Митоз и мейоз

 

Давно уже известны два типа деления клеток: деление митотическое и редукционное. Первое называют также митозом, а второе – мейозом. Первым способом, митозом, делятся все клетки, вторым – только половые.

Сначала – о митозе. Ему предшествует удвоение молекул, несущих наследственную информацию.

Молекулы ДНК, в которых заключен генетический шифр, располагаются в ядре клетки, в особых длинных нитях – хромосомах. У каждого вида животных и растений строго определенное число хромосом. Обычно их несколько десятков. У человека, например, 46^[27]. А у одного из червей всего две. У некоторых раков по 200 хромосом. Но рекорд побили микроскопические радиолярии: у одной из них 1600 хромосом!

Когда молекулы ДНК удваиваются, удваиваются и хромосомы. Каждая строит по своему подобию двойника. Значит, какое-то время в наших клетках хромосом бывает вдвое больше, чем обычно.

Между двумя делениями, в так называемой интерфазе, хромосомы в обычный микроскоп не видны. Как будто их нет совсем. В электронный же видно, что они все-таки тут, никуда не делись, но так тонки, что без очень сильного увеличения не заметны. Говорят, что на этой фазе своей деятельности хромосомы имеют вид «ламповых щеток». И в самом деле, они немного похожи на ерши, которыми когда-то прочищали стекла керосиновых ламп.

За десять-двадцать часов относительного покоя между двумя делениями хромосомы должны успеть синтезировать своих двойников с полной копией всех содержащихся в них генов, всех молекул ДНК.

Как только двойники будут готовы, длинные хромосомные нити (и оригиналы и их копии) начинают сворачиваться в тугие спирали. А те скручиваются в спирали второго порядка. Смысл этого скручивания вполне понятен. До сих пор хромосомы лежали спутанным клубком и растянуть их по разным полюсам клетки, наверное, было бы не легко. Теперь же каждая хромосома – спираль, скрученная спиралью, – очень компактный и удобный для транспортирования «багаж».

Все ДНК человеческой клетки, вытянутые в одну нить, занимают в длину приблизительно около метра. А свернутая дважды спиралью эта нить умещается в 46 хромосомах, длина каждой из которых всего несколько микрон.

Итак, перед делением хромосомы сами себя упаковывают в компактные «вьюки». К этому моменту, который в клеточном делении именуется профазой, оболочка ядра растворяется, а уже известные нам центриоли, или центросомы, расходятся к противоположным полюсам клетки. Нити так называемого митотического аппарата, или веретена, соединяют между собой эти полюса и каждую хромосому с одним из полюсов.

Затем хромосомы выстраиваются парами (оригинал бок о бок со своей копией) вдоль экватора клетки, как танцоры на балу. Эту стадию деления называют метафазой.

Потом каждая из парных хромосом устремляется к своему полюсу. Партнеры расстаются навсегда, потому что скоро перегородка разделит по экватору старую клетку на две новые. Впечатление такое, будто центриоли тянут к себе хромосомы за ниточки, как марионеток.

И действительно, хромосомы имеют вид, какой бывает у всякого гибкого тела, когда его за ниточку протягивают через жидкость.

Место, за которое ее тянут, у каждой хромосомы всегда одно и то же. Его называют кинетохором или центромерой. От того, где у хромосомы кинетохор, часто зависит и ее форма. Если кинетохор посередине, то хромосома, когда во время митоза ее тащат за нитку, перегибается пополам и становится похожа на латинскую цифру «пять» (V). Если кинетохор у самого конца хромосомы, то она изгибается на манер латинской буквы «йот» (J).

 

 

Одно время думали, что нити митотического аппарата – своего рода рельсы, по которым хромосомы катятся к полюсам. Потом решили, что они скорее похожи на тонкие резинки, миниатюрные мускулы, которые, сокращаясь, подтягивают к полюсам свой хромосомный груз. Но тогда, сокращаясь, нити становились бы толще. И «худели» бы, удлиняясь. Однако этого не происходит. Укорачиваясь и удлиняясь, они не становятся ни толще, ни тоньше.

По-видимому, механика клеточного веретена иная. Возможно, думают некоторые ученые, нити укорачиваются оттого, что часть составляющих их молекул выходит из игры: то есть из нитей. А добавление молекул в одном линейном направлении приводит к удлинению нитей.

Тем или иным способом хромосомы со скоростью около одного микрона в минуту перетягиваются из центра клетки к ее полюсам. С этого момента митоз переходит в стадию, называемую анафазой.

За анафазой следует телофаза. Спирали хромосом раскручиваются. Снова «ламповые щетки» входят в игру. Клубки нитевидных хромосом обрастают ядерными оболочками: в клетке теперь два ядра-близнеца. Кольцевая перетяжка скоро разделит ее пополам. Каждой половине достанется свое ядро.

Заканчивается клеточное деление удвоением центриолей. Их было четыре – по две на каждом полюсе. Клетка разделилась, и в каждой новорожденной ее половине оказалось лишь по две центриоли.

