Загадка оплодотворения
Мы уже знаем, что организм характеризуется своим, точно определенным числом хромосом в ядре каждой клетки. Значит, и сперматозоид и яйцеклетка одного вида содержат то же число хромосом? При оплодотворении ядра сперматозоида и яйцеклетки сольются, и, очевидно, первичное ядро зародыша будет содержать два одинаковых набора хромосом. Первичное ядро будет делиться несметное число раз, формируя зрелый организм. Каждое деление — митоз, как мы уже знаем, не внесет никакого изменения в число хромосом в клетках. На каком-то этапе развития организма в нем должны образоваться половые клетки. Если и в них сохранится удвоенный набор хромосом, то при следующем акте оплодотворения новое первичное ядро зародыша будет содержать уже не два, а целых четыре набора (два — от отца и два — от матери)?!
На самом деле ничего подобного никогда не наблюдается. Все организмы одного вида (и материнские и дочерние) всегда содержат в ядрах клеток одинаковый набор хромосом. Ясно, что в цепь наших рассуждений где-то вкралась ошибка. Но где? Этот вопрос в свое время пытались разрешить немало ученых. В конце прошлого столетия было обнаружено, что еще до начала созревания половых клеток и у животных и у растений число хромосом в них уменьшается вдвое.
Оказывается, утверждение, что все клетки организма имеют одно и то же число хромосом, справедливо только до поры до времени. Когда организм созревает и начинает формировать половые клетки, включается механизм, уменьшающий ровно вдвое число хромосом в этих клетках. Уменьшение числа хромосом вдвое (или, как говорят цитологи, редукция хромосомного набора) достигается путем необычного деления клеток — мейоза. Вот как он происходит.
Перед началом мейоза вещество хромосом удваивается. Число их остается тем же, но каждая из хромосом теперь двойная. Здесь надо еще раз вспомнить, что в соматических (неполовых) клетках присутствует равное число отцовских и материнских хромосом, полученных при слиянии ядер сперматозоида и яйцеклетки. Причем все хромосомы образуют пары. В такой паре одна хромосома отцовская, другая — материнская. Членов пары называют еще гомологичными (соответствующими, подобными) хромосомами.
Схема митоза и мейоза (цвета условны).
В митозе, как мы помним, каждая из хромосом делится пополам на сестринские хроматиды, которые затем становятся дочерними хромосомами. Мейоз же начинается с того, что парные хромосомы сближаются, сначала соприкасаются концами, затем начинают льнуть друг к другу и, наконец, тесно смыкаются. Число хромосом теперь уменьшилось вдвое. Но если присмотреться, видно, что каждая хромосома двойная. Если учесть, что еще раньше вещество их удвоилось (как и при митозе), получится, что каждая хромосома состоит из четырех нитей: нить первой хромосомы плюс ее копия и нить второй хромосомы со своей копией.
Затем толстая хромосома делится пополам. Но к полюсам расходятся не половинки хромосом, как в митозе, а целые хромосомы. Из каждой пары гомологичных хромосом в дочернюю клетку попадает только одна. Таким образом число хромосом в этих клетках уменьшается вдвое, т. е. совершается редукция числа хромосом,
Но пока еще каждая хромосома состоит из двух хроматид, как в клетке перед митозом. Поэтому процесс деления на этом не обрывается. После короткой передышки следует митоз: каждая из дочерних клеток делится еще раз. Теперь хромосомы разъединяются на половинки — хроматиды, которые расходятся к разным полюсам. В образовавшихся клетках уже половинное число хромосом.
Подведем итог. Сначала гомологичные хромосомы слились, и клетка поделилась на две. В каждой из них оказалось вдвое меньше хромосом, чем в материнской клетке. Из этих двух клеток затем возникли четыре гаметы уже с одинаковым набором хромосом. Теперь созревшие половые клетки могут принять участие в оплодотворении, и увеличения числа набора хромосом не произойдет. Природа об этом позаботилась.
Так, клетка, которая напомнила Гуку ячейку в пчелиных сотах, оказалась очень сложной, высокоорганизованной системой, способной к росту и размножению, развитию и дифференцировке, обмену веществ, раздражимости, нередко к движению и т. д. Но как бы ни были велики успехи науки, изучающей клетки живых организмов, число вопросов, которые требуют ответа, не только не уменьшается, а даже растет. Они неисчерпаемы.