Изготовление и применение на уроках биологии динамичной модели процесса деления клетки
В общей биологии тема «Деление клетки» является одной из самых трудных для учащихся. В ней вводится много новых понятий, дается описание поведения хромосом на разных этапах деления клетки. Многие учащиеся не могут представить весь этот сложный механизм, что вызывает затруднения в изучении данной темы. Для облегчения восприятия материала мною была разработана динамичная модель деления клетки, показывающая поведение хромосом во время митоза и мейоза. Модель легка в изготовлении и дает хороший эффект в усвоении сложного материала.
Модель можно изготовить из плотного картона. Подвижность деталей обеспечена скольжением их по капроновой леске с помощью нитей, выполняющих функцию нитей веретена деления. Детали, изображающие гомологичные хромосомы, лучше изготовить из цветного картона. Цвет наглядно демонстрирует тот факт, что диплоидный набор хромосом клетки образован из гаплоидных наборов мужской и женской гамет. Каждая деталь символизирует одну нить ДНК (хроматиду). Детали нанизывают на капроновую леску и крепят на картонной основе, изображающей клетку. На полюсах «клетки» надо сделать отверстия, через которые протянуть нити (нити веретена деления). Нити крепятся к каждой хромосоме в области центромеры. Чтобы избежать разрыва картона при натягивании нитей, в отверстия, изображающие клеточный центр, необходимо вставить небольшие кусочки, вырезанные из стержня шариковой ручки.
Приведу примеры применения динамичной модели процесса деления клетки при изучении тем: «Деление клетки. Митоз», «Мейоз» и «Генетика. Моногибридное и дигибридное скрещивание. Закон чистоты гамет», «Сцепленное наследование», «Наследственная изменчивость».
Теме «Деление клетки. Митоз» предшествует тема о клеточном цикле и интерфазе. Важным процессом интерфазы является репликация – удвоение ДНК. С помощью модели ее можно изобразить так, как показано на рис. 1 и 2.
В исходном состоянии модели хроматиды расположены одна над другой, поэтому хромосомы выглядят однохроматидными. При смещении деталей по леске относительно друг друга получаются двухроматидные хромосомы. При этом необходимо пояснить, что увеличивается число нитей ДНК (c), а не хромосом (n), т.е. 2n2c → 2n4c. Именно такая клетка приступает к делению.
Первая фаза митоза – профаза – характеризуется спирализацией хромосом, расхождением центриолей из клеточного центра к полюсам клетки и разрушением ядерной оболочки. Охарактеризовать этот процесс несложно с помощью рисунков учебника и других наглядных пособий. Детям труднее представить, что такое метафазная пластинка, веретено деления, как сохраняется число хромосом при расхождении их к полюсам клетки. Это можно наглядно продемонстрировать с помощью модели деления клетки.
Модель митоза состоит из трех частей (рис. 3–4, 5, 6). На рисунке 3 изображена вторая фаза митоза – метафаза. Хромосомы расположены в экваториальной плоскости клетки в один слой (метафазная пластинка), и нити веретена деления прикреплены к центромерам хромосом (по две нити к каждой хромосоме). Хромосомы оказываются подвешенными на двух нитях, отходящих от противоположных полюсов клетки. Эта структура называется веретеном деления. В состоянии метафазы клетка находится довольно долго, поэтому в этом состоянии легко подсчитывать число хромосом. Укорачивание нитей (протаскивание их через отверстия) приводит к разделению хромосом и расхождению хроматид
(рис. 4). Так осуществляется анафаза.
Кариокинез завершается формированием ядерной оболочки и деспирализацией хромосом, т.е. наступает ранняя телофаза (рис. 5). После формирования клеточной пластинки и разделения цитоплазмы (цитокинез) деление завершается образованием дочерних клеток. Это последняя фаза митоза – телофаза (рис. 6).
Сравнивая первую и третью стадии в модели митоза (рис. 1 и 5), дети сами могут сделать вывод о биологической роли митоза как процесса деления клетки, в результате которого сохраняется наследственный материал.
При изучении темы «Мейоз» ученикам необходимо напомнить, как происходит интерфазное удвоение ДНК (рис.1 и 2), т.к. в мейоз вступает клетка 2n4c. Модель мейоза состоит из 10 частей (рис. 7, 8, 10, 12, 13, 15). В первом делении мейоза особое внимание уделяется профазе. Происходящие в этой фазе конъюгация (рис. 7) и кроссинговер (рис. 8–9) приводят к образованию комбинированных хромосом, следовательно, проявлению у организмов комбинативной изменчивости. Процесс кроссинговера еще раз будет рассмотрен в темах «Сцепленное наследование» (генетика) и «Наследственная изменчивость».
