środa, 24 sierpnia 2016

Ta straszna mitoza i mejoza

Skarżący się na to, jak nudna jest biologia, zwykle zaczynają swój lament od wymienienia mitozy i mejozy. Nic z tego nie rozumieją, po co mają się tego w szkole uczyć? To zawracanie głowy i nic poza tym… Przecież nic z tego nie wynika. Zgodzę się, częściowo. Ucząc się tego „na sucho” dla przeciętnego ucznia szkoły średniej naprawdę nic z tego nie wynika, bo i nie ma co i po co. Za to samo zjawisko mitozy i mejozy, opowiedziane w różnych praktycznych kontekstach, mogłoby zaciekawić wiele osób. Jednak gdy celem jest wykucie na blachę jak to po kolei idzie, każda faza, to nie ma się co dziwić zniechęceniu i znudzeniu. Ja w tej notce chciałem opowiedzieć trochę o tym, co w mitozie i mejozie jest ciekawe i fascynujące. Jak oba te zjawiska przekładają się na naszą codzienność? Co warto wiedzieć na ten temat?

oocyt
Henry Gray, Hedry Vandyke Carter, Anatomy of the Human Body, z późn. zm.

Słyszeliście na pewno takie określenie, jak „somatyczna”. Komórka somatyczna, linia komórek somatycznych. Pamiętam, jak na jednym z przerabianych arkuszy maturalnych z języka polskiego w liceum (poziom rozszerzony, byłem w klasie WOS-polski-historia) miałem to słowo, nie pamiętam już w jakim kontekście. Chodziło o przeczytanie artykułu ze zrozumieniem i odpowiedzenie na pytania. Kompletnie nie wiedziałem wtedy, co znaczy określenie „somatyczne”. Śmiejcie się ze mnie, jeśli chcecie, ale dopiero na studiach zrozumiałem to i całą masę innych pojęć (i co dziwne, przyszło mi to wówczas z łatwością), o których uczyłem się już w szkole średniej. W każdym razie niejednokrotnie użyję dziś tego słowa, dlatego poświęcę miejsca temu, by je wyjaśnić.

Komórki somatyczne to wszystkie, poza linią komórek płciowych (rozrodczych), czyli wszystkie z wyłączeniem oocytów (które staną się komórkami jajowymi) i spermatocytów (które będą plemnikami). Choć te także (a dokładnie prekursorowe komórki płciowe) do pewnego momentu przechodzą podziały somatyczne. Czym są podziały somatyczne? Tak nazywa się inaczej mitozę, zapewne stąd, że zachodzi ona we wszystkich komórkach somatycznych. Mitoza jest więc podziałem komórki somatycznej. Materiał genetyczny dzieli się wówczas na pół, następnie zostaje doreplikowany. Powstaje też nowa błona komórkowa, w końcu nowopowstała komórka po podziale musi być czymś otoczona.

to nie zapłodnienie
Chiswick Chap, Luis Nunes Alberto,
https://commons.wikimedia.org
Przy mejozie, która zachodzi w komórkach płciowych, mamy do czynienia z redukcją materiału genetycznego. Dlaczego? W komórce jajowej łączy się DNA męskie (plemnik) i żeńskie (oocyt), tworząc pełen (diploidalny) zestaw chromosomów. Powstaje zarodek. Chyba już widzicie skąd potrzeba zredukowania materiału genetycznego? W ostatecznym rozrachunku musi nam wyjść 1n (męskie) + 1n (żeńskie) = 2n (zygota). Bez pozbycia się połowy DNA byłoby to 2n + 2n = 4n. O ile rośliny czy niektóre ryby lub płazy potrafią funkcjonować z podwójną ilością materiału genetycznego, to u ssaków jest to śmiertelne – embriony, których dotyka poliploidalność (bo tak mówimy o sytuacji, kiedy mamy genomowy nadmiar DNA, czyli więcej, niż 2n) szybko zamierają.

