Когда подготовка заканчивается, настает время деления – время митоза.
Первая фаза митоза называется «профазой». Профаза – наиболее продолжительная фаза деления. Начинается она с того, что хромосомные нити утолщаются и сворачиваются в спираль. Теперь их можно увидеть в микроскоп. Во время интерфазы число хромосом удвоилось. В профазе одинаковые (или как принято говорить – сестринские) хромосомы соединяются друг с другом посредством перемычек, которые по-научному называются «центромерами». Такие сдвоенные хромосомы с перемычкой посередине похожи на букву «Х».
Хромосома
Оболочка, ограничивающая ядро, в профазе разрушается, и сдвоенные хромосомы рассредоточиваются по всей клетке. Осталось совсем немного – поровну их поделить.
В клетке есть парные клеточные органы, называемые центриолями. Центриоли представляют собой цилиндрические образования, состоящие из пучков микроскопических трубочек. В интерфазе центриоли располагаются в центре клетки, потому-то у них и название такое. Центриоли делят хромосомы между дочерними клетками. В конце профазы центриоли расходятся из центра клетки в противоположные стороны, образуя два полюса. На этом профаза заканчивается, и наступает вторая фаза митоза, которая называется «метафазой».
Центриоли
Разошедшиеся к полюсам центриоли протягивают микротрубочки к хромосомам. К каждой паре хромосом тянутся микротрубочки от обеих центриолей. Если центриоли расположены у полюсов, то хромосомы выстраиваются возле условного экватора клетки, образуя нечто вроде пластины, которую называют «экваториальной» или «метафазной пластинкой». Система «центриоли – хромосомы» имеет веретенообразную форму, потому и называется «веретеном деления».
Смысл метафазы заключается в образовании веретена деления. Как только оно образовано, начинается третья фаза митоза – анафаза.
Образование веретена деления (оно видно на левом рисунке) и разделение хромосом
Во анафазе разрушаются центромеры, связывавшие хромосомы попарно, а микротрубочки начинают сокращаться и подтягивают хромосомы к полюсам клетки. Дело сделано, хромосомы поделены. Осталось только упаковать их в ядра и отделить дочерние клетки друг от друга. Все это происходит в заключительной, четвертой фазе митоза, которая называется «телофазой». Разделение клеток обеспечивает перетяжка, образующаяся в экваториальной зоне клетки. В результате вместо одной материнской клетки появляются две дочерние.
У разных клеток нашего организма разная продолжительность митоза – от получаса до часа. В течение жизни в нашем теле осуществляется примерно сто триллионов клеточных делений. Сто триллионов – это десять в четырнадцатой степени. 100 000 000 000 000!
Половые клетки – сперматозоиды и яйцеклетки – образуются иначе. Митоз для них не подходит, потому что полный набор хромосом им не нужен. В половых клетках должны содержаться половинные наборы хромосом, которые при оплодотворении объединяются в полный. Такой вид деления, при котором материнский набор хромосом делится пополам между дочерними клетками, называют «мейозом», что в переводе с греческого означает «уменьшение».
Мейоз процесс сложный, он проходит в два этапа, в два деления. Первое деление клеток происходит с удвоением числа хромосом, но, в отличие от митоза, хромосомные пары не разделяются надвое, а остаются соединены центромерами. В результате обе дочерние клетки получают от материнской по одной из гомологичных хромосом вместе с ее копией.
Практически сразу же по окончании первого деления, начинается второе, перед которым удвоения числа хромосом не происходит. Центромеры разрушаются, и хромосомы материнских клеток делятся поровну между дочерними.
В результате мейоза из одной материнской (а если точнее, то – «бабушкинской») клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом.
Процесс образования яйцеклеток (оогенез) и процесс образования сперматозоидов (сперматогенез) различаются тем, что из клетки-родителя образуется четыре сперматозоида и всего одна (!) яйцеклетка.
Мейоз
Почему яйцеклетка одна, а сперматозоидов – четыре?
Дело в том, что яйцеклетке, в отличие от сперматозоида, нужно после оплодотворения делиться, причем весьма активно. Для осуществления любого процесса требуются исполнители – клеточные органы, и энергетические ресурсы – питательные вещества. И то и другое находится в цитоплазме, полужидкой внутренней среде клетки. Было бы нерационально делить цитоплазму со всем ее содержимым поровну между четырьмя яйцеклетками. В результате такого «справедливого», равноценного деления получились бы четыре «недояйцеклетки», не способные к активному размножению. Но в то же время в процессе оогенеза дважды надо как-то избавляться от половины имеющихся хромосом. Для этого образуются так называемые «полярные тельца» – не слишком-то жизнеспособные клетки, смысл существования которых заключается в удалении ненужных хромосом. Полярные тельца можно сравнить с мусорным ведром, в которое выбрасываются ненужные хромосомы.
Сперматогенез и оогенез
У мейоза есть одна интересная особенность, которой нет у митоза.
