РАЗМНОЖЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ Размножение воспроизведение себе подобных

РАЗМНОЖЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ

Размножение – воспроизведение себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни. Это одно из важнейших свойств живых организмов. Благодаря размножению происходит: 1. Передача наследственной информации. 2. Сохраняется преемственность поколений. 3. Поддерживается длительность существования вида. 4. Увеличивается численность вида и расширяется территория (ареал) проживания. В основе размножения лежит клеточное деление, обеспечивающее увеличение количества клеток и рост многоклеточного организма.

ВИДЫ РАЗМНОЖЕНИЯ Бесполое Митоз Спорообразование Вегетативное Амитоз Почкование Фрагментация Половое Конъюгация Партеногенез Копуляция

Значение деления клеток Ø Способность к делению - важнейшее свойство клеток. Без деления невозможно представить себе увеличение числа одноклеточных существ, развитие многоклеточного организма из оплодотворенной яйцеклетки, возобновление клеток, тканей и даже органов (регенерацию), утраченных в процессе жизнедеятельности организма. ØДеление клеток осуществляется поэтапно. На каждом этапе деления происходят определенные процессы. Они приводят к удвоению генетического материала (синтезу ДНК) и его распределению между дочерними клетками. Период жизни клетки от одного деления до следующего называется клеточным циклом.

Клеточный цикл Ø Быстро делящиеся клетки взрослых организмов могут входить в клеточный цикл каждые 12 -36 часов. Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов: Ø Период клеточного роста, называемый − интерфаза, во время которого идет синтез ДНК и белков. Ø Период клеточного деления, называется фаза М − митоз и цитокинез.

Схема клеточного цикла

Интерфаза Ø Эукариотические организмы, состоящие из клеток, имеющих ядра, начинают подготовку к делению на определенном этапе клеточного цикла, в интерфазе. Ø Именно в период интерфазы в клетке происходит процесс биосинтеза белка, удваиваются все важнейшие структуры клетки. Вдоль исходной хромосомы из имеющихся в клетке химических соединений синтезируется ее точная копия, удваивается молекула ДНК. Удвоенная хромосома состоит из двух половинок - хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК. Ø Интерфаза в клетках растений и животных в среднем продолжается 10 -20 часов. Затем наступает процесс деления клетки - митоз.

Интерфаза состоит из трех периодов: 1) G 1 -пресинтетической или фазы начального роста, во время которой идет синтез м. РНК, синтез АТФ, белков и других компонентов, формирование рибосом и одномембранных органоидов; 2) S-синтетической фазы, во время которой идет удвоение ДНК и центриолей. 3) G 2 -постсинтетической, во время которой идет подготовка к митозу, удвоение массы цитоплазмы, увеличение объёма ядра. 1 1 2 2 4 3 3 4 1, 2 – предсинтетический период; 3 – синтетический и постсинтетический период; 4 – метафаза.

Интерфаза

Митоз – непрямое деление Ø Митоз (от греч. mitos - нить) непрямое деление, - основной способ деления эукариотических клеток. Митоз - это деление ядра, которое приводит к образованию двух дочерних ядер, в каждом из которых имеется точно такой же набор хромосом, что и в родительском ядре. Вслед за делением ядра обычно следует деление самой клетки, поэтому часто термином «митоз» обозначают деление клетки целиком. Митоз впервые наблюдали в спорах папоротников, хвощей плаунов Г. Э. Руссов, преподаватель Дерптского университета в 1872 году и русский ученый И. Д. Чистяков в 1874 году. Ø Митоз представляет собой непрерывный процесс, но для удобства изучения биологи делят его на четыре этапа. В митозе выделяют профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Фазы митоза 1. Профаза 0. Интерфаз а 4. Телофаза 2. Метафаза 3. Анафаза

1 этап: профаза ØВ профазе происходит укорочение и утолщение хромосом вследствие их спирализации. В это время хромосомы двойные состоят из двух сестринских хроматид, связанных между собой. Одновременно со спирализацией хромосом исчезает ядрышко и фрагментируется (распадается на отдельные цистерны) ядерная оболочка. После распада ядерной оболочки хромосомы свободно и беспорядочно лежат в цитоплазме. ØЦентриоли (в тех клетках, где они есть) расходятся к полюсам клетки. В конце профазы начинает образовываться веретено деления, которое формируется из микротрубочек путем полимеризации белковых субъединиц.

1 этап: профаза

Схемы интерфазы и профазы Интерфаза Профаза

2 этап: метафаза Ø В метафазе завершается образование веретена деления. Каждая двойная хромосома прикрепляется к микротрубочкам веретена деления. Хромосомы как бы выталкиваются микротрубочками в область экватора клетки, то есть располагаются на равном расстоянии от полюсов. Они лежат в одной плоскости и образуют так называемую экваториальную, или метафазную пластинку. В метафазе видно двойное строение хромосом, соединенных только в области центромеры. В этот период легко подсчитывать число хромосом, изучать их морфологические особенности.

