Ответы к экзаменационным ворпосам. 1 Предмет биологии. Биология
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
ПОНЯТИЕ О КАРИОТИПЕ. Исследованиями цитологов установлен факт специфичности хромосомного набора клеток организмов одного вида. Специфичность проявляется в постоянстве числа хромосом, их относительных размеров, формы, деталей строения. Хромосомный комплекс клеток конкретного вида растений и животных с присущими ему морфологическими особенностями, называется кариотипом. Важнейшим показателем кариотипа служит число хромосом. Для соматических клеток многоклеточных организмов характерен диплоидный (удвоенный) хромосомный набор. В нем каждая хромосома имеет парного себе гомологичного партнера, повторяющего в деталях размеры и особенности ее морфологии. Таким образом, в хромосомном наборе соматических клеток выделяют гомологичные (из одной пары) и негомологичные (из разных пар) хромосомы. Половые клетки отличаются вдвое меньшим — гаплоидным числом хромосом. Хромосомный набор гамет включает по одному партнеру каждой гомологичной пары. Хромосомному комплексу свойственны половые различия. Наборы хромосом самца и самки отличаются по одной паре. Поскольку эти хромосомы участвуют в определении пола организмов, они называются половыми (гетерохромосомами). Остальные пары представлены аутосомами и неразличимы по своей структуре у самца и самки. Исследование кариотипа человека проводится путем микроскопирования препаратов метафазных хромосом. Для такого исследования необходимо иметь большое количество клеток, делящихся митозом. Этому условию удовлетворяет, например, пунктат костного мозга. Чаще прибегают в непрямому способу получения интенсивно размножающихся клеток. Клетки соединительной ткани кожи, различных тканей абортированных эмбрионов или околоплодной жидкости, лимфоциты периферической крови выращивают вне организма в культуре ткани. Высокой митотической активности лимфоидных клеток добиваются, воздействуя на них особым веществом растительного происхождения- фитогемаглютинином (ФГА). Делящиеся клетки обрабатывают алкалоидом колхицином, который, разрушая микротрубочки веретена деления, вызывает торможение митоза в метафазе, чем способствует накоплению метафазных клеток. В условиях обработки колхицином облегчается также разброс хромосом по плоскости предметного стекла в процессе приготовления гистологических препаратов. Затем на клетки в культуре действуют гипотоническим раствором, чтобы добиться лучшего разобщения хромосом. После фиксации в растворе, содержащем уксусную кислоту и этиловый алкоголь, взвесь клеток наносят на предметное стекло и высушивают. В результате обработки клеток колхицином, гипотоническим раствором и высушивания получают достаточный разброс хромосом метафазных пластинок. Это позволяет проводить индивидуальный анализ их размеров и морфологии. Полученные препараты окрашивают такими красителями, как азур, основной фуксин, орсеин, дающими сплошное окрашивание вещества хромосом. Для изучения отбирают цельные метафазные пластинки без налегающих друг на друга хромосом. Последние должны иметь среднюю степень конденсации. Для индивидуальной идентификации хромосом используют следующие признаки: размер, положение первичной перетяжки, наличие вторичных перетяжек и спутников. Результат представляется в виде идиограммы, на которой хромосомы располагаются в порядке убывания размеров. В случае применения метода, описанного выше, идентификацию хромосом человека проводят согласно денверской классификации 1960 г. Недостатком денверской классификации является то, что разграничение гомологичных пар внутри группы хромосом встречает зачастую непреодолимые трудности. В настоящее время используются дифференциальные методы окрашивания метафазных хромосом с избирательным выявлением их отдельных фрагментов. Топография окрашиваемых участков по длине хромосомы зависит от локализации определенных фракций ДНК, например сателлитной, распределения участков структурного гетерохроматина и ряда других факторов. Применяют 4 основных метода дифференциальной окраски: Q, С, R и С. Все они выявляют закономерную линейную неоднородность фрагментов по длине метафазных хромосом. Характер окрашивания специфичен для каждой негомологичной хромосомы, что дает их точную идентификацию. Постоянство локализации окрашиваемых фрагментов позволяет составить «химические» карты хромосом. Сопоставление этих карт с генетическими используется для расшифровки функционально-генетических особенностей различных районов хромосом. На основе избирательной окраски в 1971 г. в Париже были разработаны карты линейной дифференциро-ванности хромосом человека и предложена система их обозначения. Латинскими буквами p и