В первой профазе мейоза, когда гомологичные хромосомы соединяются в виде буквы Х, между ними происходит процесс обмена участками! Обмен этот равноценный, меняются идентичные участки, ни одна хромосома не отдает другой больше, чем получила от нее.
Схематичное изображение кроссинговера
Это явление называется «кроссинговером», что в переводе с английского (crossing over), означает «пересечение». Смысл кроссинговера в том, что он повышает генетическое разнообразие в популяции,[4] а генетическое разнообразие способствует более качественному приспособлению организмов и видов к постоянно изменяющимся условиям окружающей среды. Выше генетическое разнообразие – лучше приспособляемость. Лучше приспособляемость – выше выживаемость.
Из-за кроссинговера и мутаций хромосомы, полученные ребенком от родителей, могут отличаться от их «исконных» хромосом. Вдобавок, комбинации гомологичных хромосом в парах могут быть разными. Если мы обозначим отцовские парные хромосомы как «О» и «о», а материнские как «М» и «м», то у ребенка могут быть четыре варианта комбинаций – «ОМ», «Ом», «оМ» и «ом». Вот почему дети, рожденные от одних и тех же родителей, могут быть совершенно непохожими друг на друга. А еще дети могут быть совершенно непохожими на родителей, как говорится «не в мать и не в отца, а в проезжего молодца». И далеко не всегда в этом виноват проезжий молодец.
Важно понимать, что программа развития организма создается в момент его зачатия. Вот как только сперматозоид оплодотворил яйцеклетку, эта программа и появилась, сложилась из двух половинок – материнского и отцовского набора хромосом. Вот сложилась – и все тут! Раз и навсегда. Сочетания парных генов определили все признаки организма. Осталось только выработать соответствующие белки в соответствующих клетках…
К слову будет сказано, что ни клетки организма, ни, тем более, молекулы ДНК, не обладают разумом и не могут оценивать последствия синтеза тех или иных белков. Увы, но это так. Если сбой в генетическом коде приведет к чему-то вредному для клеток или организма в целом, этот код все равно будет реализован. Раз написано – надо выполнять!
Людьми, далекими от биологии, эволюция и естественный отбор могут восприниматься как какие-то разумные, осмысленные процессы. Ничего удивительного, ведь в результате эволюции одноклеточный организм развился до такого венца творения, как Человек Разумный. Разве это можно объяснить только цепочкой случайностей? Что же касается естественного отбора, то он сохраняет полезное и отбрасывает бесполезное, а для этого вроде бы как нужен разум. Весь этот разумный флер (или, если угодно – ореол) ложится и на гены с хромосомами. Впору думать, что умные хромосомы сами придумали меняться участками, дабы поспособствовать прогрессированию генетического разнообразия.
На самом деле все совсем не так. Кроссинговер – это результат мутации, да и вообще все многообразие окружающей нас живой природы представляет собой результат мутаций.
Мутации служат материалом для естественного отбора, эволюционного процесса, в результате которого в популяции увеличивается количество особей, обладающих максимальной приспособленностью к условиям внешней среды, а количество слабо приспособленных особей уменьшается.
Каким образом происходят эти процессы?
Если мутация благоприятная, если она повышает выживаемость организма, повышает его приспособленность к условиям среды обитания или повышает его плодовитость, то она имеет шансы широко «растиражироваться» в потомстве, потому что тот, кто живет дольше, может оставить больше потомства. Только и всего. Оставил больше потомства – «растиражировал» свои гены вместе с полезной мутацией, ну а дальше этот процесс пошел по нарастающей. А если мутация неблагоприятная (сокращающая продолжительность жизни, плохо влияющая на здоровье и т. п.), то ее обладатель оставит мало потомства или вовсе его не оставит, и, следовательно, такая мутация не будет «растиражирована». Вот вам и весь естественный отбор. Никакого разума – одна статистика.
По результатам мутации делят на полезные, нейтральные и вредные, которые в свою очередь подразделяются на стерильные, полулетальные и летальные.
Нейтральными называются мутации – это мутации, которые никак не влияют на жизнеспособность организма.
Полулетальными называются вредные мутации, значительно снижающие жизнеспособность организма, но, в отличие от летальных, не приводящие к его гибели.
Стерильные мутации не влияют на жизнеспособность организма, но снижают его способность к размножению.
Польза и вред некоторых мутаций зависят от условий внешней среды. В разных условиях одна и та же мутация может оказаться полезной или вредной. Например, мутация вызывающая альбинизм (полное или частичное отсутствие меланина в коже, волосах и радужной оболочке глаз) окажется полезной для животного, обитающего там, где круглый год или большую часть года лежит снежный покров. В таких условиях альбинизм является маскирующим признаком, увеличивающим шансы особи на выживание. А вот в степи заяц-альбинос будет хорошо заметен, здесь этот признак окажется вредным, демаскирующим. Но хромосомы зайца не думают: «давайте переделаем этот ген в ген альбинизма», потому что думать им нечем. Просто происходит такая мутация, результат которой проходит испытание на свою полезность.