Реферат
на тему: "Жизненный цикл клетки, вирусы и бактериофаги. Размножение и развитие организмов"
Содержание
Размножение и развитие организмов. Формы размножения организмов
Образование половых клеток у животных
Оплодотворение и развитие животных
Жизненный цикл клетки
Период жизнедеятельности клетки, в котором происходят все обменные процессы и деление, называется жизненным циклом клетки. Это время жизни клетки от одного деления до другого. Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления.
Интерфаза - фаза в жизненном цикле между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белка, РНК, накоплением питательных веществ клеткой, ростом и увеличением объема. В середине интерфазы происходит удвоение ДНК (репликация). В результате каждая хромосома содержит 2 молекулы ДНК и состоит из двух сестринских хроматид, которые сцеплены центромерой и образуют одну хромосому. Клетка подготавливается к делению, удваиваются все ее органоиды. Продолжительность интерфазы зависит от типа клеток и в среднем составляет 4/5 от общего времени жизненного цикла клетки.
Деление клетки. Рост организма осуществляется за счет деления его клеток. Способность к делению - важнейшее свойство клеточной жизнедеятельности. Делясь, клетка удваивает все свои структурные компоненты, и в результате возникают две новые клетки. Наиболее распространенным способом деления клетки является митоз - непрямое деление клетки.
Митоз - процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке. Он обеспечивает возобновление клеток в процессе их старения. Митоз состоит из четырех последовательных фаз, обеспечивающих равномерное распределение генетической информации и органоидов между двумя дочерними клетками.
В профазе ядерная мембрана исчезает, хромосомы максимально спирализуются, становятся хорошо заметными. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам, образуя веретено деления.
В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной зоне, нити веретена деления соединены с центромерами хромосом.
Анафаза характеризуется расхождением сестринских хроматид хромосом к полюсам клетки. У каждого полюса оказывается такое же количество хромосом, какое было в исходной клетке.
В телофазе происходит деление цитоплазмы и органоидов, хромосомы деспирализуются, появляются ядро и ядрышко. В центре клетки образуется перегородка из клеточной мембраны, и возникают две новые дочерние клетки, идентичные исходной материнской.
Процесс деления ядра называется кариокинезом, а деления содержимого клетки - цитокинезом. Весь процесс деления делится от нескольких минут до 3 часов, в зависимости от типа клеток. Стадия деления клетки в несколько раз по времени короче ее интерфазы.
Биологический смысл митоза заключается в обеспечении постоянства числа хромосом и наследственной информации, полной идентичности вновь возникающих клеток исходным.
Иногда встречается и другой вид деления клетки - амитоз. Амитоз - прямое деление ядра, без образования хромосом и веретена деления. При этом наследственная информация распределяется неравномерно. Амитоз встречается у некоторых простейших, в клетках специализированных тканей (хрящи), в раковых клетках.
Вирусы и бактериофаги
Кроме организмов, имеющих клеточное строение, существуют и неклеточные формы жизни - вирусы и бактериофаги. Эти формы жизни представляют собой как бы переходную группу между живой и неживой природой.
Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д.И. Ивановским. В переводе на русский язык "вирус" означает "яд". Вирусы состоят из молекул ДНК или РНК, покрытых белковой оболочкой, а иногда дополнительно липидной мембраной. Вирусы могут существовать в виде кристаллов. В таком состоянии они не размножаются, не проявляют никаких признаков живого и могут сохраняться длительное время. Но при внедрении в живую клетку вирус начинает размножаться, подавляя и разрушая все структуры клетки-хозяина. Проникая в клетку, вирус встраивает свою ДНК в ДНК клетки, и начинается синтез вирусных белков, репликация вирусной ДНК, тогда как синтез белков и ДНК клетки-хозяина подавляется. Если генетическим аппаратом вируса является РНК, то вначале идет процесс обратной транскрипции по схеме РНК - > ДНК - > РНК - > белок. Поэтому РНК-зависимые вирусы называются ретровирусами
Вне живой клетки вирусы не способны к размножению, синтезу белка. Вирусы вызывают различные заболевания растений, животных, человека. К ним относятся вирусы табачной мозаики, гриппа, кори, оспы, полиомиелита, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий СПИД.