На экране электронного микроскопа центриоли похожи на полые цилиндрики, сложенные из трубочек. Центриоли всегда лежат под прямым углом друг к другу. Поэтому одну из них мы видим всегда в поперечном, а другую в продольном разрезе.

В телофазе от каждой из центриолей отпочковывается маленькая центриолька – плотное цилиндрическое тельце. Оно быстро растет, и вот уже в клетке снова четыре центриоли.

Путем митоза из одной получаются две клетки, совершенно идентичные по наследственности, скрытой в их хромосомах (если ни одна из них не подверглась мутации).

Обычно митоз длится час или два часа. В нервных тканях митозы случаются очень редко. Зато в костном мозгу, где каждую секунду рождается на свет 10 миллионов эритроцитов, каждую секунду происходит 10 миллионов митозов!

Теперь, прежде чем рассказать о втором типе клеточного деления – о мейозе, мы должны ввести несколько новых терминов.

Набор хромосом, заключенный в ядре нормальной соматической (иными словами, не половой, а обычной) клетки тела, генетики называют двойным – диплоидным. У человека диплоидный набор хромосом равен 46. Все эти 46 хромосом по внешности и величине легко разделяются на идентичные по конфигурации пары (лишь партнеры одной пары – половые хромосомы «х» и «у» – не похожи друг на друга. Но об этом позже).

Набор хромосом, в котором из каждой пары присутствует только один партнер, называют гаплоидным, или ординарным. Все половые клетки, или гаметы, содержат гаплоидный набор хромосом. (Это значит, что в спермиях и в яйцеклетках человека только по двадцать три хромосомы.) Иначе при оплодотворении яйца, когда сливаются материнская и отцовская гаметы, получалась бы зигота с числом хромосом вдвое больше нормального.

Мейоз, предшествующий образованию спермиев и яйцеклеток, призван наделить гаметы вдвое меньшим, гаплоидным, числом хромосом. А когда гаметы сольются, в зиготе будет уже нормальное диплоидное число хромосом. Половина от матери, половина от отца.

 

 

Понятно теперь, почему все хромосомы в зиготе парные?

Ведь каждой материнской хромосоме соответствует точно такая же по форме, величине и характеру наследственной информации отцовская хромосома. Парные хромосомы называют гомологичными.

Мейоз начинается с того, что однотипные по конфигурации хромосомы объединяются в пары, конъюгируют. Затем каждая из хромосом каждой пары создает из веществ, растворенных в протоплазме, своего двойника. Как и в митозе.

Теперь однотипных хромосом уже не две, а четыре. Четверками, или тетрадами, плотно прижавшись друг к другу, выстраиваются они вдоль экватора клетки. Нити веретена разъединяют четверки снова на пары, растаскивая их к разным полюсам.

Клетка делится пополам, а потом еще, но теперь в другой плоскости, перпендикулярной к первой. На этот раз хромосомы не удваиваются. Выстроившиеся по экватору пары расходятся поодиночке в разные концы клетки.

У каждого полюса их теперь вдвое меньше, чем при митозе или в первой фазе мейоза. Поэтому, когда клетка разрывается пополам, рожденные из нее две новые гаметы получают гаплоидное число хромосом. Так как в первой фазе мейоза из одной клетки рождаются две диплоидные клетки, то в конце второй его фазы мы имеем четыре гаметы. И в каждой, повторяю, гаплоидное число хромосом. Если это гаметы человеческие, значит в них будет по двадцать три хромосомы. А когда при оплодотворении они сольются в одну зиготу, хромосом снова в ней станет сорок шесть.

Зигота дает начало человеческому зародышу, все клетки в котором будут с 46 хромосомами.

Механикой клеточного деления в мейозе – расхождением по разным гаметам парных хромосом, каждая из которых ведет свой род либо от отца, либо от матери, – объясняются многие законы наследственности и изменчивости, открытые Грегором Менделем и другими генетиками.

Польские ученые недавно методом цейтраферной съемки сделали отличный фильм о митозе. Все фазы митоза на экране ускорены в несколько сот раз. В действительности же движения хромосом во время деления происходят значительно медленнее. Я видел этот фильм, и он поразил меня сильнее, чем лучшие из лучших художественных фильмов.

В нем необычные актеры – хромосомы. Они сходятся и расходятся, выстраиваются в ряд и разбегаются в разные стороны, словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Американский биолог Мёллер, основатель радиационной генетики, назвал танцем хромосом их странные перемещения во время деления клетки.

Каждую секунду в нашем теле совершаются миллионы митозов! И сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин исполняют древнейший на земле танец. Танец жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды. И мы растем и существуем.

На согласованном расхождении хромосом к разным полюсам клетки основаны все явления наследственности и жизни. Ведь каждая хромосома – сложное соединение гигантских нуклеиновых кислот и белков. А нуклеиновые кислоты несут в себе великое множество наследственных единиц – генов, то есть суть всего сущего на Земле.