qобозначаются, соответственно, короткое и длинное плечо хромосомы. От центромеры к теломере по имеющимся отчетливым морфологическим указателям (маркерам) в каждом плече выделяют районы, обозначаемые арабскими цифрами. В пределах районов идентифицируют сегменты — регулярные участки, отличающиеся по интенсификации окраски. Они также обозначаются арабскими цифрами. Так, символ 1р22 означает 2-й сегмент 2-го района короткого плеча хромосомы 1. Дифференциальная окраска позволяет построить цитологические карты «групп сцепления» с точной локализацией генов и их комплексов («пучков») в соответствующей хромосоме. Так, для Х-хромосомы человека известны 96 локусов, некоторые из которых картированы. Имеются «пучки» сцепленных генов, концентрирующихся вокруг локусов цветовой слепоты, группы крови Хqи др. К настоящему времени установлена хромосомная локализация более 200 генов человека. (8) Размножение, или репродукция,— одно из основных свойств, характеризующих жизнь. Под размножением понимается способность организмов производить себе подобных. Явление размножения тесно связано с одной из черт, характеризующих жизнь,— дискретностью. Как известно, целостный организм состоит из дискретных единиц — клеток. Жизнь почти всех клеток короче жизни особи, поэтому существование каждой особи поддерживается размножением клеток. Каждый вид организмов также дискретен, т. е. состоит из отдельных особей. Каждая из них смертна. Существование вида поддерживается размножением (репродукцией) особей. Следовательно, размножение — необходимое условие существования вида и преемственности последовательных генераций внутри вида. В основе классификации форм размножения лежит тип деления клеток: митотический (бесполое) и мейоти-ческий (половое). Бесполое размножение. У одноклеточных эукариот это — деление, в основе которого лежит митоз, у прокариот — разделение нуклеоида, а у многоклеточных организмов — вегетативное (лат. vegetatio — расти) размножение, т. е. частями тела или группой соматических клеток. Бесполое размножение одноклеточных организмов. У одноклеточных растений и животных различают следующие формы бесполого размножения: деление, эндогония, множественное деление (шизогония) и почкование. Деление характерно для одноклеточных (амебы, жгутиковые, инфузории). Сначала происходит митотическое деление ядра, а затем в цитоплазме возникает все углубляющаяся перетяжка. При этом дочерние клетки получают равное количество информации. Органоиды обычно распределяются равномерно. В ряде случаев обнаружено, что делению предшествует их удвоение. После деления дочерние особи растут и, достигнув величины материнского организма, переходят к новому делению. Эндогония — внутреннее почкование. При образовании двух дочерних особей — эндодиогонии — материнская дает лишь двух потомков (так происходит размножение токсоплаз-мы), но может быть множественное внутреннее почкование, что приведет к шизогонии. Шизогония, или множественное деление,— форма размножения, развившаяся из предыдущей. Она тоже встречается у одноклеточных организмов, например у возбудителя малярии — малярийного плазмодия. При шизогонии происходит многократное деление ядра без цитокинеза, а затем и вся цитоплазма разделяется на частички, обособляющиеся вокруг ядер. Из одной клетки образуется много дочерних. Эта форма размножения обычно чередуется с половой. Почкование заключается в том, что на материнской клетке первоначально образуется небольшой бугорок, содержащий дочернее ядро, или нуклеоид. Почка растет, достигает размеров материнской особи и затем отделяется от нее. Эта форма размножения наблюдается у бактерий, дрожжевых грибов, а из одноклеточных животных — у сосущих инфузорий. Спорообразование встречается у животных, относящихся к типу простейших, классу споровиков. Спора — одна из стадий жизненного цикла, служащая для размножения, она состоит из клетки, покрытой оболочкой, защищающей от неблагоприятных условий внешней среды. Некоторые бактерии после полового процесса способны образовывать споры. Споры бактерий служат не для размножения, а для переживания неблагоприятных условий и по своему биологическому значению отличаются от спор простейших и многоклеточных растений. Вегетативное размножение многоклеточных животных. При вегетативном размножении у многоклеточных животных новый организм образуется из группы клеток, отделяющейся от материнского организма. Вегетативное размножение встречается лишь у наиболее примитивных из многоклеточных животных: губок, некоторых кишечнополостных, плоских и кольчатых червей. У губок и гидры за счет размножения группы клеток на теле образуются выпячивания (почки). В почку входят клетки экто- и энтодермы. У гидры почка постепенно увеличивается, на