Вирус ВИЧ относится к ретровирусам, его генетический материал представлен в виде двух молекул РНК и фермента обратной транскриптазы. Этот фермент катализирует реакцию обратной транскрипции в клетках лимфоцитов. По матрице вирусной РНК синтезируется вирусная ДНК, которая и встраивается в ДНК клеток человека. В таком состоянии она может сохраняться долго, не проявляя себя, поэтому антитела в крови у инфицированного человека не образуются сразу и обнаружить заболевание на этой стадии сложно. В процессе деления клеток крови ДНК вируса передается соответственно в дочерние клетки. При каких-либо условиях вирус активизируется и начинается синтез вирусных белков, а в крови появляются антитела. В первую очередь вирус поражает Т-лимфоциты, ответственные за выработку иммунитета. В результате организм перестает бороться с любой инфекцией, раковыми клетками и погибает.
Бактериофаги - это вирусы, поражающие клетки бактерий (пожиратели бактерий). Тело бактериофага состоит из белковой головки, в центре которой находится вирусная ДНК, и хвостика. На конце хвоста располагаются хвостовые отростки, служащие для закрепления на поверхности клетки бактерии, и фермент, разрушающий бактериальную стенку. По каналу в хвостике вирус вспрыскивает ДНК в клетку бактерии и подавляет синтез бактериальных белков, вместо которых синтезируются ДНК и белки вируса. В клетке происходит сборка новых вирусов, которые покидают погибшую бактерию и внедряются в новые. Бактериофаги могут использоваться как лекарства против возбудителей инфекционных заболеваний (холеры, брюшного тифа).
Размножение и развитие организмов. Формы размножения организмов
Преемственность поколений в природе осуществляется за счет размножения организмов. Размножение - способность организма воспроизводить себе подобное. В природе существуют два типа размножения организмов: бесполое и половое.
Бесполое размножение - образование нового организма из одной или группы клеток исходного материнского организма. В этом случае в размножении участвует только одна родительская особь, которая передает свою наследственную информацию дочерним особям. В основе бесполого размножения лежит митоз. Встречается несколько форм бесполого размножения.
Простое деление, или деление надвое, характерно для одноклеточных организмов. Из одной клетки путем митоза образуются две дочерние, каждая из которых становится новым организмом.
Почкование - форма бесполого размножения, при которой от родительской особи отделяется дочерний организм. Такая форма характерна для грибов, гидры и некоторых других животных.
У споровых растений (водорослей, мхов, папоротников) размножение происходит с помощью спор, специальных клеток, образующихся в материнском организме. Каждая спора, прорастая, дает начало новому организму.
Вегетативное размножение - разновидность бесполого размножения отдельными органами, частями органов или тела. Оно основано на способности организмов восстанавливать недостающие части тела - регенерации. Встречается у растений (размножение стеблями, листьями, побегами), у низших беспозвоночных животных (кишечнополостных, плоских червей).
Половое размножение - образование нового организма при участии двух родительских особей. При половом размножении происходит слияние половых клеток - гамет мужского и женского организма. Новый организм несет наследственную информацию обоих родителей. Половые клетки формируются в результате особого типа деления, при котором число хромосом во вновь образующихся клетках в два раза меньше, чем в исходной материнской клетке. Таким образом, гаметы имеют в два раза меньшее число хромосом. В результате слияния двух гамет число хромосом во вновь образовавшейся клетке. - зиготе - увеличивается в два раза, т.е. восстанавливается, причем одна половина всех хромосом является отцовской, другая - материнской.
Хромосомный набор клеток. В клетках большинства организмов хромосомы парные. Парные хромосомы, одинаковые по форме, величине и наследственной информации, называют гомологичными, а двойной, парный набор хромосом, - диплоидным (2п). В некоторых клетках и организмах содержится одинарный, гаплоидный набор хромосом (п). В этом случае одинаковых хромосом нет.
Число хромосом для каждого вида организмов постоянно. Так, в клетках человека - 46 хромосом (23 пары), голубя - 80 (40 пар), дождевого червя - 36 (18 пар), в клетках пшеницы - 28 (14 пар). Эти организмы содержат диплоидный набор хромосом. Некоторые организмы, такие как водоросли, мхи, грибы, имеют одиночный, гаплоидный набор хромосом. Гаплоидный набор обозначают буквой п, диплоидный - 2п.
МЕЙОЗ
Образование гаплоидного набора хромосом из диплоидной клетки происходит в процессе особого типа деления - мейоза. Это такое деление клетки, при котором хромосомный набор клетки уменьшается вдвое. Этот тип деления называется редукционным. Для мейоза характерны те же стадии, что и для митоза, но процесс состоит из двух последовательных делений (мейоз 1 и мейоз 2). В результате образуются не 2, а 4 клетки.