Podsumujmy krótko: mitoza zachodzi w komórkach somatycznych i jest podziałem z doreplikowaniem DNA, by nowa komórka miała pełen (2n) zestaw chromosomów. Mejoza ma miejsce w spermatocytach i oocytach i prowadzi do pozbycia się połowy DNA, tak aby gotowa do stworzenia zarodka komórka płciowa miała tylko jeden zestaw chromosomów. Po połączeniu się męskiego i żeńskiego DNA, zygota staje się „z powrotem” komórką somatyczną. Mejozę można więc w pewnym sensie uznać za swego rodzaju międzypokoleniową mitozę… Ciekawe, prawda?

Kiedy praktyczne znaczenie dla przeciętnego człowieka ma mitoza? Oczywiście poza okresem wzrostu zarodka, płodu, dziecka, nastolatka? Jeśli skaleczymy się, to zgadnijcie, co komórki skóry robią? No właśnie, zaczynają się dzielić mitotycznie. Dzięki podziałom somatycznym możemy się regenerować. Ma to jednak swoją mroczną stronę. Podczas podziału istnieje ryzyko wystąpienia błędów w trakcie replikacji DNA. Im więcej podziałów, tym większe ryzyko – logiczne. A podziałów z czasem jest oczywiście coraz więcej. Nagromadzenie błędów genetycznych prowadzi do powstawania nowotworów. Ta grupa chorób jest więc kosztem, jaki ponosimy w zamian za możliwość regeneracji. Podziały mitotyczne zachodzą rzecz jasna nie tylko, gdy się skaleczymy. W przewodzie pokarmowym zastępowanie starych komórek nowymi też jest bardzo szybkie. Mitoza jako taka z różnym nasileniem występuje we wszystkich typach tkanek.

Istnieją zwierzęta, które „przechytrzyły” nowotwory. Wiecie już na pewno w jaki sposób. Po prostu po okresie wzrostu nie mają już możliwości regeneracji. Nie ma mitozy. Zjawisko to nazywa się eutelią i występuje u nicieni. Znany przedstawiciel tej grupy, Caenorhabditis elegans (C. elegans), na którym prowadzi się setki badań biomedycznych, może wzrosnąć maksymalnie do liczby 959 komórek. Zmienna jest tylko liczba komórek płciowych. Wspominałem o tym, gdy pisałem o resweratrolu. Związek ten znacznie przedłuża życie nicieniom, ale co nam po tym, jak my, jako ludzie, regenerujące się stworzenia, starzejemy się z każdym kolejnym podziałem komórkowym?

C. elegans
C. elegans, Bob Goldstein, http://labs.bio.unc.edu/Goldstein/movies.html

Mejoza jest jeszcze bardziej interesująca. Po części napisałem już dlaczego. Jest swego rodzaju międzypokoleniową mitozą. Dzięki mejozie kopie DNA wędrują do następnej generacji. Czy patrzeliście na to wcześniej w taki sposób? Wyobraźcie sobie: Wasz prapradziadek, który żył, powiedzmy w X wieku n.e., miał dzieci. Swoje chromosomy, które od niego otrzymały, przekazały następnemu pokoleniu. I tak, dalej i dalej… aż do Was! Mejoza jest czymś w rodzaju mechanizmu nieśmiertelności. Płciowej maszyny. Jest  też sednem płciowości. Mamy podział komórek i DNA po to, by ostatecznie połączyły się ich dwa różne zestawy, od obu płci (choć hipotetycznie istnieją prawdopodobnie możliwości stworzenia zdrowego zarodka z komórek pozyskanych od dwóch osób tej samej płci, ale pozostawmy to).

plemnikPodczas mejozy zachodzi zjawisko rekombinacji, czyli crossing-over. Wasz chromosom od Waszej matki zbliża się do analogicznego chromosomu (z tej samej pary) od Waszego ojca (a wszystko to w Waszym spermatocycie lub oocycie) i wymieniają się fragmentami nici DNA. Zwiększa to różnorodność genetyczną, daje dodatkowy napęd ewolucji biologicznej. Miejsca, w których rekombinacja ta zajdzie, wydają się być przypadkowe. Dlatego to oraz segregację chromosomów (czyli rozdzielanie 1n do jednej komórki płciowej, a drugie 1n do kolejnej) uznajemy za mechanizmy dryfu genetycznego. W jednym, konkretnym plemniku może być sekwencja DNA po idealnej, jak na okoliczności środowiskowe, rekombinacji, ale akurat ten właśnie plemnik nie doczeka się zapłodnienia. Być może jego „słabszemu” sąsiadowi się powiedzie…