ней формируются щупальца, и, наконец, она отделяется от материнской особи. Ресничные и кольчатые черви делятся перетяжками на несколько частей; в каждой из них восстанавливаются недостающие органы. Так может образоваться цепочка особей. У некоторых кишечнополостных встречается размножение стробиляцией, заключающейся в том, что полипоидный организм довольно интенсивно растет и по достижении известных размеров начинает поперечными перетяжками делиться на дочерние особи. В это время полип напоминает стопку тарелок. Образовавшиеся особи — медузы отрываются и начинают самостоятельную жизнь. У многих видов (например, кишечнополостных) вегетативная форма размножения чередуется с половой. Особой формой вегетативного размножения следует признать полиэмбрионию, при которой эмбрион делится на несколько частей, каждая из которых развивается в самостоятельный организм. Полиэмбриония распространена у ос (наездники), ведущих паразитический образ жизни в личиночном состоянии, из млекопитающих — у броненосца. К этой категории явлений относится образование однозиготных близнецов у человека и других млекопитающих. Половое размножение. Половое размножение характеризуется наличием полового процесса, который заключается обычно в слиянии двух клеток — гамет. Формированию гамет у многоклеточных предшествует особая форма деления клеток — мейоз. В результате мейоза в половых клетках находится не диплоидный, как в соматических клетках, а гаплоидный набор хромосом. Поэтому в жизненном цикле организмов, размножающихся половым способом, имеется две фазы — гаплоидная и диплоидная. Продолжительность этих фаз у различных групп организмов не одинакова: у грибов, мхов и некоторых простейших преобладает гаплоидная, у высших растений и многоклеточных животных — диплоидная. Биологическое значение мейоза описано ниже. Разнообразные формы полового процесса у одноклеточных организмов можно объединить в две группы: конъюгацию, при которой специальные половые клетки (половые особи) не образуются, и гаметическую копуляцию, когда формируются половые элементы и происходит их попарное слияние. Конъюгацая — своеобразная форма полового процесса, существующая у инфузорий. Инфузории — животные типа простейших. Характерной чертой их является наличие двух ядер: большого — макронуклеуса и малого— микронуклеуса. Инфузории обычно размножаются делением надвое. При этом микронуклеус делится митотически. При половом процессе — конъюгации — инфузории сближаются попарно, между ними образуется протоплазматический мостик. Одновременно в ядерном аппарате каждого из партнеров совершаются сложные процессы: макронуклеус растворяется, а из мик ронуклеуса в результате ряда перестроек в конце концов формируются стационарное и мигрирующее ядра. Каждое из них содержит гаплоидный набор хромосом. Мигрирующие ядра переходят в цитоплазму партнера. В каждом из них стационарное и мигрирующее ядра сливаются, образуя так называемый синкарион (тр. syn — вместе, karyon — ядро), содержащий диплоидный набор хромосом. После ряда сложных перестроек из синка-риона формируются обычные макро- и микронуклеусы. После конъюгации инфузории расходятся; каждая из них сохраняет самостоятельность, но благодаря обмену кариоплазмой наследственная информация каждой особи изменяется, что, как и в других случаях полового процесса, может привести к появлению новых комбинаций свойств и признаков. Для бактерий характерно размножение почкованием, но обнаружен и половой процесс. У некоторых видов бактерий существуют особи, которые можно назвать женскими (реципиентными) и мужскими (донорскими). Между такими особями периодически осуществляется конъюгация. Она резко отличается от конъюгации инфузорий. У бактерий две особи образуют между собой протоплазматический мостик, через который часть нити ДНК переходит из донорской клетки в реципиентную. Явление конъюгации у бактерий также приводит к комбинативной изменчивости. Образование гамет и гаметическая копуляция. Копуляцией (лат. copulatio — совокупление) называется половой процесс у одноклеточных организмов, при котором две особи приобретают половые различия, т. е. превращаются в гаметы и полностью сливаются, образуя зиготу. В процессе эволюции степень различия гамет нарастает. На первом этапе полового размножения гаметы еще не наблюдается морфологической дифференцировки, т. е. имеет меcто изогамия. Примером может служить размножение раковинной корненожки полистомеллы (Ро1уstomella) и жгутиконосца поли-томы (Ро1уtoma). У этих одноклеточных животных ядро делится мейо-зом, три гаплоидные ядра лизируются, а клетка, приобретая пару жгутиков, становится подвижной изогаметой. Дальнейшее усложнение процесса связаное с дифференцировкой гамет