Стадии мейоза. Как и митозу, мейозу предшествует интерфаза, в которой происходит репликация ДНК и удвоение хромосом. Каждая хромосома перед началом деления состоит из 2 молекул ДНК - 2 сестринских хроматид. В это время клетка имеет диплоидный набор хромосом - 2п, но каждая хромосома состоит из двух ДНК - 2с. Всего в клетке 4с молекул ДНК. Таким образом, перед началом деления хромосомный набор составляет 2п4с.
Профаза 1. Фаза значительно длиннее, чем в митозе. Хромосомы спирализуются и утолщаются. Гомологичные хромосомы попарно соединяются и накладываются друг на друга - конъюгируют. В результате образуются биваленты - двойные хромосомы. Во время конъюгации может происходить обмен участками гомологичных хромосом - кроссинговер, т.е. парные хромосомы обмениваются некоторыми генами, что изменяет комбинацию генов в хромосоме. Ядерная мембрана постепенно исчезает, центриоли расходятся к полюсам клетки и образуется веретено деления.
Метафаза 1. Гомологичные хромосомы попарно в виде бивалентов располагаются в экваториальной зоне клетки над и под плоскостью экватора. Центромеры хромосом соединяются с нитями веретена деления.
Анафаза 1. Гомологичные хромосомы расходятся к полюсам клетки. Это основное отличие мейоза от митоза, где идет расхождение сестринских хроматид. Таким образом, у каждого полюса оказывается только одна хромосома из пары, т.е. число хромосом у полюсов равно п2с. Происходит редукция числа хромосом - уменьшение вдвое.
Телофаза 1. Делится все остальное содержимое клетки, образуется перетяжка и возникают две клетки с гаплоидным набором хромосом. Каждая хромосома состоит из 2 молекул ДНК - 2 сестринских хроматид. Образование 2 клеток может наступать не всегда. Иногда телофаза сопровождается только образованием 2 гаплоидных ядер. Кариокинез происходит всегда, а цитокинез может отсутствовать.
Перед 2-м делением мейоза интерфаза отсутствует. Обе клетки одновременно приступают ко 2-му делению мейоза. Мейоз 2 полностью идентичен митозу и происходит в 2 клетках (ядрах) синхронно.
Профаза 2. Ядерная мембрана исчезает, образуется веретено деления. Хромосомы спирализуются и утолщаются. Фаза значительно короче профазы 1.
Метафаза 2. Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. Нити веретена деления соединены с центромерами.
Анафаза 2. К полюсам клетки расходятся сестринские хроматиды - хромосомы. У каждого полюса образуется набор хромосом п, т.е. гаплоидный набор, где каждая хромосома состоит из 1 молекулы ДНК.
Телофаза 2. Образуются 4 гаплоидных ядра и 4 гаплоидные клетки с набором хромосом п в каждой.
Биологический смысл мейоза заключается в образовании гаплоидных клеток, которые при слиянии вновь восстанавливают диплоидный набор. Этот процесс обеспечивает постоянный набор хромосом у вновь образующихся организмов при половом размножении. В мейозе гомологичные хромосомы попадают в разные гаметы, а негомологичные хромосомы расходятся в гаметы произвольно, независимо друг от друга. Это увеличивает число типов гамет и является основой для генетического разнообразия организмов. Кроме того, конъюгация и кроссинговер также способствуют комбинации генов и увеличивают разнообразие гамет и сочетание признаков в организме.
Образование половых клеток у животных
Гаметогенез - это процесс образования половых клеток. Животные имеют диплоидный набор хромосом. В процессе гаметогенеза, в основе которого лежит мейоз, образующиеся гаметы имеют гаплоидный набор хромосом. Гаметы образуются в половых железах или специализированных клетках. У животных это семенники и яичники. Гаметогенез протекает последовательно в трех зонах и заканчивается созреванием гамет.
Зона размножения. В ней содержатся первичные половые клетки с диплоидным набором хромосом 2п. Клетки в этой зоне делятся митозом, что способствует увеличению их количества.
Зона роста. В этой зоне деление клеток не происходит. Они растут, запасают питательные вещества. Здесь протекает интерфаза перед мейотическим делением. Клетки имеют диплоидный набор хромосом.
Зона созревания. В этой зоне происходит мейоз, окончательно формируются и созревают гаметы.
