Размножение и индивидуальное развитие организмов: митоз, мейоз, оплодотворение, онтогенез

В соматических клетках хромосомы парные, набор диплоидный (2n); в половых клетках (гаметах) от каждой пары по одной хромосоме, набор гаплоидный (n). У человека 2n = 46, n = 23. Здесь n — набор хромосом, c — количество ДНК.

Жизненный цикл клетки состоит из интерфазы и деления. В интерфазе: в периоде $G_1$ клетка растёт (2n2c); в периоде $S$ ДНК удваивается (2n4c), и каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединённых центромерой; в периоде $G_2$ запасается АТФ и идёт подготовка к делению. При удвоении двойная спираль раскручивается, и к каждой старой цепи по принципу комплементарности (А–Т, Г–Ц) достраивается новая; в новой молекуле одна цепь старая, другая новая.

Способы деления: амитоз (деление ядра перетяжкой, без веретена), митоз и мейоз.

1. Профаза: хромосомы спирализуются и становятся видны, ядрышко и ядерная оболочка исчезают, образуется веретено деления (2n4c).
2. Метафаза: хромосомы выстраиваются на экваторе, нити веретена прикрепляются к центромерам; это лучшая фаза для подсчёта хромосом (2n4c).
3. Анафаза: центромеры делятся, сестринские хроматиды расходятся к полюсам и становятся самостоятельными хромосомами (в клетке 4n4c).
4. Телофаза: восстанавливается ядерная оболочка, делится цитоплазма (у животных перетяжкой, у растений образованием перегородки в центре). Получаются две одинаковые клетки (2n2c).

Значение: дочерние клетки генетически идентичны, число хромосом сохраняется; на митозе основаны рост, регенерация и вегетативное размножение. При повреждении генов, управляющих делением, клетка делится бесконтрольно и образует опухоль; риск повышают табачный дым, радиация и некоторые химические вещества.

Мейоз идёт при образовании гамет (у растений — спор): ДНК удваивается один раз, а клетка делится дважды подряд.

• Мейоз I: в профазе I гомологичные хромосомы сближаются (конъюгация) и обмениваются участками (кроссинговер); в анафазе I к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы. Итог: две клетки, n2c.
• В короткой паузе ДНК не удваивается. Мейоз II идёт как митоз, расходятся сестринские хроматиды. Итог: четыре гаплоидные клетки (nc).

Значение: постоянство числа хромосом в поколениях и наследственное разнообразие за счёт кроссинговера и случайного расхождения хромосом. Сходство: одинаковые фазы и веретено деления, перед делением удваивается ДНК. Различия: в митозе одно деление, в мейозе два; в митозе две одинаковые диплоидные клетки, в мейозе четыре разные гаплоидные; конъюгация и кроссинговер бывают только в мейозе.

При бесполом размножении участвует одна особь, потомство — копия родителя: деление надвое (бактерии, амёба), спорами (грибы, мхи, папоротники), почкованием (дрожжи, гидра), вегетативно (стеблем, листом, луковицей, клубнем). При половом размножении сливаются две гаметы, потомство несёт признаки обоих родителей.

Гаметогенез: сперматогенез проходит стадии размножения, роста, созревания и формирования, овогенез — первые три; созревание — это мейоз. Из одного сперматоцита I порядка образуются 4 сперматозоида, из одного ооцита I порядка — 1 яйцеклетка и 3 направительных тельца. Сперматозоид мелкий и подвижный: головка (ядро, акросома), шейка и хвост; яйцеклетка крупная, неподвижная, с запасом желтка. Партеногенез — развитие яйцеклетки без оплодотворения: трутни у пчёл, тли, дафнии.

При оплодотворении гаметы сливаются в зиготу (2n): восстанавливается диплоидный набор, объединяются гены родителей. У животных оплодотворение наружное (рыбы, земноводные) и внутреннее (пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). У покрытосеменных — двойное оплодотворение (С. Г. Навашин, 1898): один спермий сливается с яйцеклеткой и даёт зиготу (2n), второй — с центральной клеткой и даёт эндосперм (3n).

Онтогенез — индивидуальное развитие от зиготы до смерти. Эмбриональный период у животных: дробление зиготы митозом (бластомеры не растут и мельчают) → бластула (полый однослойный шар) → гаструла (двуслойный зародыш: эктодерма и энтодерма, затем между ними мезодерма; у кишечнополостных только два слоя) → нейрула и закладка органов.

• Эктодерма: эпидермис кожи, нервная система, рецепторы органов чувств, эмаль зубов.
• Энтодерма: эпителий кишечника и дыхательных путей, лёгкие, печень, поджелудочная железа.
• Мезодерма: скелет, мышцы, сердце, сосуды и кровь, почки, половые железы.

Постэмбриональное развитие бывает прямым (новорождённый похож на взрослого: пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие) и непрямым, с метаморфозом (личинка резко отличается от взрослого: земноводные, насекомые). У насекомых есть неполное превращение (яйцо → личинка → взрослое: кузнечик) и полное превращение (яйцо → личинка → куколка → взрослое: бабочка, муха).