多细胞生物的形成源于一个单一细胞的演化过程
例如:人类这一多细胞生物体,其生命起点是一个受精卵,经过发育最终形成包含约10^14个细胞的复杂个体。这一转化过程究竟是如何实现的?细胞与细胞之间在构造上是否存在差异?又是通过何种机制来维持彼此间的同质性?
细胞增殖机制:
1. 细胞增殖是生物体维持生命活动的基本特征,其核心方式为细胞分裂。
对于单细胞生物而言,单个细胞即可构成完整的生命个体,其增殖直接产生新的生物体;
而对于多细胞生物,细胞增殖主要功能在于补充体内不断衰老和死亡的细胞。
2. 细胞增殖构成了生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础框架。
从受精卵开始,经过胚胎发育阶段,逐步形成幼体,最终成熟为成体,并完成物种的繁衍。
3. 增殖过程的核心特征在于:将复制后的遗传物质精确分配至两个子细胞中。
4. 主要增殖方式包括:
有丝分裂:最普遍的体细胞分裂方式;
无丝分裂:过程相对简单,同样应用于体细胞分裂;
减数分裂:生殖细胞形成的特殊分裂方式。
有丝分裂过程详解
1. 适用范围:真核生物进行细胞分裂的主要机制,是多细胞生物体细胞增殖的基本方式。
2. 周期性特征:有丝分裂呈现周期性变化,即细胞周期。
细胞周期定义为:从一次分裂完成到下一次分裂开始所经历的全过程。
不同生物的细胞分裂周期存在显著差异(单位:小时):
小鼠十二指肠细胞:1.8小时
蛙单被体细胞:13.5小时
仓鼠卵细胞:0.8小时
3. 细胞分裂间期
研究方法:采用放射性同位素标记自显影技术进行观测。
主要特征:此阶段完成DNA分子复制及相关蛋白质的合成。
具体过程分为三个阶段:
第一阶段——DNA合成准备期(持续时间:数小时至数天);
第二阶段——DNA复制完成期(持续时间:数小时);
第三阶段——RNA与蛋白质合成期(持续时间:1-1.5小时)。
重要意义:作为新细胞周期的起点,为细胞分裂提供必要条件,此阶段细胞内部发生复杂变化,是细胞周期中最为关键的准备阶段;不同生物在此阶段的第一个阶段存在显著差异。
4. 细胞分裂期
(1)植物细胞分裂过程
研究方法:主要采用光学显微镜观察等技术手段。
主要特征:核心在于细胞核中染色体的形态变化。
过程分为四个阶段(各阶段间无明显界限):
核分裂(前期→中期→后期→末期)
质分裂(细胞一分为二形成两个新细胞)
各阶段具体特征:
① 核分裂过程:
a. 前期:最显著的变化是核中出现染色体。
<1> 核仁逐渐解体,核膜逐渐消失;
<2> 从细胞两极发出众多纺锤丝,形成梭形纺锤体;
<3> 间期复制的染色体螺旋缠绕,逐渐缩短变粗,形态更加清晰,形成典型的染色体结构;
<4> 每条染色体包含两条并列的姐妹染色单体,均匀分布于纺锤体中央。
关键概念:
姐妹染色单体:指间期复制的形态结构相同、组成相似的两条染色质物质,两者并列分布,通过一个共同着丝点相连,互为姐妹染色单体关系;
纺锤体:由细胞两极发出的纺锤丝构成的梭形结构;
着丝点:染色体中与纺锤丝相连的特定区域,参与染色体的移动,是连接染色单体的结构,也是计数的标准。
b. 中期:纺锤体清晰可见,是观察染色体的最佳时期。
<1> 染色体形态相对稳定,数目清晰可见;
每条染色体的着丝点两侧均有纺锤丝附着,牵引染色体运动;
所有染色体的着丝点排列在细胞中央平面(类似地球赤道),该平面与纺锤体中轴垂直。
c. 后期:着丝点分裂,染色体数量加倍。
着丝点分裂成两部分,染色单体分离成为独立的子染色体;
纺锤丝牵引子染色体向两极移动;
细胞核内的全部染色体平均分配至两极,使两极各获得一套形态和数量完全相同的染色体;
此阶段完成染色体的平均分配,确保亲子细胞的一致性。
d. 末期:完成核重建过程。
染色体形态变化:由高度浓缩状态逐渐解螺旋,呈现细长、盘曲的染色质状态;
纺锤丝逐渐消失,新的核膜和核仁出现,核膜将染色体包裹形成两个新的细胞核;
赤道板位置出现细胞板(实体结构),向四周扩展,最终形成新的细胞壁。
② 质分裂过程:细胞板扩展形成细胞壁,将细胞质一分为二,形成两个新的细胞,子细胞进入下一个细胞周期的分裂间期。
(2)动物细胞分裂特点
与植物细胞有丝分裂过程基本一致,存在两点主要差异:
1. 纺锤体形成方式不同:动物细胞含有中心体,分裂间期两个中心粒各自产生新的中心体,形成两组中心体。分裂过程中,两组中心体分别向两极移动,发出放射状星射线,共同形成纺锤体;
2. 细胞质分裂方式不同:动物细胞不形成细胞板。细胞膜中央向内凹陷,最终导致细胞缢裂成两个子细胞。
3. 有丝分裂的重要意义
精确地将亲代细胞内的染色体经过复制后,平均分配到两个子细胞中;
保持亲子代之间的遗传稳定性,对生物遗传具有重要意义。
无丝分裂过程
1. 过程相对简单:母细胞核直接分裂为两个新核,随后形成两个子细胞。
2. 与有丝分裂的异同点
相同点:
(1)完成遗传物质的复制;
(2)遗传物质平均分配到两个子细胞中。
不同点:
(1)分裂过程中不出现纺锤丝和染色体;
(2)分裂过程缺乏明显的周期性形态变化。
3. 典型实例:蛙的红细胞分裂方式。