Сперматогенез - процесс образования мужских половых клеток - сперматозоидов. В зоне размножения в сперматогенной ткани в результате митоза образуются многочисленные клетки - сперматогонии (2 л). В зоне роста сперматогонии незначительно увеличиваются, и из каждой клетки развивается сперматоцит I порядка, готовый к редукционному делению. В зоне созревания в процессе 1-го деления мейоза образуются 2 сперматоцита II порядка, а затем во 2-м делении 4 гаметы - сперматиды (л). Все 4 клетки, одинаковые по величине, созревают и образуют 4 сперматозоида.
Сперматозоиды - небольшие подвижные клетки, состоящие из головки, шейки и хвостика. В головке находится ядро с гаплоидным набором хромосом. На заостренном кольце располагается аппарат Гольджи со специальными ферментами, разрушающими оболочку яйцеклетки. В шейке находятся центриоли и многочисленные митохондрии, обеспечивающие энергией сперматозоид при его движении. Хвостик служит для движения сперматозоида и по строению сходен со жгутиком у одноклеточных. Все образующиеся сперматозоиды имеют одинаковую величину.
Оогенез - процесс образования женских половых клеток - яйцеклеток. В зоне размножения в оогенной ткани находятся многочисленные клетки - оогонии (2л). Они размножаются митозом. Каждая оогония переходит в зону роста, начинает усиленно расти, накапливать питательные вещества в виде зерен желтка. Она превращается в ооцит I порядка. Процесс роста ооцита значительно продолжительнее, чем сперматоцита. В зоне созревания ооцит I порядка делится мейозом неравномерно. После 1-го деления образуется 1 крупная клетка - ооцит II порядка, куда переходят все питательные вещества, и 1 мелкая клетка - первичное направительное тельце, где имеется только ядро. После 2-го деления мейоза из ооцита II порядка образуется опять 1 крупная клетка - яйцеклетка и 1 вторичное направительное тельце. Из первичного направительного тельца образуются 2 мелких вторичных направительных тельца. Таким образом, при оогенезе из каждой исходной клетки образуется 1 крупная яйцеклетка (л) и 3 направительных тельца (л), которые погибают. Направительные тельца служат только для равномерного распределения хромосом в мейозе.
Яйцеклетка - округлая неподвижная клетка, содержащая ядро и много питательного вещества в виде желтка. Размеры яйцеклеток различны у разных видов животных. Например, у млекопитающих диаметр их составляет 0,2 мм-60 мкм, у амфибий и рыб - 3-5 мм, а у рептилий и птиц достигает нескольких сантиметров. Например, размер яйцеклетки курицы - 3 см. На верхнем полюсе яйцеклетки находится зародышевый диск, где располагается ядро.
Яйцеклетка у любого вида животных всегда значительно крупнее его сперматозоидов. Питательные вещества яйцеклетки обеспечивают развитие зародыша на начальной стадии (у млекопитающих) или на всем протяжении эмбриогенеза (у птиц, рептилий).
Оплодотворение и развитие животных
Оплодотворение - процесс слияния мужских и женских половых клеток, в результате которого образуется зигота, при этом восстанавливается диплоидный набор хромосом. Из зиготы развивается зародыш.
Существуют два способа оплодотворения: наружное и внутреннее. При наружном оплодотворении самка выметывает яйцеклетки (икру), а самец поливает их спермой. Такой способ оплодотворения характерен для водных обитателей (рыб, земноводных). При внутреннем оплодотворении слияние гамет происходит в половых путях самки, что отмечается у наземных и некоторых водных обитателей (у млекопитающих, рептилий, насекомых, червей). Оплодотворенное яйцо может развиваться в теле матери, как у млекопитающих, либо во внешней среде. Тогда яйца покрываются специальной оболочкой или скорлупой, и самка откладывает их в наиболее безопасное место (у насекомых, птиц, рептилий, моллюсков).
Биологическое значение оплодотворения состоит в том, что при слиянии гамет, как уже было сказано, восстанавливается диплоидный набор хромосом, а новый организм несет наследственную информацию и признаки двух родителей. Это увеличивает разнообразие признаков организмов, повышает их жизнестойкость и адаптационные свойства.
Онтогенез - индивидуальное развитие организма. Он делится на два периода - эмбриональный и постэмбриональный.
Эмбриональный период (эмбриогенез) начинается с момента оплодотворения и заканчивается рождением организма. Эмбриогенез делится на несколько этапов.