2 этап: метафаза

3 этап: анафаза Ø В анафазе дочерние хромосомы с помощью микротрубочек веретена деления перемещаются к полюсам клетки. Во время движения дочерние хромосомы изгибаются наподобие шпильки, концы которой повернуты в сторону экватора клетки. Таким образом, в анафазе хроматиды, удвоенные в интерфазе, расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом. Главную роль в этом передвижении играет веретено деления, хромосомы же пассивно двигаются следом за нитями веретена.

3 этап: анафаза

Схемы метафазы и анафазы Метафаза Анафаза

4 этап: телофаза Ø В телофазе происходят процессы, обратные тем, которые наблюдаются в профазе: начинается деспирализация (раскручивание) хромосом, они утончаются и становятся плохо видимыми под микроскопом. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах возникают ядрышки. Разрушается веретено деления. Ø На стадии телофазы происходит разделение цитоплазмы с образованием двух клеток. В клетках животных плазматическая мембрана начинает впячиваться внутрь области, где располагался экватор. У растительных клеток формируется перегородка из остатков веретена деления – фрагмопласт.

4 этап: телофаза

Схемы телофазы Последовательные стадии телофазы

Значение митоза Ø Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении между дочерними клетками материальных носителей наследственности - молекул ДНК, входящих в состав хромосом. Поэтому образующиеся клетки сохраняют характерные для них черты строения и специализацию. Благодаря равномерному распределению удвоенных хромосом происходит восстановление органов и тканей после повреждения – регенерация. Митотическое деление клеток является также одним из способов размножения одноклеточных организмов. Например, в благоприятный климатический период и при обилии пищи, простейшие животные и одноклеточные водоросли делятся путём митозов.

Мейоз – уменьшительное деление Ø Мейоз (от греч. Meiosis– уменьшение) - это особый способ уменьшение) деления клеток, в результате которого происходит редукция числа хромосом вдвое. Впервые был описан В. Флеммингом в 1882 году у животных и Э. Страсбургером в 1888 году у растений. С помощью мейоза образуются гаметы. В результате редукции хромосомного набора в каждую гаплоидную спору и гамету попадает по одной хромосоме из каждой гомологичной пары, имеющейся в диплоидной клетке. В ходе оплодотворения (слияния гамет) организм нового поколения получит опять диплоидный набор хромосом, то есть кариотип организмов данного вида в ряду поколений остается постоянным: ♂n гамета X ♀n гамета → 2 n зигота

Первое деление мейоза ØВ профазе I (лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез) хромосомы спирализуются. В отличие от митоза, происходит конъюгация: гомологичные хромосомы сближаются одинаковыми участками, образуя хромосомные пары-биваленты, состоящие из 4 хроматид. Ø В метафазе I завершается формирование веретена деления. Его нити прикрепляются к хромосомам, объединенным в биваленты. В результате биваленты устанавливаются в плоскости экватора клетки. Ø В анафазе I гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к полюсам клетки. Ø В телофазе I у полюсов собирается гаплоидный набор хромосом, в котором каждый вид хромосом представлен одной хромосомой, состоящей из двух хроматид, образуется ядерная оболочка, материнская клетка делится на две дочерние.

Схема первого деления Отличительная черта первого митотического деления мейоза заключается во временном сближении гомологичных хромосом – конъюгации, обмене участками (генами) с последующим расхождением – кроссинговере. На схеме показана клетка от интерфазы до анафазы первого деления.

ИНТЕРФАЗА Продолжительность интерфазы различна у разных видов. Происходит репликация органелл, клетка увеличивается в размерах. Репликация ДНК и гистонов в основном заканчивается в премейотической интерфазе, но часто захватывает и профазу I. Каждая хромосома представлена теперь парой хроматид, соединенных центроиерой. Хромосомный материал окрашивается, но из всех структур четко видны только ядрышки.

ПРОФАЗА I ЛЕПТОТЕНА В эту стадию хромосомы представлены еще как тонкие нити, но к концу лептотены начинается спирализация. ЗИГОТЕНА Хромосомы укорачиваются и становятся видимыми как обособленные структуры. У некоторых организмов они выглядят как нитки бус: участки интенсивно окрашивающегося материала– хромомеры—чередуются у них с неокрашивающимися участками. Хромомеры– это те места, где хромосомный материал сильно спирализован.