Istnieje jeszcze jedna ważna rzecz dotycząca mejozy. Jest nią różnica w „cyklu” rozrodczym między mężczyznami, a kobietami (samcami, a samicami). Oocyt, czyli kobieca komórka płciowa zaczyna dojrzewać w okresie płodowym. Wchodzi w pierwszą fazę mejozy i tak sobie przystaje (w diplotenie profazy I), czekając, aż do czasu rozpoczęcia dojrzewania hormonalnego. Wtedy wznawia swoją aktywność, przechodząc do metafazy II mejozy. Znowu hamuje, w oczekiwaniu na męskie DNA. Jeśli to się nie pojawi, oocyt zostaje usunięty. Gdy plemnik zapłodni jajo, powstaje zarodek. Ponieważ na cykl u kobiety przypada jeden oocyt, ostatnie oocyty zaczynają dojrzewać tuż przed menopauzą. Wcześniej, sięgając aż do okresu płodowego, są wciąż uśpione. W żeńskiej mejozie produktem ubocznym jest polocyt, zwany ciałkiem kierunkowym, czyli odrzucona połowa materiału genetycznego.

Inaczej sprawa ma się z mężczyznami. Spermatocytów, a dalej plemników muszą być miliony, każdego dnia, bo w końcu to plemnik zapładnia oocyt, nie na odwrót. W związku z tym spermatocyty dzielą się aktywnie bez przerwy. Każdy jest nowiutki, w przeciwieństwie do ostatniego, 50-cio paro letniego oocytu. Dlaczego tak jest? To właściwie sprawa zero-jedynkowa w tym przypadku. Albo jedno zapładnia, albo drugie. Gdyby to oocyty zapładniały plemniki, nazywalibyśmy je na odwrót i wszystko byłoby tak samo, jak obecnie. To właśnie stąd mężczyźni mogą mieć zdrowe dzieci nawet w podstarzałym wieku – ich jądra wciąż produkują nowe plemniki.

Mitoza spermatogoniów - komórek prekursorowych spermatocytów, Josef Reischig, https://commons.wikimedia.org

Ma to też pewien plus albo minus, zależy jak na to spojrzeć. Pisałem, że podczas podziałów zachodzić mogą mutacje genetyczne. Ponieważ spermatocytów są miliardy i ciągle się dzielą, przekształcając się w plemniki, szacuje się, że mężczyźni przekazują więcej mutacji do następnego pokolenia, niż kobiety. Oczywiście biorąc pod uwagę jądrowe DNA, a ignorując mitochondrialne, które dziedziczymy tylko po matce. Można jednak spojrzeć na to odmiennie – ponieważ kobiece komórki płciowe mają lata, w porównaniu do kilkumiesięcznych plemników, i wciąż się starzeją, to podziały po wznowieniu mejozy są u nich dużo bardziej ryzykowne. Istnieje większe prawdopodobieństwo wystąpienia poważniejszych mutacji. Niestety nie przystosowawczych, a szkodliwych. Bo wystarczy, że wspomniane ciałko kierunkowe (polocyt) nie zostanie usunięte albo że chromosomy podczas podziału rozejdą się nie tak, jak trzeba. I mamy wtedy na przykład zespół Downa, jeden chromosom za dużo.

Choć nie jestem zwolennikiem ograniczania materiału w szkole do minimum (gdy dowiedziałem się, że aktualnie w liceach niektóre klasy nie mają w ogóle biologii, chemii czy fizyki, byłem w lekkim szoku, naprawdę!), to uważam, że odpowiednie przedstawienie danego materiału – w formie odniesienia teorii do codzienności, a nie przynudzania „sucharami” – mogłoby sporo zmienić. Te „suchary” są ważne na poziomie studiów, dla potencjalnych naukowców, ale wcześniej często utrudniają przyswojenie wiedzy, zamiast to ułatwić. Zwłaszcza, gdy nie odnosi się tego do przykładów. Choćby takich, jakie podałem w tej notce. Oby to się kiedyś zmieniło.

