Життєвий цикл клітини віруси і бактеріофаги Розмноження і розвиток організмів

Розмноження і розвиток організмів. Форми розмноження організмів

Освіта статевих клітин у тварин

Запліднення і розвиток тварин

Життєвий цикл клітини

Період життєдіяльності клітини, в якому відбуваються всі обмінні процеси і розподіл, називається життєвим циклом клітини. Цей час життя клітини від одного розподілу до іншого. Клітинний цикл складається з інтерфази і ділення.

Інтерфаза - фаза в життєвому циклі між двома поділами клітини. Вона характеризується активними процесами обміну речовин, синтезом білка, РНК, накопиченням поживних речовин клітиною, зростанням і збільшенням обсягу. У середині інтерфази відбувається подвоєння ДНК (реплікація). У результаті кожна хромосома містить 2 молекули ДНК і складається з двох сестринських хроматид, які зчеплені центромерой і утворюють одну хромосому. Клітка готується до поділу, подвоюються всі її органели. Тривалість інтерфази залежить від типу клітин і в середньому становить ⁴ / ₅ від загального часу життєвого циклу клітини.

Поділ клітини. Зростання організму здійснюється за рахунок поділу його клітин. Здатність до поділу - найважливіша властивість клітинної життєдіяльності. Ділячись, клітина подвоює всі свої структурні компоненти, і в результаті виникають дві нові клітини. Найбільш поширеним способом поділу клітини є мітоз - непрямий поділ клітини.

Мітоз - процес утворення двох дочірніх клітин, ідентичних вихідної материнської клітині. Він забезпечує відновлення клітин у процесі їхнього старіння. Мітоз складається з чотирьох послідовних фаз, які забезпечують рівномірний розподіл генетичної інформації і органоїдів між двома дочірніми клітинами.

У профазі ядерна мембрана зникає, хромосоми максимально спіралізуются, стають добре помітними. Кожна хромосома складається з двох сестринських хроматид. Центріолі клітинного центру розходяться до полюсів, утворюючи веретено поділу.

У метафазі хромосоми розташовуються в екваторіальній зоні, нитки веретена поділу з'єднані з центромерами хромосом.

Анафаза характеризується розбіжністю сестринських хроматид хромосом до полюсів клітки. У кожного полюса виявляється така ж кількість хромосом, яке було у вихідній клітці.

У телофазе відбувається розподіл цитоплазми і органоїдів, хромосоми деспіралізуются, з'являються ядро ​​і ядерце. У центрі клітини утворюється перегородка з клітинної мембрани, і виникають дві нові дочірні клітини, ідентичні вихідної материнської.

Процес поділу ядра називається каріокінез, а поділу вмісту клітини - цитокінез. Весь процес розподілу ділиться від декількох хвилин до 3 годин, в залежності від типу клітин. Стадія поділу клітини в кілька разів за часом коротше її інтерфази.

Біологічний сенс мітозу полягає у забезпеченні сталості числа хромосом і спадкової інформації, повної ідентичності знову виникаючих клітин вихідним.

Іноді трапляється інший вид поділу клітини - амітоз. Амитоз - пряме розподіл ядра, без освіти хромосом і веретена поділу. При цьому спадкова інформація розподіляється нерівномірно. Амитоз зустрічається в деяких найпростіших, в клітинах спеціалізованих тканин (хрящі), в ракових клітинах.

Віруси і бактеріофаги

Крім організмів, що мають клітинну будову, існують і неклітинні форми життя - віруси й бактеріофаги. Ці форми життя являють собою як би перехідну групу між живою і неживою природою.