1. Дробление. После слияния ядер двух гамет и восстановления диплоидного набора хромосом начинается развитие зародыша. Первая стадия называется дроблением. Митозом яйцо начинает делиться на 2, затем на 4, 8 и т.д. клеток. Образующиеся при дроблении клетки называются бластомерами. Основное отличие дробления от обычного деления заключается в том, что образующиеся клетки не увеличиваются в объеме, не растут. Дробление идет за счет питательных веществ яйцеклетки.
Характер дробления зависит от яйца. Оно может быть равномерным, или полным, когда яйцо полностью делится на бластомеры (ланцетник, морской еж, земноводные). Дробление может быть неполным, когда желтка в яйце много и дробится только верхний диск яйца (птицы, рептилии, рыбы).
Дробление заканчивается образованием бластулы. Бластула - однослойный зародышевый шар с полостью внутри. Стенки шара образованы одним слоем клеток.
2. Гаструляция. После образования бластулы наступает вторая стадия развития зародыша - гаструла. Гаструляция начинается с впячивания нижних клеток бластулы внутрь полости. В результате образуются 2 слоя клеток и вторичная полость с отверстием - бластопором. Гаструла - двухслойный зародышевый мешок, наружный слой клеток которого называется эктодермой, а внутренний - энтодермой.
3. Образование 3 зародышевых листков. На следующей стадии между экто - и энтодермой закладывается 3-й зародышевый листок - мезодерма. Она образуется за счет миграции части клеток наружного и внутреннего слоев. На этой стадии образуется трехслойный зародыш.
4. Органогенез. Из трех зародышевых листков развиваются все ткани и органы будущего организма: из эктодермы - кожные покровы, нервная система, органы чувств; из энтодермы - пищеварительная система, печень, поджелудочная железа, легкие; мезодерма дает начало хрящевому и костному скелету, мышцам, кровеносной системе, почкам, половым железам.
Закладка органов начинается на стадии нейрулы. В энтодерме образуется зачаток хорды, а над ней в клетках эктодермы - нервная пластинка, которая сворачивается в нервную трубку и погружается под эктодерму. Справа и слева от нервной трубки развивается мезодерма, образуя осевой комплекс. Далее происходит образование и развитие остальных органов. Все клетки зародыша развиваются из одной исходной клетки - зиготы и имеют одинаковый набор хромосом, а также генетическую информацию. Однако в разных зародышевых листках функционируют разные наборы генов, что приводит к формированию различных тканей и органов. Специфичность работы клеток возникает не сразу, а на определенном этапе эмбриогенеза. Вещества или группа клеток, стимулирующих развитие органов и тканей зародыша, называются индукторами, а явление стимуляции - эмбриональной индукцией. Так, организатором, направляющим развитие нервной трубки, являются клетки мезодермы и хорда.
Постэмбриональное развитие. Этот процесс начинается после выхода организма из яйца или тела матери, т.е. после его рождения, когда организм способен существовать самостоятельно. Постэмбриональное развитие бывает двух типов: прямое и непрямое.
Прямое развитие идет без превращений, когда родившийся организм имеет сходство со взрослой особью, что отмечается, например, у птиц и млекопитающих.
Непрямое развитие протекает с метаморфозом - превращением во взрослую особь. В этом случае имеется личиночная стадия, когда родившийся организм не похож на взрослую особь. Личинка - организм, приспособленный к активному питанию, росту и развитию, но не способный размножаться (за редким исключением). Например, у лягушки личиночная стадия - головастик, у бабочки - гусеница.
Биологический смысл метаморфоза заключается в том, что личинки и взрослые особи питаются разной пищей, адаптированы к разным условиям, что устраняет конкуренцию между ними и способствует выживанию потомства.
Партеногенез - разновидность полового размножения, когда взрослая особь развивается из неоплодотворенного яйца. Встречается у низших ракообразных (дафний), насекомых (пчел, тлей), некоторых птиц (индеек) и чаще всего чередуется с обычным половым размножением. Из неоплодотворенных яйцеклеток с гаплоидным набором начинают развиваться клетки, у которых в митозе наблюдается нерасхождение хромосом и диплоидный набор восстанавливается. Партеногенез может идти как при благоприятных условиях (у тлей и дафний развиваются самки), так и при неблагоприятных условиях (осенью из неоплодотворенных яиц развиваются самцы). У пчел из неоплодотворенных яиц развиваются трутни, а из оплодотворенных - самки и рабочие пчелы. Партеногенез можно вызвать искусственно, воздействием какого-либо фактора на яйцеклетку.