними ядрами.

3. случайное сочетание отцовской и материнской наследственности во время случайного оплодотворения.

 

Гаметогенез

Гаметогенез - процесс образования половых клеток. Он сочетает в себе и митотическое и мейотическое деление.

У высших животных женские гаметы (яйцеклетки) образуются в яичниках, мужские гаметы (сперматозомиды) – в семенниках. Процесс образования мужских половых клеток называют сперматогенез, женских половых клеток - овогенез. Условно обе формы размножения делятся на фазы или периоды.

Период размножения характеризуется многократными митотическими делениями, приводящими к образованию многочисленных сперматогоний и овогоний (клетки диплоидны 2n2c). Фаза размножения у мужчин начинается с наступлением половой зрелости и продолжается постоянно в течение репродуктивного периода. В женском организме размножение овогоний н