Решение. В процессе формирования мужских и женских половых клеток происходит редукция числа хромосом и уменьшение числа хроматид в два раза.
В развитии женский половых клеток большую роль играет запас питательных веществ. Именно поэтому в яйцеклетках отношение объёмов и масс «цитоплазма/ядро» во много раз выше по сравнению с типичной соматической клеткой. Поэтому клетки, из которых путём мейоза должны образоваться женские половые клетки, перед мейозом проходят стадию роста, в течение которой накапливаются питательные вещества.
Как следствие, при мейотическом делении из одной исходной диплоидной клетки хотя и образуются несколько гаплоидных клеток, питательные вещества достаются, как правило, лишь одной клетке. При этом формируется только одна яйцеклетка, а остальные гаплоидные клетки деградируют.
Так, у семенных растений в результате двух делений мейоза материнской клетки мегаспоры образуется тетрада мегаспор. Каждая из клеток тетрады гаплоидна. Однако только одна из них продолжает развиваться, остальные три дегенерируют (моноспорический тип развития). Судьба этих клеток напоминает судьбу редукционных телец при созревании яйцеклеток у млекопитающих. У последних в фазе размножения диплоидные оогонии делятся несколько раз путем митоза. Образовавшиеся клетки обязательно вступают в фазу роста, увеличиваются в размерах и превращаются в диплоидные ооциты первого порядка (ооциты I).
В результате мейоза ооцита I образуются две гаплоидные клетки: ооцит второго порядка (ооцит II), где остаётся основной объём цитоплазмы и запас питательных веществ, а также первое полярное тельце. После окончания второго мейотического деления ооцит II также образует крупную яйцеклетку с основным запасом питательных веществ и второе полярное тельце с минимальным количеством цитоплазмы.
Для мужских половых клеток оказывается важным лишь перенести ДНК для формирования диплоидного организма в результате оплодотворения. Несколько утрируя, можно сказать, что сперматозоиды - это фактически клеточное ядро с приделанным к нему «моторчиком», а спермии у семенных растений даже без «моторчика». Поэтому на формирование мужских половых клеток не требуется большого запаса питательных веществ (как для яйцеклетки), а из одной исходной диплоидной клетки, как правило, образуются 4 полноценных мужских гаметы.
Человек развивается из одной-единственной клетки – зиготы. В теле взрослого человека специалисты насчитывают более 200 типов дифференцированных клеток. Как они возникают? Что такое дифференцировка? Чем дифференцированные клетки отличаются от недифференцированных? Есть ли недифференцированные клетки в организме взрослого человека?
Решение. Дифференцировка — это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические и функциональные особенности. Дифференцировка меняет функцию клетки, её размер, форму и метаболическую активность. Недифференцированные клетки являются плюрипотентными, то есть способны дифференцироваться в любую клетку взрослого организма. Пример недифференцированных клеток – клетки морулы эмбрионов позвоночных.
Самая первая дифференцировка в процессе развития эмбриона человека происходит на этапе формирования бластоцисты, когда однородные клетки морулы разделяются на два клеточных типа: внутренний эмбриобласт и внешний трофобласт. Трофобласт участвует в имплантации эмбриона и даёт начало эктодерме хориона (одна из тканей плаценты). Эмбриобласт даёт начало всем прочим тканям эмбриона. По мере развития эмбриона клетки становятся всё более специализированными. В процессе дифференцировки они превращаются сначала в мультипотентные клетки, то есть способные при делении давать несколько разных типов клеток.
Например, перицит (отростчатая клетка соединительной ткани) считается малодифференцированным клеточным элементом (плюрипотентной клеткой), участвующим в образовании стенки сосудов. При дифференцировке он способен превратиться в фибробласт, гладкомышечную клетку или макрофаг.
Значительная часть клеток, проходя различные стадии дифференцировки, становится в конечном счёте унипотентной: они или не делятся (нейрон), или при делении дают лишь один тип клеток.
Молекулярная основа дифференцировки клеток – эпигенетические изменения, то есть такие наследственные изменения, которые не связаны и изменением первичной структуры ДНК. Сейчас доказано, что эпигенетические изменения обусловлены метилированием ДНК и химической модификацией гистоновых белков (их метилирование и ацетилирование), что влияет на структуру хроматина и дифференциальную активностью генов.