В метафазе первого деления (I) мейоза гомологичные хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, но, в отличие от митоза, в два ряда (рис. 10).
Нити веретена деления прикрепляются к хромосомам по одной от каждого полюса, поэтому в анафазе первого деления (I) к полюсам расходятся двухроматидные хромосомы, а число хромосом уменьшается вдвое (рис. 11). В результате в телофазе первого деления (I) образуются две клетки 1n2c (рис. 12).
Второе деление мейоза очень похоже на митотическое деление. Профаза II происходит быстро, наступает метафаза II (рис. 13) и анафаза II (рис. 14). И так как ко второму делению приступают две клетки 1n2c, то в телофазе II образуются 4 гаплоидные клетки nc (рис.15).
Все части модели демонстрируются последовательно по мере изучения материала и вывешиваются на доску. При изучении мейоза необходимо демонстрировать и модель митоза, чтобы учащиеся могли сравнить оба процесса.
Модель деления клетки помогает учащимся лучше понять закон чистоты гамет и цитологические основы моногибридного и дигибридного скрещивания в теме «Генетика». Для этого на хромосомы схемы метафазы второго деления (рис. 10) крепятся буквенные символы генов: доминантный аллель А и рецессивный аллель а – при моногибридном скрещивании или Аа и Вb – при дигибридном. При этом расположение хромосом в метафазе II может быть разным (рис. 16 и 18). Если хромосомы расположены так, как показано на рисунке 16, то в одну клетку попадут гены А и В, а во вторую – а и b (рис. 17).
Если же в метафазе II хромосомы будут расположены так, как показано на рисунке 18, то в одну клетку попадут гены А и b, а во вторую – а и В
(рис. 19).
Такое расположение хромосом в мейозе равновероятно, поэтому у дигетерозигот с равной вероятностью могут образоваться четыре типа гамет: АВ, Аb, аВ и аb.
Таким же образом можно продемонстрировать закон сцепленного наследования, только в этом случае гены А и В (А и b) расположены в одной из гомологичных хромосом, а а и b (а и В) – в другой. Ученики видят, как гены, образующие группу сцепления, попадают в одну гамету (рис. 20 и 21).
Может быть, кто-то скажет, что в наш век компьютерных технологий процесс деления клетки можно смоделировать с помощью компьютера и мультимедийных устройств. Но в условиях недостаточного обеспечения сельской школы компьютерами динамичная модель процесса деления клетки может помочь учителю более доступно объяснить сложные темы, а ученикам – лучше их понять.
Источник
Митоз и мейоз: понятие, фазы, отличия
Наши клетки постоянно растут и воспроизводят самих себя. Репродуктивная функция может осуществляться двумя способами, о которых мы расскажем в этой статье. Вы узнаете, как возникают новые клетки.
Что такое митоз
Первый способ деления соматической клетки — митоз. Материнская клетка разделяется на дочерние клетки, которые практически идентичны родительским с точки зрения генетической информации. Наследственная информация и количество хромосом у дочерних клеток такие же, как у родительской.
Митоз — одна из фаз жизненного цикла клетки и механизм нормального роста тканей. Большую часть клеточного цикла занимает интерфаза, в течение которой протекает повседневная клеточная деятельность. Во время интерфазы происходит:
- рост,
- синтез белка и других органических веществ клетки,
- образование новых органелл.
Во время интерфазы идёт активный синтез и накопление необходимых для деления клетки веществ. Интерфаза делится на три подфазы:
- G1 — клетка становится больше, синтезируются белки, образуются одномембранные органоиды и рибосомы, готовясь к делению. В человеческой клетке 46 хромосом. Каждая хромосома, состоящая из одной хроматиды, напоминает неполую макаронину — она достаточно гибкая, чаще всего длина намного превышает ширину. Хроматида представляет собой 1 молекулу ДНК.
- S — каждая хроматида копируется. Количество хромосом остаётся неизменным — 46, однако теперь каждая хромосома состоит из двух идентичных сестринских хроматид. Они соединяются в области, которая называется центромерой. В сумме в клетке получается 92 хроматиды.
- G2 — продолжается рост клетки и синтез белков, нуклеиновых кислот.
После стадии G2 клетка вступает в следующую фазу деления, а именно — сам митоз. Тут есть четыре подфазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.
В схемах деления гаплоидный набор хромосом обозначают буквой n, а набор молекул ДНК (то есть хроматид) — буквой с. Перед буквами указывают число гаплоидных наборов: 1n2с — гаплоидный набор удвоенных хромосом, 2n2с — диплоидный набор одиночных хромосом, 2n4с — диплоидный набор удвоенных хромосом.
Пример. В клетках человека гаплоидный набор составляют 23 хромосомы. Значит, запись 2n2с означает 46 хромосом и 46 хроматид, а 2n4с — 46 хромосом и 92 хроматиды.