ПАХИТЕНА Гомологичные хромосомы, происходящие из материнской и отцовской гамет, приближаются одна к другой и коньюгируют. Эти хромосомы одинаковой длины, их центромеры занимают одинаковое положение, и они обычно содержат одинаковое количество генов, расположенных в одинаковой линейной последовательности. Хромомеры гомологичных хромосом лежат бок о бок. Пара гомологичных хромосом– бивалент Центромеры Процесс коньюгации называют также синапсисом; он может начинаться в нескольких точках хромосом, которые потом соединяются по всей длине (как бы застегиваются на молнию). Происходит дальнейшая спирализация, хромосомы превращаются в биваленты.

ДИПЛОТЕНА Гомологичные хромосомы, составляющие бивалент, частично отделяются, как будто отталкиваются друг от друга. Теперь видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Хромосомы все еще соединены друг с другом в нескольких точках– хиазмах (греч. -перекрест). В каждой хиазме происходит обмен участками хроматид в результате разрывов и воссоединений, в которых участвуют две из четырех имеющихся в каждой хиазме нитей. В результате гены из одной хромосомы оказываются связанными с генами из другой хромосомы, что приводит к новым генным комбинациям в образующихся хроматидах. Этот процесс называется кроссинговером. Гомологичные хромосомы после кроссиговера не расходятся, так как сестринские хроматиды остаются прочно связанными вплоть до анафазы.

ДИАКИНЕЗ В диакинезе заканчивается процесс кроссинговера, образуются гибридные хромосомы, а так же происходят процессы, характерные для конца профазы: миграция центриолей и образования веретена деления, разрушение ядрышек и ядерной мембраны, а затем образование нитей веретена деления.

МЕТАФАЗА I Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. АНАФАЗА I Имеющиеся у каждого бивалента две центромеры еще не делятся, но сестринские хроматиды уже не примыкают одна к другой. Нити веретена тянут центромеры, каждая из которых связана с двумя хроматидами, к противоположным полюсам веретена.

ТЕЛОФАЗА I Расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки означает завершение первого деления мейоза. Число хромосом в одном наборе стало меньше, но находящиеся на каждом полюсе хромосомы состоят из двух хроматид. Вследстие кроссинговера при образовании хиазм эти хроматиды генетически неидентичны. У животных и некоторых растений хроматиды деспирализуются, вокруг них на каждом полюсе формируется ядерная мембрана, затем начинается цитокинез.

ИНТЕРФАЗА II Эта стадия обычно наблюдается только в животных клетках. РЕПЛИКАЦИИ ДНК НЕ ПРОИСХОДИТ, остальные процессы, характерные для интерфазы, идут. 2 ПРОФАЗА II Продолжительность профазы II обратно пропорциональна продолжительности телофазы I. Ядрышки и ядерные мембраны разрушаются, а хроматиды укорачиваются и утолщаются. Центриоли образуют нити веретена деления. Хроматиды располагаются таким образом, что их длинные оси перпендикулярны оси веретена первого деления мейоза.

МЕТАФАЗА II При втором делении центромеры ведут себя как двойные структуры. Они организуют нити веретена, направленные к обоим полюсам, и таким образом выстраиваются по экватору веретена. 2 АНАФАЗА II Центромеры делятся, и нити веретена деления растаскивают их к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся друг от друга хроматиды, которые теперь называют хромосомами.

ТЕЛОФАЗА II 2 Эта стадия очень сходна с телофазой митоза. Хромосомы деспирализуются, растягиваются и после этого плохо различимы. Нити веретена исчезают, а центриоли реплицируются. Вокруг каждого гаплойдного набора хромосом образуется ядерная мембрана. В результате дальнейшего цитокинеза образуются четыре гаплойдных клетки.

Второе деление мейоза Ø Профаза II короткая. Ядрышки и ядерная оболочка разрушаются, а хромосомы спирализуются. Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуется веретено деления. Ø В метафазе II хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости. Ø В анафазе II осуществляется разделение хромосом на хроматиды, так как происходит разрушение их связей в области центромер. Каждая хроматида становится самостоятельной хромосомой. С помощью нитей веретена деления хромосомы перемещаются к полюсам клетки. Ø В телофазе II исчезает веретено деления, обособляются ядра и происходит цитокинез, завершающийся образованием четырех гаплоидных клеток.

Схема второго деления Второе деление мейоза следует почти тотчас за первым, без интерфазы, поэтому в дочерние клетки попадает по одной хроматиде из конъюгированных бивалентов, которые были в метафазе первого деления: произошла редукция числа хромосом.

Мейоз

Результат мейоза Благодаря мейозу из каждого гонадоцита половых желёз с двойным, − диплоидным набором хромосом, образуется 4 клетки с одинарным, − гаплоидным набором; генетическая рекомбинация гомологичных хромосом создаёт новые, ранее не существовавшие комбинации генов и повышает выживаемость организмов в процессе эволюции.

