В чем заключается биологическое значение деления клеток
Биологическое значение митоза – смысл, в чем заключается роль в делении клеток
Непрямое деление клеток-эукариотов – содержащих ядро – называют митозом. В этой статье Вы узнаете, в чём заключается биологическое значение митоза, историю исследования данного процесса.
Стадии митоза
Индивидуальное развитие любого живого организма невозможно без процесса деления клеток. Уникальность митоза состоит в том, что во время деления диплоидной соматической клетки образуется две дочерние клетки, которые обладают одинаковой генетической информацией и имеют равное число хромосом. Другими словами сохраняется преемственность между поколениями клеток-эукариотов.
Весь процесс состоит из четырёх стадий:
Рис. 1. Стадии митоза
В некоторых источниках можно найти развёрнутый список фаз митоза. Так, например, профазе предшествует препрофаза, так называемая подготовка к делению. А также между профазой и метафазой рассматривают этап прометафазы. Однако большинство учёных объединяют препрофазу, профазу и прометафазу в одну единую стадию – профазу.
История исследования процесса
Впервые упоминания о процессе деления клеток встречаются в научной литературе в 1870 году. Но эти описания были неполными и касались только лишь изменения поведения ядер внутри клетки.
Первые попытки исследовать данный процесс принадлежат русским учёным Руссову, Чистякову, а также немецкому учёному Шнейдеру.
В 1879 году Шлейхер, немецкий учёный, предложил процесс клеточного деления назвать кариокинезом. Впервые понятие «митоз» ввёл немецкий учёный-гистолог В. Флемминг в начале 1880-х годов. Именно этот термин и стал общепринятым для названия процесса, который завершает разделение хромосом между дочерними клетками.
Рис. 2. Вальтер Флемминг
Биологическое значение митоза
Ключевой ролью митоза является копирование генетического кода и передача его последующим поколениям. Благодаря данному процессу в ядре поддерживается постоянное число хромосом, которое строго одинаково распределяется между дочерними клетками. С помощью митотического деления наращиваются клетки растительных тканей. У животных организмов митоз лежит в основе дробления оплодотворённого яйца и роста тканей.
Помимо этого биологическим смыслом митоза является:
Благодаря этому процессу из одноклеточной зиготы развивается и растёт многоклеточный организм. Митоз является основой эмбрионального развития.
Некоторые участки тела в процессе жизнедеятельности требуют постоянной замены, например, клетки кожи, эпителий кишечника, эритроциты.
С помощью митоза некоторые организмы могут восстанавливаться из одной части тела. Например, морская звезда может восстановиться всего из одного своего луча. У ящерицы может отрасти новый хвост, у человека восстанавливаются участки кожи.
Рис. 3. Восстановление морской звезды
Данный процесс лежит в основе вегетативного размножения растений. У животных с помощью митоза размножается гидра. Новая особь образуется способом почкования, которое невозможно без деления и увеличения числа клеток.
Что мы узнали?
Процесс непрямого деления клеток-эукариотов, при котором копируется и сохраняется генетическая информация, называется митозом. Данный процесс проходит в 4 этапа: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Впервые учёные описали процесс деления клеток в 70-80-х годах XIX века. Термин «митоз» ввёл немецкий учёный Вальтер Флемминг. Биологическое значение митоза – обеспечить образование дочерних клеток с идентичной генетической информацией. Непрямое деление лежит в основе развития и роста всех живых организмов, восстановления и регенерации частей тела, а также бесполого размножения.
Теория предельного деления клеток
Клетки: особенности строения и деления
Клеточная теория является одной из основополагающих в современной биологии. Ее разработка стала неопровержимым доказательством единства всего живого на Земле.
Согласно клеточной теории, клетка это — структурно-функциональная элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов. Вне клетки нет жизни.
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на две большие группы на основании структуры их строения.
Прокариоты (доядерные) — более простые по строению, которые возникли на ранних стадиях процесса эволюции.
Эукариоты (ядерные) — более сложные, которые возникли и развивались на более поздних стадиях процесса эволюции.
Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. По последним данным ученых в теле обычного человека насчитывается в среднем 37,2 триллиона клеток.
Справочно: группа ученых из Италии, Греции и Испании поставила себе задачу определить реальное количество клеток в человеческом организме. Они изучили все ранние научные труды в этой области за последние сто лет.
В результате обнаружили большой разброс в оценках данного показателя, который вирировался от 5 миллиардов до 200 триллионов клеток.
Поэтому авторам пришлось проделать скрупулезную работу, сделав отдельный подсчет клеток для каждого органа человеческого тела и для разных типов клеток организма.