Віруси були відкриті у 1892 р. російським вченим Д.І. Івановським. У перекладі на російську мову "вірус" означає "отрута". Віруси складаються з молекул ДНК або РНК, покритих білковою оболонкою, а іноді додатково ліпідної мембраною. Віруси можуть існувати у вигляді кристалів. У такому стані вони не розмножуються, не виявляють жодних ознак живого і можуть зберігатися тривалий час. Але при впровадженні в живу клітину вірус починає розмножуватися, пригнічуючи та руйнуючи всі структури клітини-хазяїна. Проникаючи в клітину, вірус вбудовує свою ДНК в ДНК клітини, і починається синтез вірусних білків, реплікація вірусної ДНК, тоді як синтез білків і ДНК клітини-господаря пригнічується. Якщо генетичним апаратом вірусу є РНК, то спочатку йде процес зворотної транскрипції за схемою РНК -> ДНК -> РНК -> білок. Тому РНК-залежні віруси називаються ретровірусами

Поза живої клітини віруси не здатні до розмноження, синтезу білка. Віруси викликають різні захворювання рослин, тварин, людини. До них відносяться віруси тютюнової мозаїки, грипу, кору, віспи, поліомієліту, вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), що викликає СНІД.

Вірус ВІЛ відноситься до ретровірусів, його генетичний матеріал представлений у вигляді двох молекул РНК і ферменту зворотної транскриптази. Цей фермент каталізує реакцію зворотної транскрипції у клітинах лімфоцитів. По матриці вірусної РНК синтезується вірусна ДНК, яка і вбудовується в ДНК клітин людини. У такому стані вона може зберігатися довго, не проявляючи себе, тому антитіла в крові у інфікованої людини не утворюються відразу і виявити захворювання на цій стадії складно. У процесі поділу клітин крові ДНК вірусу передається відповідно в дочірні клітини. При будь-яких умовах вірус активізується і починається синтез вірусних білків, а в крові з'являються антитіла. У першу чергу вірус вражає Т-лімфоцити, відповідальні за вироблення імунітету. У результаті організм перестає боротися з будь-якою інфекцією, раковими клітинами і гине.

Бактеріофаги - це віруси, що вражають клітини бактерій (пожирачі бактерій). Тіло бактеріофага складається з білкової голівки, у центрі якої знаходиться вірусна ДНК, і хвостика. На кінці хвоста розташовуються хвостові відростки, які служать для закріплення на поверхні клітини бактерії, і фермент, що руйнує бактеріальну стінку. По каналу в хвостику вірус всприсківает ДНК у клітину бактерії і пригнічує синтез бактеріальних білків, замість яких синтезуються ДНК і білки вірусу. У клітці відбувається збірка нових вірусів, які залишають загиблу бактерію та впроваджуються в нові. Бактеріофаги можуть використовуватися як ліки проти збудників інфекційних захворювань (холери, черевного тифу).

Розмноження і розвиток організмів. Форми розмноження організмів

Наступність поколінь у природі здійснюється за рахунок розмноження організмів. Розмноження - здатність організму відтворювати собі подібне. У природі існують два типи розмноження організмів: безстатеве і статеве.

Безстатеве розмноження - утворення нового організму з однієї або групи клітин вихідного материнського організму. У цьому випадку в розмноженні бере участь тільки одна батьківська особина, яка передає свою спадкову інформацію дочірнім особинам. В основі безстатевого розмноження лежить мітоз. Зустрічається декілька форм безстатевого розмноження.

Просте ділення, або ділення надвоє, характерно для одноклітинних організмів. З однієї клітини шляхом мітозу утворюються дві дочірні, кожна з яких стає новим організмом.

Брунькування - форма безстатевого розмноження, при якій від батьківської особини відокремлюється дочірній організм. Така форма характерна для грибів, гідри і деяких інших тварин.

У спорових рослин (водоростей, мохів, папоротей) розмноження відбувається за допомогою спор, спеціальних клітин, що утворюються в материнському організмі. Кожна спору, проростаючи, дає початок новому організму.

Вегетативне розмноження - різновид безстатевого розмноження окремими органами, частинами органів чи тіла. Воно засноване на здатності організмів відновлювати втрачені частини тіла - регенерації. Зустрічається у рослин (розмноження стеблами, листям, пагонами), у нижчих безхребетних тварин (кишковопорожнинних, плоских хробаків).

