1. Воспроизведение клеток
Хромосомный набор. Совокупность хромосом, содержащихся в ядре, называется хромосомным набором. Число хромосом в клетке и их форма постоянны для каждого вида живых организмов.
Соматические клетки диплоидны (содержат двойной набор хромосом). В этих клетках хромосомы представлены парами. Хромосомы, принадлежащие к одной паре, называются гомологичными. Половые клетки гаплоидны (содержат одинарный набор хромосом). В этих клетках хромосомы представлены в единственном числе и не имеют пары в виде гомологичной хромосомы.
Клеточный цикл (жизненный цикл клетки) - существование клетки от момента её возникновения в результате деления материнской клетки до её собственного деления или смерти. Клеточный цикл включает митотический в период покоя. В период покоя (G0) клетка выполняет свойственные ей функции и избирает дальнейшую судьбу - погибает либо возвращается в митотический цикл. Митотический цикл состоит из четырёх периодов: пресинтетического (постмитотического) - G1, синтетического - S, постсинтетического (премитотического) - G2, митоза - M. Первые три периода - это подготовка клетки к делению (интерфаза), четвёртый период - само деление (митоз).
Деление клетки. Основой размножения и индивидуального развития организмов является деление клетки. Описано три способа деления эукариотических клеток: амитоз (прямое деление), митоз (непрямое деление) и мейоз (редукционное деление). Амитоз - редкий способ деления клетки, характерный для стареющих или опухолевых клеток.
Митоз - тип клеточного деления, в результате которого дочерние клетки получают генетический материал, идентичный тому, который содержался в материнской клетке. Митоз состоит из четырёх фаз.
Профаза (первая фаза митоза). Хромосомы спирализуются, центриоли (у животных клеток) расходятся к полюсам клетки, распадается ядерная оболочка, исчезают ядрышки и начинает формироваться веретено деления.
Метафаза (вторая фаза митоза). Хромосомы, состоящие из двух хроматид, прикрепляются своими центромерами (первичными перетяжками) к нитям веретена деления. При этом все они располагаются в экваториальной плоскости. Эта структура называется метафазной пластинкой.
Анафаза (третья фаза митоза). Каждая центромера делится, и нити веретена деления растягивают отделившиеся друг от друга хроматиды к противоположным полюсам. Теперь разделённые хроматиды называются дочерними хромосомами.
Телофаза (четвёртая фаза митоза). Дочерние хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются, нити веретена деления разрушаются, вокруг хромосом образуется ядерная оболочка, ядрышки восстанавливаются. Два образовавшихся ядра генетически идентичны. После этого следует цитокинез (деление цитоплазмы), в результате которого образуются две дочерние клетки. Органоиды располагаются между ними более или менее равномерно.
Биологическое значение митоза. В результате митоза достигается генетическая стабильность, увеличивается число клеток в организме, происходит рост организма, возможны явления регенерации и бесполого размножения у некоторых организмов.
Мейоз - тип клеточного деления, сопровождающийся редукцией числа хромосом. В результате из первично диплоидных клеток образуются гаплоидные. В ходе мейоза происходит два клеточных деления, причём удвоение числа хромосом происходит только перед первым делением. Таким образом, из одной диплоидной клетки, делящейся мейотически, образуется четыре гаплоидных. Как и митоз, каждое из мейотических делений состоит из четырёх фаз.
Профаза I (первого мейотического деления). Происходят процессы, аналогичные процессам профазы митоза. Кроме того, гомологичные хромосомы, представленные двумя хроматидами, сближаются и "слипаются" друг с другом. Этот процесс называется конъюгацией. При этом происходит обмен участков гомологичных хромосом - кроссинговер (перекрёст хромосом), т.е. обмен наследственной информацией. После конъюгации гомологичные хромосомы отделяются друг от друга.
Метафаза I. Происходят процессы, аналогичные процессам метафазы митоза.
Анафаза I. В отличие от анафазы митоза, центромеры не делятся, и к полюсам клетки отходят не по одной хроматиде от каждой хромосомы, а по одной хромосоме, состоящей из двух хроматид, скреплённой общей центромерой.
Телофаза I. Образуются две клетки с гаплоидным набором.
После завершения первого мейотического деления следует короткая интерфаза второго мейотического деления. Причём на этой стадии репликации (удвоения) ДНК не происходит и, следовательно, диплоидность не восстанавливается.
Процессы, протекающие в профазе II, метафазе II, анафазе II и телофазе II аналогичны процессам во время митоза.
Биологическое значение мейоза. Мейоз служит основой полового размножения и комбинативной изменчивости организмов.
2. Размножение
Размножение - это способность живых существ воспроизводить себе подобных. При этом обеспечивается непрерывность и преемственность жизни. Принято различать два основных типа размножения: бесполое и половое.
Процесс полового размножения обычно осуществляется между двумя физиологически различными особями - мужской и женской. Они формируют особые половые клетки (гаметы), при слиянии которых образуется зигота. При этом геномы родительских клеток смешиваются, поэтому потомки генетически отличаются от каждого из родителей и друг от друга.
В процессе бесполого размножения участвует только одна особь. Образование гамет не происходит. Организм либо просто делится на две или более частей, либо формирует специальные структуры, из которых восстанавливаются новые индивиды, генетически идентичные материнской особи.
Бесполое размножение. Различают следующие типы бесполого размножения.
1. Деление. Исходная материнская клетка делится митотически (см. выше) на две или несколько более или менее одинаковых дочерних клеток.
2. Споруляция. Размножение посредством спор (встречается у некоторых растений, грибов и некоторых простейших, а также у прокариотических организмов: многих бактерий, сине-зелёных водорослей).