Рассмотрим подробнее фазы митоза:
- Профаза (2n4с) — спирализация хромосом, уменьшение их функциональной активности; репликация практически не идёт; разрушение оболочки ядра; образование веретена деления.
- Метафаза (2n4с) — прикрепление хромосом к нитям веретена деления; спирализация хромосом достигает максимума; хромосомы утрачивают свою функциональную активность, образуют экваториальную (метафазную) пластинку.
- Анафаза (4n4c) — деление центромер; расхождение по нитям веретена сестринских хромосом. Анафаза заканчивается, когда центромеры достигают полюсов клетки.
- Телофаза (2n2c) — деспирализация хромосом; образование ядерной оболочки; деление цитоплазмы; между дочерними клетками на экваторе образуется перетяжка. В растительных и грибных клетках в этом месте начинает закладываться клеточная стенка.
Многие клетки вступают в фазу G0 после митоза и находятся в ней всю жизнь до гибели. Обычно это высокоспециализированные клетки, которые не могут совмещать эффективное выполнение своих функций и размножение. Например, в фазе G0 находится большинство нейронов головного мозга.
Биологическое значение митоза — образование генетически одинаковых дочерних клеток с тем же набором хромосом, что был у материнской клетки. Сохраняется преемственность в ряду клеточных поколений.
Что такое мейоз
Второй способ деления эукариотической клетки — мейоз. Во время такого процесса деления клетки получаются дочерние клетки, которые называются гаметы. У мужчин это сперматозоид, а у женщин яйцеклетка. Гаметы получают только половину генетической информации родительской клетки. Число хромосом уменьшается в два раза.
Затем гаметы могут объединяться, образуя новую клетку, сочетающую генетическую информацию обеих клеток-родителей — зиготу. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворением. Если зигота совершит цепь митозов, сформируется новый организм.
По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса, по промокоду BIO10112021 бесплатный доступ к курсу биологии 10 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!
Каждая гамета человека содержит 23 хромосомы — гаплоидный набор (n). Когда гаметы объединяются, получается зигота с 46 хромосомами — диплоидный набор (2n).
Во время мейоза одна клетка с 46 хромосомами делится дважды. Первое деление называется мейоз I, второе деление называется мейоз II. Интерфаза между двумя этапами деления мейоза настолько кратковременна, что практически незаметна, и в ней не происходит удвоение ДНК. В результате образуются четыре дочерние клетки, каждая с 23 хромосомами.
Мейоз I подразделяется на четыре фазы, аналогичные фазам митоза:
- Профаза I (2n4c) — занимает 90% времени. Происходит скручивание молекул ДНК и образование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух гомологичных хроматид — 2n4c. Происходит конъюгация хромосом: гомологичные (парные) хромосомы сближаются и скручиваются, образуя структуры из двух соединённых хромосом — такие структуры называют тетрады, или биваленты. Затем гомологичные хромосомы начинают расходиться. При этом происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате этого процесса создаются новые комбинации генов в потомстве. Растворяется ядерная оболочка. Разрушаются ядрышки. Формируется веретено деления.
- Метафаза I (2n4c) — биваленты выстраиваются на экваторе веретена деления, при этом ориентация центромер к полюсам абсолютно случайная.
- Анафаза I (хромосомный набор к концу анафазы: у полюсов — 1n2c, в клетке — 2n4c) — гомологичные хромосомы отходят к разным полюсам, при этом сестринские хроматиды всё ещё соединены центромерой. За счёт случайной ориентации центромер распределение хромосом к полюсам также случайно, так как нити веретена прикрепляются произвольно.
- Телофаза I (1n2c) — происходит деспирализация хромосом. Если интерфаза между делениями длительна, может образоваться новая ядерная оболочка.
Мейоз II подразделяется на четыре такие же фазы:
- Профаза II (1n2c) — восстанавливается новое веретено деления, ядерная мембрана растворяется, если образовывалась в телофазе I.
- Метафаза II (1n2c) — хромосомы выстраиваются в экваториальной части веретена, а нити веретена прикрепляются к центромерам.
- Анафаза II (хромосомный набор у каждого полюса — 1n1c, в клетке — 2n2c) — центромеры расщепляются, двухроматидные хромосомы разделяются, и теперь к каждому полюсу движется однохроматидная хромосома.
- Телофаза II (1n1c) — происходит деспирализация хромосом, формирование ядерных оболочек и разделение цитоплазмы; в результате двух делений из диплоидной материнской клетки получается четыре гаплоидных дочерних клетки.
Биологическое значение мейоза — образование гаплоидных клеток, отличающихся генетически друг от друга: половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.
Источник