Были посчитаны число и плотность клеток в сердце, легких, мозге, центральной нервной системе, кишечнике, желчном пузыре, костях, соединительных тканях, крови и многих других частях человеческого организма.
Просуммировав полученные результаты, ученые пришли к выводу, что в организме человека в среднем насчитывается 37.2 триллионов клеток.
В организме человека присутствует примерно 300 типов клеток, которые подразделяются на две большие группы:
• клетки, которые могут делиться и размножаться, то есть, они митотически компетентны;
• клетки, которые не делятся, их называют постмитотические. Это достигшие крайней стадии дифференцировки нейроны, кардиомиоциты, зернистые лейкоциты и другие.
Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Большинство клеток человеческого организма постоянно делятся, на смену старым приходят новые. Благодаря этому процессу в течение жизни организм имеет возможность обновляться и восстанавливаться.
По подсчетам ученых, клетки человека за 70 лет жизни суммарно претерпевают порядка 1014 клеточных делений.*
Таким образом, каждая мышца, каждый орган, каждая функциональная система, человека в течение жизни несколько раз «молодеет», как бы рождаясь заново.
Наиболее распространённый способ репродукции эукариотических клеток человека, один из фундаментальных процессов онтогенеза это митоз – непрямое деление клетки.
Процесс размножения клеток называют пролиферацией. Размножение регулируется как самой клеткой (аутокринными ростовыми факторами), так и ее микроокружением (паракринными сигналами).
Активация пролиферации происходит через клеточную мембрану, в которой присутствуют рецепторы, воспринимающие митогенные сигналы. Это в основном ростовые факторы и межклеточные контактные сигналы.
Ростовые факторы обычно имеют белковую, пептидную природу (определенную последовательность соединения аминокислот). В настоящее время ученым известно около 100 таких факторов, в том числе:
• фактор роста тромбоцитов, который участвует в тромбообразовании и заживлении ран;
• эпителиальный фактор роста;
• фактор некроза опухолей;
• колониестимулирующие факторы;
• различные цитокины — интерлейкины и т.д.
Время существования клетки от деления до деления называется клеточным циклом.
После активации пролиферации клетка выходит из фазы покоя G0 и начинается клеточный цикл. Клеточный цикл может активироваться или инактивироваться.
В процессе активации могут участвовать киназы – ферменты катализаторы переноса фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), обеспечивая включение клюкозы и гликогена в процесс гликолиза в живых клетках.
Инактивированиия регулируется за счет различных ингибиторов – веществ подавляющих или задерживающих течение физиологических и физико-химических, ферментативных процессов.
Молекулярные механизмы, приводящие к необратимой остановке клеточного цикла, контролируются генами-супрессорами.
Цель такой сложной организации процесса регуляции — обеспечить синтез ДНК с минимально возможным числом ошибок, чтобы и дочерние клетки имели абсолютно идентичный наследственный материал.
Проверка правильности копирования ДНК осуществляется в четырех «контрольных точках» клеточного цикла. Если обнаруживаются ошибки, то клеточный цикл останавливается, и включается репарация ДНК.
Если нарушения структуры ДНК удается исправить — клеточный цикл продолжается. Если нет — клетка может «покончить с собой» путем апоптоза, чтобы избежать вероятности превращения в раковую.
Супрессию клеточного цикла в фазе G1 осуществляет белок p53, действующий через ингибитор циклин-зависимой киназы р21.
Следует отметить, что в последние годы, пожалуй, ни один другой белок не изучался так интенсивно, как р53. За четверть века с момента открытия ему было посвящено более 40 тысяч научных работ, и их число неуклонно продолжает расти.
Очевидно, белок р53 не только получает сигналы о превышении некоторых пороговых величин в каждом из клеточных процессов, но и обеспечивает адекватные этим величинам ответы, обеспечивающие координированную коррекцию этих процессов, дальнейшее поведение и судьбу клеток.
Роль р53 в организме можно сравнить с ролью дирижера в оркестре – его функции осуществлять контроль за выполнением выработанных эволюцией программ, схем поведения клеток в разнообразных условиях.
Основная его биологическая роль заключается в обеспечении стабильности генома и генетической однородности клеток в целостном организме.
Контролирующая функция р53 заключается в предотвращении отклонений и связанных с ними патологий,
Транскрипционный фактор р53 активируется при повреждениях ДНК, и в этом случае его функция заключается в удалении из реплицирующихся клеток тех, которые являются потенциально онкогенными.