3. Фрагментация. Способность некоторых живых существ восстанавливать утраченные органы или части тела (регенерация).
4. Почкование. Характерно для представителей кишечнополостных (гидра). На теле материнской особи появляется небольшой бугорок с зачатками всех структур и органов, характерных для материнского организма. Затем происходит отделение (отпочковывание) дочерней особи.
5. Вегетативное размножение. От материнского организма отделяется достаточно хорошо дифференцированная часть (отводки, усы, корневые отпрыски, поросль) или же образуются особые структуры, специально предназначенные для вегетативного размножения (луковицы, клубни, корневища и др.).
6. Клонирование. Искусственный способ размножения, не встречающийся в естественных условиях. Клон - совершенно одинаковое в генетическом отношении потомство, полученное в результате имплантации ядра соматической клетки донора в яйцеклетку. Таким образом, получают зиготу, минуя "классическое" оплодотворение.
Половое размножение характерно для подавляющего большинства живых существ. Оно складывается из 4-х основных процессов:
1. Гаметогенез - образование половых клеток (гамет).
2. Оплодотворение - слияние гамет и образование зиготы.
3. Эмбриогенез - дробление зиготы и формирование зародыша.
4. Постэмбриональный период - рост и развитие организма в послезародышевый период (после рождения).
Гаметы - половые клетки, при их слиянии образуется зигота, из которой развивается новая особь. Гаметы имеют вдвое меньше хромосом, чем остальные клетки тела (соматические клетки). Они не способны делиться в отличие от большинства соматических клеток. Различают женские и мужские половые клетки. Половая принадлежность у высших форм (например, у позвоночных) определяется на генетическом уровне.
Мужские гаметы называются сперматозоидами (если они подвижны) или спермиями (если они лишены жгутикового аппарата и не способны активно передвигаться). Сперматозоиды имеют очень маленькие размеры. Они состоят из головки, шейки, средней части и хвоста. В головке располагается ядро, содержащее ДНК.
Женские гаметы носят название яйцеклеток. Они, как правило, неподвижны, крупнее сперматозоидов. Имеют хорошо развитую цитоплазму и запас питательных веществ.
Гаметогенез. Процесс образования половых клеток - гаметогенез - протекает в половых железах (гонадах). У высших животных женские гаметы образуются в яичниках, мужские - в семенниках. Процесс образования сперматозоидов называют сперматогенезом; яйцеклеток - оогенезом. Гаметогенез делят на несколько фаз: размножения, роста, созревания и выделяемую при сперматогенезе фазу формирования.
Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток (гамет), в результате которого образуется оплодотворённая яйцеклетка (зигота). То есть из двух гаплоидных гамет образуется одна диплоидная клетка (зигота).
У цветковых растений, кроме слияния гаплоидных гамет - одного из спермиев с яйцеклеткой и образования диплоидной зиготы, из которой развивается зародыш семени, происходит слияние второго спермия с диплоидной вторичной клеткой и образование триплоидных клеток, из которых образуется эндосперм. Этот процесс называется двойным оплодотворением.
Для некоторых групп организмов характерны так называемые нерегулярные типы полового размножения (без оплодотворения): партеногенез, гиногенез, андрогенез, апомиксис.
3. Индивидуальное развитие организмов
Онтогенез - индивидуальное развитие организма с момента образования зиготы до смерти. Различают два основных типа онтогенеза: прямой и непрямой. При прямом развитии рождающийся организм в основном сходен со взрослым, а стадия метаморфоза отсутствует. При непрямом развитии образуется личинка, отличающаяся от взрослого организма внешним и внутренним строением, а также по характеру питания, способу передвижения и ряду других особенностей. Во взрослую особь личинка превращается в результате метаморфоза. Непрямое развитие даёт организмам значительные преимущества. Непрямое развитие встречается в личиночной форме, прямое - в неличиночной и внутриутробной.
Эмбриональное развитие (эмбриогенез) начинается с момента оплодотворения, представляет собой процесс преобразования зиготы в многоклеточный организм и завершается выходом из яйцевых или зародышевых оболочек (при личиночном и неличиночном типах развития) либо рождением (при внутриутробном). Эмбриогенез включает процессы дробления, гаструляции, гисто-и органогенез.
Дробление - ряд последовательных митотических делений зиготы, в результате которых происходит образования бластомеров. В результате ряда дроблений образуется бластула. Бластула - многоклеточный шаровидный зародыш с однослойной стенкой и полостью внутри. После образования бластулы начинается процесс гаструляции.
Гаструляция - это процесс образования двух-или трёхслойного зародыша - гаструлы. Она образуется в результате перемещения клеток бластодермы. Образующиеся слои называют зародышевыми листками. Наружный слой клеток называется эктодермой, внутренний - энтодермой, слой клеток между ними называется мезодермой. Каждый из зародышевых листков даёт начало тем или иным органам. В ряде случаев возможно смешанное происхождение.
Гисто-и органогенез - формирование тканей и органов зародыша в результате дифференцировки клеток и зародышевых листков.
Из эктодермы образуются нервная система, эпидермис кожи и его производные (роговые чешуи, перья и волосы, зубы).
Из мезадермы образуются мускулатура, скелет, выделительная, половая и кровеносные системы.
Из энтодермы образуются пищеварительная система и её железы (печень, поджелудочная железа), дыхательная система.
Постэмбриональное (послезародышевое) развитие начинается с момента рождения (при внутриутробном развитии зародыша у млекопитающих) или с момента выхода организма из яйцевых оболочек и продолжается вплоть до смерти живого организма. Постэбриональное развитие сопровождается ростом. При этом он может быть ограничен определённым сроком или длиться в течение всей жизни.