на крупные и мелкие клетки, т. е. появлением анизогамии (гр. anisos— неравный). Наиболее примитивная форма ее существует у некоторых колониальных жгутиконосцев. У Pandorina morum образуются как большие, так и малые гаметы, причем и те, и другие подвижны. Более того, сливаться попарно могут не только большая гамета с малой, но и малая с малой, однако большая гамета с большой никогда не сливается. Следовательно, у пандорины наряду с появлением анизогамии еще сохраняется изогамия. У другого колониального жгутиконосца Eudarina elegans и хламидомонад макро- и микрогаметы еще подвижны, но сливаются лишь разные гаметы, т. е. проявляется исключительно анизогамия. Наконец, у вольвокса (Volvox globator) большая гамета становится неподвижной; она во много раз крупнее мелких подвижных гамет. Такая форма анизогамии, когда гаметы резко различны, получила название овогамии. У многоклеточных животных при половом размножении имеет место лишь овогамия. Развитие гамет у многоклеточных животных происходит в половых железах — гонадах (гр. gone — семя). Различают два типа половых клеток: мужские (сперматозооны) и женские (яйцеклетки). Сперматозооны развиваются в семенниках, яйцеклетки — в яичниках. Если мужские и женские половые клетки развиваются в одной особи, такой организм называется гермафро-дитным. Гермафродитизм свойствен многим животным, стоящим на сравнительно низких ступенях эволюции органического мира: плоским и кольчатым червям, моллюскам. Как патологическое состояние он может встречаться и в других группах животных и у человека. У человека это обычно следствие нарушений эмбрионального развития. Описаны случаи и мозаи-цизма, когда в одних соматических клетках набор хромосом XX, в других — ХY. При естественном гермафродитизме мужские и женские половые железы могут функционировать одновременно на протяжении всей жизни данной особи, например у сосальщиков, ленточных и кольчатых червей. В таких случаях организмы, как правило, имеют ряд приспособлений, препятствующих самооплодотворению. У некоторых моллюсков половая железа периодически продуцирует то яйцеклетки, то сперматозооны. Это зависит как от возраста особи, так и от условий существования. Например, у устриц это может быть обусловлено преобладанием белкового или углеводного питания. Половые клетки развиваются из первичных половых клеток, обособляющихся на ранних стадиях зародышевого развития; у аскариды, ракообразных, насекомых и лягушки — уже в процессе дробления, у пресмыкающихся и птиц — на стадии гаструлы, у млекопитающих и человека — во время раннего органогенеза. Первичные половые клетки имеют ряд морфологических и биохимических особенностей в отличие от соматических кле- ток. Если у зародыша разрушить первичные половые клетки, то гаметы у него не формируются. (9) Гаметогенез. Сперматозооны обладают способностью к движению, чем в известной мере обеспечивается возможность встречи гамет. По внешней морфологии и малому количеству цитоплазмы сперматозооны резко отличаются от всех других клеток, но все основные органоиды в них имеются. Типичный сперматозоон имеет головку, шейку и хвост. На переднем конце головки расположена акросома, состоящая из видоизмененного комплекса Гольджи. Основную массу головки занимает ядро. В шейке находятся центриоль и спиральная нить, образованная митохондриями. При исследовании сперматозоонов под электронным микроскопом обнаружено, что протоплазма головки его имеет не коллоидное, а жидкокристаллическое состояние. Этим достигается устойчивость сперматозоонов к неблагоприятным влияниям внешней среды. Например, они в меньшей степени повреждаются ионизирующей радиацией по сравнению с незрелыми половыми клетками. Размеры сперматозоонов всегда микроскопические. Наиболее крупные они у тритона — около 500 мкм, у домашних животных (собака, бык, лошадь, баран) — от 40 до 75 мкм. Длина сперматозоонов человека колеблется в пределах 52—70 мкм. Все сперматозооны несут одноименный (отрицательный) электрический заряд, что препятствует их склеиванию. Число сперматозоонов, образующихся у жи-вотнчх, колоссально. Например, при половом акте собака выделяет их около 60 млн., баран — до 2 млрд. жеребец около 10 млрд., человек — около 200 млн. Для некоторых животных характерны атипичные сперматозооны, строение которых весьма разнообразно. Например, у ракообразных они обладают выростами в виде лучей или отростков, у круглых червей имеют форму шаровидных или овальных телец и т. д. Процесс формирования половых клеток (гамет) известен под общим названием гаметогенсза. Он характеризуется рядом весьма важных биологических процессов и протекает несколько по-разному при созревании сперматозоонов (сперматогенез) и яйцеклеток (овогенез). |