Не случайно ген р53 часто метафорически называют как «стражом генома», «ангелом-хранителем», «геном совести клетки».; Эти эпитеты наглядно отражают роль белка в предотвращении многих болезней.
Биологические пределы способности клетки к делению,
порог Хейфлика
Одна из современных гипотез старения организма носит название «клеточной смерти» или теории предельного деления клеток.
Эта теория, также как и свободно-радикальная теория рассматривает процесс старения на клеточном уровне.
Еще в 1957 г. знаменитый американский физик Лео Силард (1898-1964), изучавший влияние на клетки радиации, приводящей к прогерии — ускоренному старению, предположил, что в старости организм может быть еще вполне здоров, только количество клеток в каждой мышце, в каждом органе становится все меньше.
Развивая эту гипотезу, американский профессор анатомии медицинской школы Калифорнийского университета Леонард Хейфлик (20 мая 1928 г.) выдвинул гипотезу о том, что процесс старения связан с биологическим пределом способности клетки к делению.
В 1961 г., проводя серию экспериментов, ученый обнаружил определенные закономерности в процессах деления клеток.
Он предположил, что легочная ткань, по-видимому, отмирает после того, как ее клетки поделились определенное количество раз. Затем он экспериментально установил, что соматические (телесные) клетки могут делиться только ограниченное число раз.
Вероятно, в клетках существует своеобразный молекулярный счетчик. Он фиксирует, сколько делений уже сделано, и не дает клетке делиться сверх определенного генетически заданного предела.
Позднее, в 1969–1977 гг., проводя исследования человеческого эмбриона в Институте Уистара в Филадельфии, Хейфлик установил, что основная клеточная форма соединительной ткани организма, так называемые фибробласты клеток кожи делятся примерно 50 раз плюс-минус 10 раз, после чего процесс деления останавливается.
При этом у новорожденных клетки могут делиться 80–90 раз, а у стариков (70 лет и старше) только 20–30 раз.
Кроме того, в культуре ткани, т.е. вне организма, клетки человека могут делиться также не больше 50 раз, после чего погибают.
Усложнив эксперимент, ученый взял клеточные культуры, которые были заморожены после того, как клетки разделились 25 раз.
Оттаяв, эти клетки продолжили делиться, пока не достигли предела в 50 делений, а затем все же погибли.
Особо следует подчеркнуть, что когда клетки приближались к своему пределу деления, они начинали напоминать старую ткань с возрастными пигментами, которые обнаруживаются в постаревших клетках сердца и головного мозга.
Гибель клеток или ослабление функции в тех клетках, которые не подвержены делению, по окончании развития приводит к ослаблению организма.
В результате постепенно тело утрачивает способность к обновлению, а весь организм теряет возможность к восстановлению, что приводит к старению органов и систем.
Выявленные американским профессором закономерности предельного деления клеток в научной среде получили название «порог Хейфлика».
Стадии и биологическое значение митоза
Одним из наиболее важных процессов в каждом живом организме является постепенный рост тканей с помощью раздвоения их единиц. В науке его называют митозом. Большинство единиц в эукариотическом организме делятся именно таким способом.
В результате образуются новые ткани, продолжается жизнь организма. Биологическое значение митоза для человека и природы велико, поэтому процесс тщательно исследуется на протяжении многих лет.
Что такое митоз
Митоз представляет собой сложный биологический процесс, во время которого происходит непрямое деление клетки в живом организме. Подобное раздвоение считается наиболее распространенным, позволяет обеспечить рост тканей.
История исследования
Первая информация о митозе стала известна еще в 70-х годах XIX века. Определение процессу дал немецкий исследователь Вальтер Флемминг. В работах русского ученого Эдмунда Руссова, которые датированы 1872 годом, присутствует упоминание об анафазных и метафазных пластинках. Эти вещества состояли из отдельных хромосом, что послужило поводом для дальнейшего исследования.
В 1873 году изучением деления единиц эукариотических организмов занялся немецкий зоолог Антон Шнейдер. Он еще более подробно описал процесс. В следующем году ученый Чистяков выдвинул свою теорию. Однако ни одному из специалистов не удалось точно и последовательно описать деление.
Уже через несколько лет в работах разных специалистов стали появляться описания цикла, дополненные собственными умозаключениями. Некоторые предлагали утвердить новый термин для определения этого биологического деления. Но обозначение, предложенное Флеммингом, стало окончательным, как и формулировка процесса.
Далее специалисты изучали клеточный цикл на примере различных живых организмов, исследовали особенности митоза, вещества, стимулирующие его. Во время лабораторных опытов стало известно, что катализатором митотического деления является белок циклин, обнаруженный во всех эукариотических организмах. На каждой стадии концентрация этого элемента может увеличиваться и уменьшаться.
