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生物漫谈丨为什么说减数分裂是特殊的有丝分裂?

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为什么说减数分裂是特殊的有丝分裂?对于这一问题,很多资料会对比有丝分裂和减数分裂的过程来说明,或者简单的说减数分裂过程也有“丝”,因此是特殊的有丝分裂。这些表述可以接受,但是并不能从根本上回答这个问题,如果让我回答,我会这样回答:减数分裂是有丝分裂“出错”产生的。以下是我的解释:

1.生物演化是修修补补而不是另起炉灶

我们知道,细胞是一个经济的系统,极少浪费能量,在漫长的演化长河中,一点点的能量节省都会被放大而成为巨大的优势,遗传物质减半从理论上有两种方式:

方式1:细胞中遗传物质直接均分减半

方式2:细胞采用复制一次分裂二次的方式来获得减半的配子

从能量节省的角度来讲,方式1似乎可行,为什么实际情况是方式2呢?这是不是与一开始说的节省能量的演化优势相矛盾了呢?原因恰恰是演化。

生命中新方式的诞生大都不是另起炉灶,而是在原有方式上面做了小小的改变,减数分裂是在有丝分裂的基础上诞生的,有了这个基本的理念,我们再看减数分裂的过程就简单多了;自然选择这位演化设计师要写减数分裂的代码,他不是从0开始写的,是将有丝分裂的现有代码取了出来,只是改写了其中的几行罢了,MⅠ(减数第一次分裂)加入了四分体这个概念,而MⅡ(减数第二次分裂)就是直接照抄的有丝分裂的代码。

2.减数分裂与有丝分裂过程的基本代码相同

细胞核中的遗传物质有两种存在形式,染色质和染色体。染色质松散的状态有利于酶结合,进行DNA复制和转录,但是不利于遗传物质的分配;染色体状态是染色质高度螺旋化的结构,有利于分配但不利于DNA指导细胞工作。这好比,长长的毛线方便我们在其内部做点啥,比如剪开或者打个结,但是却不利于分配,毛线团恰好相反,有利于分配却不利于DNA聚合酶的结合以及转录的发生。

如果一个高度分化的细胞不需要进行分裂,遗传物质无需再分配,那就只以染色质的状态存在就好了,我们可以说,染色质是核DNA的工作形态,而染色体是核DNA的物质分配状态。

有丝分裂与减数分裂过程中核遗传物质的变化过程我们都可以这么来看:染色质状态DNA复制,螺旋化为染色体状态方便分配,在丝的牵引下在细胞中间排好队,时机一到,染色体上着丝点分裂,再在丝的作用下移向两极,之后恢复为染色质,进入工作状态。

图1:染色质与染色体的动态变化

如果只看染色体和染色质的动态变化过程,有丝分裂和减数分裂并没有什么本质的区别,那么,变的是什么呢?怎么确保精准减半呢?

3.四分体形成是减数分裂的核心过程

减数分裂之所以能准确减半,最为关键的是同源染色体联会形成四分体的过程,四分体从字面意思上来理解就是4个DNA分子所形成的整体结构。减数分裂通过将四分体作为一个整体来完成散乱分布、排列整齐、移向两极的过程,以此实现核遗传物质的精准减半。

图2:四分体结构示意图

如果我们把四分体作为一个整体来看减数分裂过程,就会发现减数分裂就是在有丝分裂的基础上细胞多分裂来一次,过程Ⅰ以确保遗传物质减半, 过程Ⅱ完成后续的有丝分裂过程,过程图比较如下:

图3:减数分裂与有丝分裂图形比较示意图

将关键词“散乱分布、排列整齐、分开移向两极”提取出来,文字描述如下:

图4:减数分裂与有丝分裂过程对照表

4.细胞均等分裂出了错,不均等分裂诞生

遗传物质复制一次细胞分裂一次的正常有丝分裂方式发生了意外,变成了遗传物质复制一次细胞连续分裂两次的减数分裂,这样就得到了染色体数目减半的细胞,而减半的细胞又可以通过细胞融合恢复正常,这个小意外打开了有性生殖的大门。

性虽然产生了,但是染色体数目减半的细胞之间并无差异,这些配子属于同型配子,不能称为精子或者卵细胞;也就是说虽然有了性,但是没有差别,处于“有性无别”的阶段,性别也并没有因此诞生。

要诞生性别,还需要更多的“小意外”,这些意外让配子向着两个方向进行演化,大而少配子保留更多营养物质,小而多配子增加机动能力,性的分别就此产生,我们把前者称为雌性,后者称为雄性。

细胞质不均等分裂可使更多的营养物质留给卵细胞,哺乳动物一个卵母细胞减数分裂完成后,会得到4个细胞,其中1个是具有生殖功能的卵细胞,另外3个称作极体。

图5:高中生物课本中的极体(2004年人教版)

极体在高中课本必修课本和相关习题中画的还是挺大的,找找上面两幅图中的极体,选修中的更接近实际情况。

如果再放大一下,我们可以看看下图,哺乳动物的极体和卵细胞大小差距是非常大的,图示的情况,极体相当于是卵细胞产生过程所带来的副产物。

图6:哺乳动物第一极体和次级卵母细胞大小比较

需要补充一点的是,有些生物,比如人类,减数分裂Ⅰ过程产生的极体并不继续分裂,既然分裂产生更多的极体没啥用,索性就不分裂了,省点能量也不是啥坏事。

5.答案小结

减数分裂是特殊的有丝分裂是因为减数分裂是在有丝分裂的基础上诞生的,在演化史上,有丝分裂产生在先,减数分裂产生在后,有丝分裂出了“小意外”产生了减数分裂,减数分裂一开始都是均等分裂的,均等分裂出了点“小意外”产生了不均等分裂,大多数的哺乳动物,包括人类在内,第一极体产生后不再继续分裂产生第二极体。

将生物学散乱的知识点串联成有内在逻辑的线,对的深入理解,这些都是学好生物学的关键,只可惜,我们有时对于生物学中的“演化观点”还没有足够的重视。

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