Хромосомы. Стадии митоза

Законы Менделя имели большее значение в 1900 году, чем в 1866 году, потому что за это время были сделаны новые важные открытия, касающиеся клеток.

Те, кто наблюдал за клетками в восемнадцатом и начале девятнадцатого веков, увидели немногое, даже с помощью усовершенствованных микроскопов. Клетка была практически прозрачным телом, как и материал, из которого она состояла. Следовательно, он казался более или менее невыразительным пятном, и биологам пришлось довольствоваться описанием его общего размера и формы, и не более того.

Некоторые иногда замечали более плотную область (теперь называемую "клеточным ядром") вблизи ее центра, но первым, кто признал это за обычную особенность клеток, был шотландский ботаник Роберт Браун (1773-1858), который высказал это предположение в 1831 году.

Семь лет спустя, когда Шлейден выдвинул клеточную теорию, он придавал большое значение клеточному ядру. Он считал, что это связано с размножением клеток и что новые клетки отпочковываются от поверхности ядра. К 1846 году Нагели смог доказать, что это неверно.

Однако интуиция Шлейдена не сбила его с толку; ядро участвовало в размножении клеток. Однако для получения информации о деталях этого участия пришлось подождать появления какой-то новой методики осмотра внутреннего пространства камеры.

Этот метод появился благодаря органической химии. Следуя примеру Бертло, химики-органики быстро научились получать органические вещества, которых не существует в природе. Многие из них были ярко раскрашены, и действительно, в 1850-х годах началось производство гигантских "синтетических красителей".

Если бы внутренняя часть клетки была неоднородной, то вполне возможно, что некоторые ее части могли бы вступать в реакцию с определенным химическим веществом и поглощать его, в то время как другие части - нет. Если бы химическое вещество было красителем, то в результате некоторые части клетки стали бы окрашенными, в то время как другие остались бы бесцветными. Благодаря таким "пятнам" будут видны невидимые ранее детали.

Многие биологи экспериментировали подобным образом, и одним из тех, кто добился выдающихся успехов, был немецкий цитолог Вальтер Флемминг (1843-1905). Флемминг изучал клетки животных и обнаружил, что внутри клеточного ядра были разбросаны пятна вещества, которые сильно впитывали краситель, с которым он работал. Они ярко выделялись на бесцветном фоне. Флемминг назвал этот абсорбирующий материал "хроматином" (от греческого слова, означающего "цвет").

Когда Флемминг окрашивал участок растущей ткани, он, конечно, уничтожал клетки, но каждая из них была захвачена на определенной стадии деления. В 1870-х годах Флеммингу удалось выявить изменения в хроматиновом материале, которые сопровождали прогрессирующие изменения в процессе деления клеток.

Рисунок 4. Этапы митоза. (1) Хромосомы образуются в ядре на первой стадии митоза. (2) Хромосомы начинают разделяться на две одинаковые половины, и астра (маленький белый кружок вне ядра) распространяется по противоположным сторонам клетки. (3) Хромосомы удвоились, но остаются соединенными в центре.

(4) Хромосомы выстроились в линию, и астры переместились на противоположные полюса. (5) Астры раздвигают хромосомы. (6) Клетка начинает удлиняться и в конечном счете образует две новые идентичные клетки, каждая со своим ядром и таким же количеством хроматина, какое было в материнской клетке на первой стадии

Он обнаружил, что по мере того, как начинался процесс деления клеток, хроматиновый материал объединялся в короткие нитевидные объекты, которые позже стали называться "хромосомами" ("окрашенными тельцами"). Поскольку эти нитевидные хромосомы были столь характерной чертой клеточного деления, Флемминг назвал этот процесс "митозом" (от греческого слова, означающего "нить").

Еще одно изменение, сопровождавшее начало митоза, коснулось "астры" (греческое слово, означающее "звезда"). Она получила свое название потому, что представляла собой крошечный точечный объект, окруженный тонкими нитями, расходящимися от нее подобно обычным лучам, исходящим от звезды.

Астра разделилась, две части разделились и разошлись по противоположным сторонам клетки. Тонкие лучи, проходящие от одной астры к другой, казалось, запутывали хромосомы, которые группировались вдоль средней плоскости клетки.

В решающий момент клеточного деления каждая хромосома создает собственную копию. Затем двойные хромосомы разделяются, одна хромосома каждого дублета направляется в один конец клетки, а вторая хромосома - в другой. Затем клетка делится, и в середине образуется новая мембрана.

Там, где раньше была одна клетка, теперь были две дочерние клетки, каждая из которых содержала количество хроматина, равное (благодаря удвоению хромосом) тому, которое первоначально присутствовало в материнской клетке. Флемминг опубликовал эти результаты в 1882 году.

Работа была продолжена бельгийским цитологом Эдуардом ван Бенеденом (1846-1910). В 1887 году он смог продемонстрировать два важных момента, касающихся хромосом. Во-первых, он представил доказательства того, что их количество постоянно в различных клетках организма и что у каждого вида, по-видимому, есть характерное число. (Например, сейчас известно, что каждая клетка человека содержит сорок шесть хромосом).

Далее Ван Бенеден обнаружил, что при образовании половых клеток, яйцеклеток и сперматозоидов делению хромосом во время одного из клеточных делений не предшествовала репликация. Таким образом, каждая яйцеклетка и сперматозоид получили только половину обычного количества хромосом.

Как только работа Менделя была обнаружена Де Фризом, вся эта работа над хромосомами внезапно получила освещение. Американский цитолог Уолтер С. Саттон (1876-1916) в 1902 году указал, что хромосомы ведут себя подобно факторам наследования, описанным Менделем. Каждая клетка содержит фиксированное число пар хромосом.

Они обладают способностью передавать физические характеристики от клетки к клетке, поскольку при каждом клеточном делении количество хромосом тщательно сохраняется; каждая хромосома создает свою точную копию для использования новой клеткой.

Когда образуется яйцеклетка (или сперматозоид), каждая клетка получает только половину обычного количества хромосом (по одной в каждой паре). Когда в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки образуется оплодотворенная яйцеклетка, восстанавливается правильное общее количество хромосом.

По мере того как оплодотворенная яйцеклетка делится и делится повторно, образуя самостоятельно живущий организм, количество хромосом снова тщательно сохраняется. Однако в новом организме одна из каждой пары хромосом поступает от матери через яйцеклетку, в то время как вторая из каждой пары поступает от отца через сперматозоид.

Это перетасовывание хромосом в каждом поколении приводит к выявлению тех рецессивных признаков, которые ранее были заглушены доминантными. Постоянно новые комбинации в дальнейшем приводят к разнообразным вариациям признаков, за которые может ухватиться естественный отбор.

Таким образом, на заре двадцатого века в эволюции и генетике был достигнут своего рода кульминационный момент. Однако это послужило лишь прелюдией к новым и еще более поразительным достижениям.