Для каких клеток типично
Еще во время исследования смысла митоза, его стадий и особенностей специалисты отметили, что такой тип деления характерен не для всех единиц.
При детальном изучении было выявлено, что только эукариотические, или ядерные, клетки делятся таким способом. Клетки прокариот размножаются другим методом.
Стадии
Продолжительность митоза в разных организмах отличается. Обычно у растений она составляет 2—3 часа, у животных и человека — около 60 минут. Это время занимает всего 10 % от общей длительности жизненного цикла клетки. Он представляет собой процесс, во время которого происходит формирование и деление единицы ткани в живом организме. Состоит из нескольких стадий: пресинтетической, синтетической, постсинтетической и собственно деления. Первые три стадии относятся к интерфазе митоза.
Ученые выделяют несколько стадий, которые изучаются в рамках школьной программы биологии:
Каждая фаза протекает в организме растений и животных по-разному.
Существуют также нетипичные формы. Наиболее распространенным считается амитоз. Процесс характеризуется быстрым и прямым раздвоением ядра с одновременным сохранением числа хромосом и ядрышка. В результате получается двухъядерная клетка.
Эндомитоз характеризуется интенсивным ростом числа хромосом, образованием полиплоидных единиц, способных провоцировать мутацию.
Отличия от мейоза
Мейоз представляет собой процесс деления гамет или половых клеток. В результате получается 4 гаметы. В организме человека все единицы делятся путем митоза и только половые клетки — с помощью мейоза.
Основными отличиями митоза от мейоза будут следующие:
Роль мейоза в функционировании и развитии всех систем человека велика, но оба процесса кардинально отличаются.
Биологическое значение
Биологическое значение митотического деления и сегодня изучается специалистами по всему миру. Но ученые определили важность процесса для природы и человека.
Для человека
Без подобного размножения единиц человеческого организма невозможно нормальное существование.
Основная важность процесса заключается в следующем:
Именно благодаря процессу происходит развитие жизни на планете и сохранение определенного вида с его особенностями.
Для природы
Для многих животных подобное размножение единиц тканей позволяет восстанавливать некоторые части тела. Регенерация свойственна ящерицам, морским звездам и некоторым другим организмам.
У многих млекопитающих пищеварительная система устроена так же, как и у человека, поэтому замещение пострадавших единиц слизистой оболочки желудка и кишечника происходит аналогичным образом. Растения благодаря процессу способны размножаться с помощью почкования (бесполое размножение) и вегетативным способом. В результате появляются организмы с таким же набором хромосом. Указ об обязанных крестьянах читайте в нашей статье.
Видео
Из видео можно узнать о росте единиц тканей более подробно.
Функции и биологическое значение митоза при делении клеток
В биологии выделяют два основных процесса деления клеток — мейоз и митоз, каждый из которых всегда подчиняется чётким правилам. Для лучшего понимания этой темы нужно знать, что подразумевает термин «набор хромосом». Биологическое значение митоза сложно переоценить. Под этим процессом принято понимать простое расщепление клетки на 2 половинки, в каждой из которых присутствует набор хромосом и генетический код.
Парность, индивидуальность хромосом
В процессе деления клетки хорошо заметны хромосомы, которые существенно отличаются у каждого вида живых организмов. Важную роль играет их количество, особенности строения, форма, а также размер. Для каждого вида животных и растений свойственен свой набор хромосом, которые в научной среде называются кариотипом.
Органы и ткани состоят из разных клеток, которые обладают определённым периодом жизни. Каждая из них по-своему растёт и развивается, обеспечивая тем самым жизнедеятельность всего организма. Продолжительность митотического периода имеет свои отличия. Например, клетки кожного покрова и крови вынуждены делиться один раз в сутки, а вот нейроны подвергаются репродукции только у новорождённых.
В многоклеточном организме обязательно присутствуют половые (гаметы) и соматические клетки. В последнем случае все хромосомы представлены попарно, из-за чего этот феномен называют диплоидным. Все они могут обладать одинаковым размером, строением и формой, из-за чего будут называться гомологичными. Каждый ген присутствует в двойном экземпляре. А вот в половых гаметах количество хромосом снижено в два раза.
Галоидным принято называть набор половых клеток, когда все хромосомы находятся в одинарном числе. Все эти нюансы можно наглядно увидеть под микроскопом. Нужно также понимать, что хромосома состоит из молекулы ДНК, центромера, белка, сестринских хроматидов.