Статеве розмноження - утворення нового організму за участю двох батьківських особин. При статевому розмноженні відбувається злиття статевих клітин - гамет чоловічого і жіночого організму. Новий організм несе спадкову інформацію обох батьків. Статеві клітини формуються в результаті особливого типу поділу, при якому число хромосом у знову утворюються клітинах в два рази менше, ніж у вихідній материнській клітині. Таким чином, гамети мають у два рази менше число хромосом. У результаті злиття двох гамет число хромосом під знову утворилася клітці. - Зиготі - збільшується в два рази, тобто відновлюється, причому одна половина всіх хромосом є батьківській, інша - материнської.

Хромосомний набір клітин. У клітинах більшості організмів хромосоми парні. Парні хромосоми, однакові за формою, величиною та спадкової інформації, називають гомологічними, а подвійний, парний набір хромосом, - диплоїдним (2п). У деяких клітинах і організмах міститься одинарний, гаплоїдний набір хромосом (п). У цьому випадку однакових хромосом немає.

Число хромосом для кожного виду організмів постійно. Так, у клітинах людини - 46 хромосом (23 пари), голуба - 80 (40 пар), дощового черв'яка - 36 (18 пар), в клітинах пшениці - 28 (14 пар). Ці організми містять диплоїдний набір хромосом. Деякі організми, такі як водорості, мохи, гриби, мають одиночний, гаплоїдний набір хромосом. Гаплоїдний набір позначають буквою п, диплоїдний - 2п.

Мейоз

Освіта гаплоїдного набору хромосом з диплоїдної клітини відбувається в процесі особливого типу поділу - мейозу. Це такий розподіл клітини, при якому хромосомний набір клітини зменшується вдвічі. Цей тип розподілу називається редукційним. Для мейозу характерні ті ж стадії, що і для мітозу, але процес складається з двох послідовних поділів (мейоз 1 і мейоз 2). У результаті утворюються не 2, а 4 клітини.

Стадії мейозу. Як і мітозу, мейозу передує інтерфаза, в якій відбувається реплікація ДНК і подвоєння хромосом. Кожна хромосома перед початком розподілу складається з 2 молекул ДНК - 2 сестринських хроматид. У цей час клітина має диплоїдний набір хромосом - 2п, але кожна хромосома складається з двох ДНК - 2с. Всього в клітці 4с молекул ДНК. Таким чином, перед початком розподілу хромосомний набір становить 2п4с.

Профаза 1. Фаза значно довше, ніж у мітозі. Хромосоми спіралізуются і товщають. Гомологічні хромосоми попарно з'єднуються і накладаються один на одного - кон'югують. У результаті утворюються біваленти - подвійні хромосоми. Під час кон'югації може відбуватися обмін ділянками гомологічних хромосом - кросинговер, тобто парні хромосоми обмінюються деякими генами, що змінює комбінацію генів у хромосомі. Ядерна мембрана поступово зникає, центріолі розходяться до полюсів клітини і утворюється веретено поділу.

Метафаза 1. Гомологічні хромосоми попарно у вигляді бівалентів розташовуються в екваторіальній зоні клітини над і під площиною екватора. Центромери хромосом з'єднуються з нитками веретена поділу.

Анафаза 1. Гомологічні хромосоми розходяться до полюсів клітини. Це основна відмінність мейозу від мітозу, де йде розбіжність сестринських хроматид. Таким чином, у кожного полюса виявляється тільки одна хромосома з пари, тобто число хромосом у полюсів одно п2с. Відбувається редукція числа хромосом - зменшення вдвічі.

Телофаза 1. Ділиться все інше вміст клітини, утворюється перетяжка і виникають дві клітини з гаплоїдним набором хромосом. Кожна хромосома складається з 2 молекул ДНК - 2 сестринських хроматид. Освіта 2 клітин може наступати не завжди. Іноді телофаза супроводжується тільки утворенням 2 гаплоїдних ядер. Каріокінез відбувається завжди, а цитокінез може бути відсутнім.

