Образование новых клеток

Клетки у растений возникают различными способами: слиянием, почкованием, свободным образованием и делением.

Слияние клеток. Возникновение клеток путем слияния двух, а иногда и трёх клеток в одну наблюдается при половом процессе. В результате слияния половых клеток (гамет) образуется новая клетка (зигота).

Почкование клеток. Одним из способов размножения клеток является почкование, при котором на поверхности материнской клетки сначала появляется небольшой бугорок, постепенно увеличивающийся в размерах. Со временем в него переходит половина протопласта материнской клетки; достигнув полного развития, дочерняя клетка отделяется от материнской. Таким способом размножаются некоторые низшие одноклеточные растения, например дрожжевые грибы (рис. 24).

Свободное образование клеток. При свободном образовании клеток вначале происходит многократное деление ядра, причём не вся цитоплазма участвует в формировании дочерних клеток, а только её часть. При этом дочерние клетки некоторое время остаются погружёнными в цитоплазму материнской клетки. Подобный процесс наблюдается у сумчатых грибов при формировании спор, а также у цветковых растений при развитии зародышевого мешка, в котором происходит оплодотворение.

Деление клеток. Наиболее распространённым способом образования новых клеток является деление. Рост растений в основном осуществляется благодаря увеличению количества клеток и отчасти за счёт их растяжения. Деление клеток наступает тогда, когда поверхность клетки вследствие непропорционального роста становится недостаточной по сравнению с её объёмом. Это влечет за собой затруднения в обмене веществ и нарушение питаниа, что в свою очередь приводит к процессу деления. Известно 3 способа деления растительных клеток: амитоз (прямое деление), митоз (непрямое деление, кариокинез) и редукционное деление.

Амитоз. При прямом делении клетка не претерпевает особенно сложных изменений. С помощью перетяжек происходит разделение надвое ядрышка, ядра и всех остальных органоидов клетки (рис. 25). Такое деление свойственно преимущественно клеткам низших растений, однако иногда наблюдается и у более совершенных организмов, в том числе у цветковых растений. Прямое деление было описано Н. И. Железновым (1841), Р. Ремаком (1852) и другими исследователями.

Митоз. Митоз является основным способом деления и сопровождается сложными изменениями в клетке. Он начинается с деления ядра и протекает в несколько фаз (рис. 26). Наблюдается определённая последовательность в наступлении фаз, причём каждая подготавливает переход к следующей, и, таким образом, деление клетки представляет собой непрерывный процесс. Перед каждым делением клетки в ядре совершаются сложные биохимические процессы, подготавливающие его к следующему делению. Период между двумя делениями получил название интерфазы. До сравнительно недавнего времени считали, что в неделящейся клетке ядро находится в "покоящемся" состоянии, так как с помощью светового микроскопа нельзя было заметить происходящие в нём изменения. Применение электронной микроскопии показало ошибочность этих представлений.

В интерфазе происходит важнейший процесс - редупликация молекулы ДНК и образование в каждой хромосоме двух дочерних хроматид. Одновременно идёт усиленный синтез белков и накопление энергии в клетке в виде АТФ, используемой в процессе деления. В митозе различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу, которые характеризуются определёнными изменениями, происходящими в клетке.

Профаза - первая фаза митоза. Ядро увеличивается в объёме, как бы набухает, и в нем становятся хорошо заметны хромосомы в виде длинных, тонких, обычно изогнутых нитей со свободными концами. Затем происходит постепенное уплотнение хромосом, они укорачиваются и утолщаются. В конце профазы исчезают ядрышки и ядерная оболочка, формируются нити веретена.

В начале метафазы в клетке образуется веретено деления, состоящее из опорных и тянущих ахроматиновых нитей. Хромосомы располагаются по экватору клетки в виде экваториальной пластинки. Затем происходит разделение каждой хромосомы на 2 хроматиды (дочерние хромосомы), сформированные ещё до начала деления клетки (в интерфазе) при редупликации ДНК. Следовательно, к концу метафазы число хромосом удваивается. В то же время опорные нити располагаются между полюсами клетки, а тянущие идут от полюсов и присоединяются к перетяжкам хроматид.

В анафазе происходит расхождение хроматид к противоположным полюсам клетки благодаря сокращению тянущих нитей веретена. Опорные нити веретена уплотняются на экваторе, образуя бочонкообразную фигуру, называемую фрагмопластом.

В телофазе хромосомы становятся тоньше, удлиняются и постепенно утрачивают чёткость своих контуров. Одновременно формируется одно или несколько ядрышек и ядерная оболочка. В экваториальной плоскости клетки из узелков, возникающих на фрагмопласте, образуется поперечная перегородка между дочерними клетками, и происходит разделение цитоплазмы (цитокинез). Возникшая перегородка состоит из двух первичных оболочек дочерних клеток и межклеточного вещества (срединной пластинки), заключённого между ними. В конце телофазы ядро переходит в интерфазное состояние. Характерной особенностью митоза является сохранение в дочерних клетках того числа хромосом (а следовательно, и количества ДНК), какое имела материнская клетка. Митотическое деление свойственно как диплоидным, так и гаплоидным клеткам.

Продолжительность митоза зависит от многих факторов - специфики ткани, возраста клетки, условий внешней среды и т. д. Чаще всего митоз протекает в течение 1,5...5 ч, причём половину этого времени, а иногда и больше занимает профаза. Период между двумя делениями - интерфаза - составляет от 10 до 25 ч. Одним из первых наблюдал и описал митоз в живых клетках растений И. Д. Чистяков (1871), затем Э. Страсбургер (1875), В. Флемминг (1880) и ряд других исследователей. Заслугой В. Флемминга является первое описание последовательности этого процесса.

Редукционное деление. При редукционном делении происходит уменьшение (редукция) числа хромосом вдвое, т. е. совершается переход от диплоидного набора хромосом к гаплоидному. Следовательно, редукционное деление присуще только диплоидным клеткам. Оно наблюдается у большинства растений при образовании особых клеток - спор, связанных с размножением. В дальнейшем растения, развивающиеся из спор, образуют половые клетки (гаметы), имеющие, как и споры, гаплоидный набор хромосом. Особенность редукционного деления состоит в том, что в анафазе расходятся не отдельные хроматиды, как при митозе, а двухроматидные гомологичные хромосомы. В результате в каждой дочерней клетке число хромосом оказывается вдвое меньшим, чем было в материнской, т. е. набор хромосом становится гаплоидным. При половом процессе происходит слияние двух гаплоидных гамет, и во вновь образовавшейся клетке (зиготе) восстанавливается диплоидный набор хромосом. Таким образом, у всех организмов из поколения в поколение сохраняется определённое число хромосом, благодаря чему в природе поддерживается относительное постоянство видов. В этом заключается большой биологический смысл редукционного делении.

Редукционное деление описали В. И. Беляев (1892), Э. Страс-бургер, Л. Гиньяр, В. Флемминг и др.

Мейоз. Это процесс, состоящий из двух различных клеточных делений - редукционного и эквационного (митотического), которые быстро следуют друг за другом. В результате мейоза из одной диплоидной материнской клетки всегда образуется 4 дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом (рис. 27). Редукционное деление никогда не наблюдается как самостоятельное деление, а представляет собой первый этап мейоза, с которым его, однако, не следует отождествлять, поскольку сам по себе мейоз не является способом деления клетки.