Стадии митоза
Невозможно представить развитие организма без деления клеток, так как этот процесс используется в качестве основы. Митоз способен удивить своими свойствами. В процессе естественного деления диплоидной соматической клетки образуются две дочерние единицы, в которых уже заложена одинаковая генетическая информация. Количество хромосом равное. Это значит, что благодаря митозу можно сохранит преемственность между всеми поколениями клеток-эукариотов. Биологи выделяют 4 стадии этого процесса: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
В рамках школьной программы в 10 классе в учебниках кратко описано несколько основных стадий митоза, для каждой из которых свойственны свои отличия:
В научной литературе можно отыскать развёрнутую информацию о том, из скольких фаз состоит митоз. Например, перед профазой обязательно присутствует препрофаза, так как именно этот этап отвечает за подготовку к предстоящему делению клеток. А вот прометафаза находится между профазой и метафазой. Все эти нюансы позволяют более углублённо изучить тему и понять, какой смысл и биологическую ценность имеет митоз.
Но многие биологи привыкли объединять прометофазу, препрофазу в одну стадию — профазу, что на практике гораздо удобнее.
Основные функции
У многоклеточных организмов первый этап их жизни начинается с единой клетки, которая возникла благодаря двум гаметам. В такой зиготе природой заложена вся ДНК-информация, которая понадобится для развития полноценного организма. Суть использования митоза заключается в том, что с помощью этого несложного процесса образуется колония клеток — бластул.
Постепенно гаметы начинают дифференцироваться, благодаря чему у них появляется возможность выполнять различные задачи. На финальном этапе слаженно функционирующий организм может быть выведен либо рождён. Такой подход активно применяется биологами и другими специалистами, которые работают над созданием более выносливых растений, животных.
Одноклеточные организмы используют митоз для равномерного распределения своего ДНК и размножения. Но не исключено размножение половым путём. В этом случае используется немного другой процесс — мейоз. В оплодотворённой гамете содержится сразу два набора геномов, которые необходимы для нормального развития организма. Если речь касается гаплоидных видов, тогда нужно учесть, что у них есть всего одна копия ДНК.
Особенности деления клеток
Снизить вероятность преждевременного старения, а также разделить конкретный индивидуум на полунезависимые единицы позволяет деление клеток. Этот процесс получил распространение в биологии, так как с его помощью можно не только поддерживать жизнь, но и заставить организм развиваться дальше. Деление клеток можно описать двумя способами:
Амитоз используется для бесполого размножения в бесклеточных организмах. Например, простейшие, бактерии. Прямое деление также является методом размножения и последующего роста в плодных оболочках позвоночных. В этом случае расщепление ядра всегда сопровождается специфическим цитоплазматическим сужением. У этого процесса есть своё объяснение. При амитозе ядро сначала немного удлиняется, а на финальном этапе приобретает форму гантели. Присутствующее сужение либо углубление делит ядро на две равные части. После этого происходит сжатие цитоплазмы. Без возникновения ядерного события образуются сразу две дочерние единицы.
Для митоза свойственны свои нюансы. Клетка делится на две части, которые на генетическом уровне являются одинаковыми. Этот тип клеточного деления актуален в том случае, если организм должен сохранить все свои функции и выжить в тяжёлых условиях. Существуют разные причины, из-за которых может понадобиться митоз. Всё зависит от желаемой биологической функции. Например, когда в тканях печени одни клетки серьёзно повреждены или уже погибли, другие продолжают делиться, чтобы восстановить прежнее состояние органа.
Если создать необходимые биохимические и экологические сигналы, то в итоге клетки смогут существенно видоизмениться. Смысл таких действий в том, что после приложенных усилий организм получит определённую пластичность и даже бессмертие.
Биологическое значение
В научной среде митоз получил большой спрос, так как с его помощью можно скопировать генетический код, чтобы передать его всем последующим поколениям. Этот процесс является уникальным. Его сущность в том, что в ядре всегда поддерживается определённое количество хромосом, которые равномерно распределены между присутствующими дочерними клетками. Для наращивания растительных тканей используется деление митотического типа. У живого организмов митоз надёжно спрятан в основе своеобразного дробления оплодотворённой яйцеклетки и роста тканей. Это настоящее достижение науки, которое регулярно используется в лабораторных условиях.
Основное значение митоза состоит в увеличении числа клеток, что позволяет добиться следующих результатов:
Впервые митоз был описан немецким учёным В. Флеммингом ещё в XIX веке. В основе этого процесса лежит стремление достичь образования дочерних клеток с абсолютно идентичной генетической информацией. Непрямое деление является основой развития, роста, регенерации, а также бесполого размножения живых организмов.