Перед 2-м поділом мейозу інтерфаза відсутня. Обидві клітини одночасно приступають до 2-го поділу мейозу. Мейоз 2 повністю ідентичний мітозу і відбувається в 2 клітинах (ядрах) синхронно.

Профаза 2. Ядерна мембрана зникає, утворюється веретено поділу. Хромосоми спіралізуются і товщають. Фаза значно коротше профази 1.

Метафаза 2. Хромосоми шикуються в площині екватора. Нитки веретена поділу з'єднані з центромерами.

Анафаза 2. До полюсів клітини розходяться сестринські хроматиди - хромосоми. У кожного полюса утворюється набір хромосом п, тобто гаплоїдний набір, де кожна хромосома складається з 1 молекули ДНК.

Телофаза 2. Утворюються 4 гаплоїдних ядра і 4 гаплоїдні клітини з набором хромосом п в кожній.

Біологічний сенс мейозу полягає в утворенні гаплоїдних клітин, які при злитті знову відновлюють диплоїдний набір. Цей процес забезпечує постійний набір хромосом у знову утворюються організмів при статевому розмноженні. У мейозі гомологічні хромосоми потрапляють у різні гамети, а негомологичностью хромосоми розходяться в гамети довільно, незалежно один від одного. Це збільшує число типів гамет і є основою для генетичного розмаїття організмів. Крім того, кон'югація та кросинговер також сприяють комбінації генів і збільшують різноманітність гамет і поєднання ознак в організмі.

Освіта статевих клітин у тварин

Гаметогенез - це процес утворення статевих клітин. Тварини мають диплоїдний набір хромосом. У процесі гаметогенезу, в основі якого лежить мейоз, що утворюються гамети мають гаплоїдний набір хромосом. Гамети утворюються в статевих залозах або спеціалізованих клітинах. У тварин це насінники і яєчники. Гаметогенез протікає послідовно в трьох зонах і закінчується дозріванням гамет.

Зона розмноження. У ній містяться первинні статеві клітини з диплоїдним набором хромосом 2 п. Клітини в цій зоні діляться митозом, що сприяє збільшенню їх кількості.

Зона росту. У цій зоні ділення клітин не відбувається. Вони ростуть, запасають поживні речовини. Тут протікає інтерфаза перед мейотичного поділу. Клітини мають диплоїдний набір хромосом.

Зона дозрівання. У цій зоні відбувається мейоз, остаточно формуються і дозрівають гамети.

Сперматогенез - процес утворення чоловічих статевих клітин - сперматозоїдів. У зоні розмноження в сперматогенний тканини в результаті мітозу утворюються численні клітини - сперматогонії (2 л). порядка, готовый к редукционному делению. У зоні росту сперматогонії незначно збільшуються, і з кожної клітини розвивається сперматоцит I порядку, готовий до редукционному поділу. порядка, а затем во 2-м делении 4 гаметы - сперматиды (л). У зоні дозрівання в процесі 1-го поділу мейозу утворюються 2 сперматоцитах II порядку, а потім у 2-му розподілі 4 гамети - сперматиди (л). Всі 4 клітини, однакові за величиною, дозрівають і утворюють 4 сперматозоїда.

Сперматозоїди - невеликі рухливі клітини, що складаються з голівки, шийки і хвостика. У голівці знаходиться ядро ​​з гаплоїдним набором хромосом. На загостреному кільці розташовується апарат Гольджі зі спеціальними ферментами, які руйнують оболонку яйцеклітини. У шийці знаходяться центріолі і численні мітохондрії, що забезпечують енергією сперматозоїд при його русі. Хвостик служить для руху сперматозоїда і за будовою подібний зі джгутиком в одноклітинних. Усі які утворюються сперматозоїди мають однакову величину.