Таким образом, в зависимости от типа тканей можно наблюдать разный узор метилирования (у человека по разному метилируется цитозин в динуклеотиде 5’- CG-3’) ДНК и химических модификаций гистоновых белков.
Дифференциальная активность генов проявляется в том, что экспрессия генов в разных тканях, в клетках с разным статусом дифференцировки происходит по-разному. Во взрослом организме недифференцированных плюрипотентных клеток нет. Они встречаются лишь на самых ранних стадиях эмбрионального развития.
На графике изображено изменение количества ДНК в ядре клетки с течением времени. Почему график имеет такую форму? Как называются стадии жизненного пути клетки, обозначенные буквами?
Решение. Плато в количестве ДНК на участке А соответствует постсинтетической стадии клеточного цикла (G2), на которой синтез ДНК не происходит, и которая предшествует митозу. Далее на участке Б масса ДНК уменьшается в 2 раза благодаря тому, что клетка поделилась митотически и каждая дочерняя клетка приобрела одну из сестринских хроматид, а, значит, масса ДНК в каждой клетке составляет ½ от изначальной. Таким образом участок Б – это собственно митоз.
Далее дочерняя клетка вступила в предсинтетическую фазу клеточного цикла G1, когда количество ДНК не изменяется (участок В). Участку Г на графике соответствует следующая фаза клеточного цикла – синтетическая (S), когда происходит репликация ДНК. В этом случае в течение времени масса ДНК растёт до тех пор, пока репликация не завершится и количество ДНК не удвоится.
Одним из выдающихся достижений биологии конца ХХ века является клонирование млекопитающих. Благодаря средствам массовой информации широко распространилось представление о клонировании как методе достижения бессмертия. Некоторые люди даже решили сохранить в состоянии глубокого замораживания свои клетки с тем, чтобы, когда методика будет полностью отработана, «возродиться» в своих клонах. Какие аргументы можно привести в пользу того, что достижение бессмертия, по крайней мере, с помощью клонирования, невозможно? Какие организмы называют клонами? Встречаются ли клоны в природе? Существуют ли естественные клоны млекопитающих?
Решение. Клон – это группа генетически идентичных организмов или клеток. При клонировании организмов (искусственном или естественном) возникает особь с тем же генотипом.
При клональном размножении в течение многих поколений обязательно накапливаются мутации, от которых клоны избавиться не могут, так как нет процесса рекомбинации. Таким образом, генофонд клонально размножающихся организмов должен медленно, но неуклонно деградировать за счёт последовательного накопления вредных мутаций (храповик Мёллера). Этот процесс является одним (но не единственным) объяснением смертности многоклеточных организмов, у которых соматические клетки воспроизводятся самокопированием. Это одна из причин того, что, например, любой вегетативно размножаемый сорт (картофеля, банана и др.) рано или поздно выродится, даже если проводить борьбу с вирусными заболеваниями (как у картофеля).
Другая причина постепенной потери жизнеспособности клонов – накопление т.н. эпимутаций, то есть накопление наследственных эпигенетических изменений, которые не связаны с изменением первичной структуры ДНК, а, например, с изменением узора метилирования нуклеотидов ДНК и (или) модификации гистонов (их метилирования, ацетилирования и др.). Некоторые эпимутации могут переходить из поколения в поколение.
В природе клоны встречаются среди вегетативно размножаемых организмов (растений, червей, кишечнополостных и др.). Однояйцевые близнецы у млекопитающих – тоже пример клонов.
Фактически клональное размножение наблюдается и при диплоидном партеногенезе.
Во многих случаях такой партеногенез выглядит фактически как клональное размножение (например, у тлей или дафний). Однако во многих случаях особи при этом могут различаться очень кардинально. Например, у печёночного сосальщика в результате диплоидного партеногенеза образуется два генетически идентичных, но очень разных по морфофизиологии поколения (редии и церкарии). А жизненный цикл печёночного сосальщика – смена трёх поколений (двух партеногенетических и одного обоеполого). Данные факты означают, что даже при генетической идентичности организмы могут различаться кардинально, что можно увидеть при запрограмированной смене партеногенетических и обоеполых поколений.
Таким образом, хотя клоны – это группы генетически «почти» идентичных организмов, они могут накапливать случайные мутации или эпимутации, которые в конечном счёте снижают жизнеспособность.