Набор хромосом у различных видов Вид животного или растения 1. Ячмень 2. Овёс 3. Томат 4. Домашняя муха 5. Курица 6. Кролик 7. Коза 8. Овца 9. Шимпанзе 10. Человек Диплоидное число хромосом этого вида 14 42 24 12 78 44 60 54 48 46 Гаплоидное число хромосом этого вида 7 21 12 6 39 22 30 27 24 23

Значение мейоза • Происходит поддержание числа хромосом из поколения в поколение. Зрелые гаметы получают гаплоидное число (n) хромосом, а при оплодотворении восстанавливается характерное для данного вида диплоидное число хромосом. • Образуется большое количество новых комбинаций генов при кроссинговере и слиянии гамет (комбинативная изменчивость), что дает новый материал для эволюции (потомки отличаются от родителей).

Гаметогенез у животных Ø У многоклеточных животных происходит в специальных органах — половых железах, и складывается из трёх этапов: Ø размножение первичных половых клеток — гаметогониев − сперматогониев и овогониев путём ряда митозов; Ø рост и созревание этих клеток, которые называются теперь гаметоцитами − сперматоцитами и овоцитами, обладающими полным набором хромосом. В это время совершается основное событие гаметогенеза у животных — деление гаметоцитов путём мейоза, приводящее к уменьшению вдвое числа хромосом в клетках и превращению их в гаплоидные сперматиды и оватиды; Ø формирование сперматозоидов (либо спермиев) и яйцеклеток; при этом яйцеклетки одеваются рядом зародышевых оболочек, а сперматозоиды приобретают жгутики, обеспечивающие их подвижность.

Схема гаметогенеза у животных ♂ ♀

ГАМЕТОГЕНЕЗ • • • ГАМЕТОГЕНЕЗ Сперматогенез ♂ Овогенез ♀ (в семенниках) (в яичниках) Период размножения (митоз) В репродуктивный В эмбриональный период Период роста (интерфаза) Незначительный Длительный период Спермацит 1 -го Овоцит 1 -го порядка Период созревания (мейоз) Первое и второе Первое и второе мейотическое неравномерное деление мейотическое деление 4 сперматозоида 1 яйцеклетка

Гаметогенез у растений Ø У растений диплоидный спорофит образует гаплоидные споры путем мейоза. Из этих спор развивается гаплоидный организм гаметофит. Восстановление числа хромосом от n до 2 n происходит в результате слияния специализированных клеток, образуемых гаплоидным организмом - гамет . Специализированные клетки или многоклеточные органы, в которых формируются гаметы , называются гаметангиями. Ø У споровых растений сперматогенез происходит в антеридиях — это многократное деление клеток, в результате которого образуется большое число мелких подвижных сперматозоидов. Овогенез протекает в архегониях — формирование одной, двух или нескольких яйцеклеток. Ø У цветковых растений гаметогенез протекает в цветке: сперматогенез в андроцее, а овогенез в гинецее.

Развитие гамет у цветковых растений Развитие пыльцевых зерен. . Каждое пыльцевое зерно развивается из материнской клетки микроспоры, которая претерпевает мейоз и образуется 4 пыльцевых зерна. Развитие зародышевого зерна. Зародышевый мешок развивается из гаплоидной мегаспоры, полученной в результате мейотического деления материнской клетки

Амитоз – прямое деление клеток ØАмитоз, или прямое деление, - это деление ядра путем перетяжки без образования веретена деления. Такое деление встречается у одноклеточных организмов, например, амитозом делятся полиплоидные большие ядра инфузорий, а также в некоторых специализированных клетках растений и животных с ослабленной активностью, дегенерирующих, обреченных на гибель, или при патологиях, таких как злокачественный рост. Амитоз можно наблюдать в тканях растущего клубня картофеля, эндосперме, стенках завязи пестика, клетках печени, хрящевой ткани, роговицы глаза. Наследственный материал – ДНК, распределяется произвольно. ØОчень часто при амитозе наблюдается только деление ядра, в этом случае могут возникнуть многоядерные клетки.

АМИТОЗ или прямое деление ► Распространенность в природе: Норма Патология 1. При 1. Амебы воспалениях 2. Большое ядро 2. Злокачественн инфузорий ые 3. Эндосперм новообразования 4. Клубень картофеля Значение: 5. Роговица глаза 6. Хрящевые и экономичный (мало печеночные энергозатрат) клетки процесс воспроизводства клеток

Сравнение митоза и амитоза Схема митоза (вверху) и амитоза (внизу). При амитозе ядро делится простой перетяжкой без образования веретена деления. Новые ядра могут оказаться разными по числу хромосом, нередко цитокинез отсутствует, что приводит к многоядерности клеток.