Оогенез - процес утворення жіночих статевих клітин - яйцеклітин. У зоні розмноження в оогенной тканини знаходяться численні клітини - оогонії (2л). Вони розмножуються митозом. Кожна оогоній переходить в зону росту, починає посилено рости, запасти поживні речовини у вигляді зерен жовтка. порядка. Вона перетворюється в ооцит I порядку. Процес зростання ооцита значно триваліший, ніж сперматоцитах. порядка делится мейозом неравномерно. У зоні дозрівання ооцит I порядку ділиться мейозом нерівномірно. порядка, куда переходят все питательные вещества, и 1 мелкая клетка - первичное направительное тельце, где имеется только ядро. Після 1-го поділу утворюється 1 велика клітинка - ооцит II порядку, куди переходять всі поживні речовини, і 1 дрібна клітка - первинне направітельним тільце, де є тільки ядро. порядка образуется опять 1 крупная клетка - яйцеклетка и 1 вторичное направительное тельце. Після 2-го поділу мейозу з ооцита II порядку утворюється знову 1 велика клітинка - яйцеклітина і 1 вторинне направітельним тільце. З первинного направітельного тільця утворюються 2 дрібних вторинних направітельний тільця. Таким чином, при оогенезі з кожної вихідної клітини утворюється 1 велика яйцеклітина (л) і 3 направітельний тільця (л), які гинуть. Направітельний тільця служать тільки для рівномірного розподілу хромосом у мейозі.

Яйцеклітина - округла нерухома клітина, що містить ядро і багато поживних речовин у вигляді жовтка. Розміри яйцеклітин різні в різних видів тварин. Наприклад, у ссавців діаметр їх становить 0,2 мм-60 мкм, у амфібій і риб - 3-5 мм, а у рептилій і птахів досягає декількох сантиметрів. Наприклад, розмір яйцеклітини курки - 3 см. На верхньому полюсі яйцеклітини знаходиться зародковий диск, де розташовується ядро.

Яйцеклітина у будь-якого виду тварин завжди значно більші за його сперматозоїдів. Живильні речовини яйцеклітини забезпечують розвиток зародка на початковій стадії (у ссавців) або на всьому протязі ембріогенезу (у птахів, рептилій).

Запліднення і розвиток тварин

Запліднення - процес злиття чоловічих і жіночих статевих клітин, в результаті якого утворюється зигота, при цьому відновлюється диплоїдний набір хромосом. З зиготи розвивається зародок.

Існують два способи запліднення: зовнішнє і внутрішнє. При зовнішньому заплідненні самка виметивает яйцеклітини (ікру), а самець поливає їх спермою. Такий спосіб запліднення характерний для водних мешканців (риб, земноводних). При внутрішньому заплідненні злиття гамет відбувається в статевих шляхах самки, що відзначається у наземних і деяких водних мешканців (у ссавців, рептилій, комах, хробаків). Запліднене яйце може розвиватися в тілі матері, як у ссавців, або у зовнішньому середовищі. Тоді яйця покриваються спеціальною оболонкою або шкаралупою, і самка відкладає їх у найбільш безпечне місце (у комах, птахів, рептилій, молюсків).

Біологічне значення запліднення полягає в тому, що при злитті гамет, як вже було сказано, відновлюється диплоїдний набір хромосом, а новий організм несе спадкову інформацію і ознаки двох батьків. Це збільшує різноманітність ознак організмів, підвищує їх життєстійкість і адаптаційні властивості.

Онтогенез - індивідуальний розвиток організму. Він ділиться на два періоди - ембріональний і постембріональний.

Ембріональний період (ембріогенез) починається з моменту запліднення і закінчується народженням організму. Ембріогенез ділиться на кілька етапів.

1. Дроблення. Після злиття ядер двох гамет і відновлення диплоїдного набору хромосом починається розвиток зародка. Перша стадія називається дробленням. Мітозів яйце починає ділитися на 2, потім на 4, 8 і т.д. клітин. Утворюються при дробленні клітини називаються бластомери. Основна відмінність дроблення від звичайного поділу полягає в тому, що утворюються клітини не збільшуються в обсязі, не ростуть. Дроблення йде за рахунок поживних речовин яйцеклітини.

Характер дроблення залежить від яйця. Воно може бути рівномірним, або повним, коли яйце повністю поділяється на бластомери (ланцетник, морський їжак, земноводні). Дроблення може бути неповним, коли жовтка в яйці багато і дробиться тільки верхній диск яйця (птахи, рептилії, риби).

Дроблення закінчується утворенням бластули. Бластула - одношаровий зародковий куля з порожниною всередині. Стінки кулі утворені одним шаром клітин.

2. Гаструляція. Після утворення бластули настає друга стадія розвитку зародка - гаструла. Гаструляція починається з впячивания нижніх клітин бластули всередину порожнини. У результаті утворюються 2 шару клітин і вторинна порожнина з отвором - бластопор. Гаструли - двошаровий зародковий мішок, зовнішній шар клітин якого називається ектодерми, а внутрішній - ентодермою.

3. Утворення 3 зародкових листків. На наступній стадії між екто - і ентодермою закладається третього зародковий листок - мезодерма. Вона утворюється за рахунок міграції частини клітин зовнішнього і внутрішнього шарів. На цій стадії утворюється тришаровий зародок.

4. Органогенез. З трьох зародкових листків розвиваються всі тканини й органи майбутнього організму: з ектодерми - шкірні покриви, нервова система, органи чуття; з ентодерми - травна система, печінка, підшлункова залоза, легені; мезодерма дає початок хрящовому і кістковому скелету, м'язам, кровоносній системі, ниркам, статевих залоз.

Закладка органів починається на стадії нейрули. У ентодермі утворюється зачаток хорди, а над нею у клітинах ектодерми - нервова пластинка, яка згортається в нервову трубку і занурюється під ектодерми. Праворуч і ліворуч від нервової трубки розвивається мезодерма, утворюючи осьовий комплекс. Далі відбувається утворення і розвиток інших органів. Усі клітини зародка розвиваються з однієї вихідної клітини - зиготи і мають однаковий набір хромосом, а також генетичну інформацію. Проте в різних зародкових листках функціонують різні набори генів, що призводить до формування різних тканин і органів. Специфічність роботи клітин виникає не відразу, а на певному етапі ембріогенезу. Речовини або група клітин, що стимулюють розвиток органів і тканин зародка, називаються індукторами, а явище стимуляції - ембріональної індукцією. Так, організатором, що направляють розвиток нервової трубки, є клітини мезодерми і хорда.

Ембріональний розвиток. Цей процес починається після виходу організму з яйця або тіла матері, тобто після його народження, коли організм здатний існувати самостійно. Ембріональний розвиток буває двох типів: пряме і непряме.

Прямий розвиток йде без перетворень, коли народжений організм має схожість з дорослою особиною, що відзначається, наприклад, у птахів і ссавців.

Непрямий розвиток протікає з метаморфозом - перетворенням у дорослу особину. У цьому випадку є личиночная стадія, коли народжений організм не схожий на дорослу особину. Личинка - організм, пристосований до активного харчування, росту і розвитку, але не здатний розмножуватися (за рідкісним винятком). Наприклад, у жаби личиночная стадія - пуголовок, у метелика - гусениця.

Біологічний сенс метаморфоза полягає в тому, що личинки і дорослі особини харчуються різною їжею, адаптовані до різних умов, що усуває конкуренцію між ними і сприяє виживанню потомства.

Партеногенез - різновид статевого розмноження, коли доросла особина розвивається з незапліднених яйця. Зустрічається у нижчих ракоподібних (дафній), комах (бджіл, попелиць), деяких птахів (індичок) і найчастіше чергується зі звичайним статевим розмноженням. З незапліднених яйцеклітин з гаплоїдним набором починають розвиватися клітини, у яких в мітозі спостерігається нерасхожденіе хромосом і диплоїдний набір відновлюється. Партеногенез може йти як за сприятливих умов (у попелиць і дафній розвиваються самки), так і при несприятливих умовах (восени з незапліднених яєць розвиваються самці). У бджіл з незапліднених яєць розвиваються трутні, а з запліднених - самки і робочі бджоли. Партеногенез можна викликати штучно, впливом будь-якого фактора на яйцеклітину.