Źródła
Hieronim Bartel. Embriologia. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2012.
Douglas J. Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa 2008.
Winter P., Hickey I., Fletcher H. Krótkie wykłady. Genetyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2013.


28 komentarzy:

  1. Lubiłam biologię. Jednak gdy na studiach trafiłyśmy na przedmiot o nazwie biopsychiczne podstawy rozwoju człowieka - krótko powiem, żadna z nas za nim nie przepadała i wszystkie uważały za niepotrzebny. A ile pojawiło się drwin z mitozy i mejozy. Mi osobiście ćwiczenia z tego przedmiotu się podobały, bo przypomniały mi lekcje biologii i prowadząca była ok, za to wykłady były okropne.
    P.S.: Dawno mnie nic tak nie rozbawiło jak Twój komentarz na moim blogu, za który przy okazji dziękuję. ;)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Wiele zależy od wykładowcy, nic nowego. Dobry zrobi z nudniejszego przedmiotu coś ciekawego, a nie najlepszy zepsuje nawet ten najciekawszy.

      Usuń
  2. Hm, ciekawy wpis ;) Moim zdaniem, w szkołach powinno się uczyć tego, co ludziom będzie potrzebne do życia. Zajęcia z biologii powinny również być profesjonalnie prowadzone w szkołach. Niestety, w szkołach również brakuje zajęć żywieniowych i żywnościowych. Pozdrawiam.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Mi na lekcjach biologii brakowało mikroskopów na osobę lub na parę. Wprawdzie w sali był jeden mikroskop, podłączony do monitora, ale przez 2 lata biologii nauczycielka skorzystała tylko z niego raz czy dwa.

      Usuń
  3. To straszne, że w liceach biologia zostaje tak okrojona. Ja - choć byłam w klasie humanistycznej - miałam fenomenalnego nauczyciela od biologii w liceum. Na zajęcia przynosił tylko klucze i dziennik - żadnych pomocy naukowych. Siadał i opowiadał - a miał prawdziwy dar do przekazywania wiedzy. Wszyscy słuchali go z zapałem. W domu niewiele trzeba było się uczyć, bo większość zagadnień pamiętało się bez trudu z lekcji. Aż żałowałam, że jako klasa humanistyczna mieliśmy tak niewiele lekcji biologii. Jednak do dziś wiele mi zostało.
    Pozdrawiam.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Ale też pomoce naukowe są przydatne, w biologii czasem naprawdę trzeba pokazać jakieś zdjęcia, schematy, rysunki i wykresy ;-). Oczywiście daru przekazywania wiedzy nie neguję. :-)

      Usuń
  4. Mimo, że wiele osób twierdzi, że w szkole uczą wielu niepotrzebnych rzeczy, nie zgadzam się z tym. Przede wszystkim idąc do liceum większość nawet nie zastanawia się co będzie w życiu robić, więc uczymy się wszystkiego po trochu. Nie ma w tym nic złego, przynajmniej wiemy coś więcej niż tylko jak użyć kalkulatora i wyszukać informacje w Google. Ciekawy wpis Łukasz ;)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Zgadzam się, moim zdaniem nie liczba przekazywanych informacji jest problemem tylko to, w jaki sposób się to robi.

      Usuń
  5. też lubiłam biologię, aczkolwiek nie pamiętałam (albo nigdy nie nauczyłam się) większości rzeczy, o których piszesz, bardzo fajny i ciekawy artykuł :)
    co do nauki w szkole, dzieciaki narzekają i nic nie wynoszą, bo wszystko jest przedstawiane właśnie w taki mało praktyczny sposób - biologia na sucho, geografia niemalże bez mapy, lektury bez sensu, matma też. ludzie potem nie rozumieją, że matematyka i fizyka otaczają ich cały czas, a książki to nie tylko mickiewiczowskie cierpienia. szkoda.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Tak, lektury to też moim zdaniem problem. Za dużo martyrologicznego marudzenia. To jest tematyka dla dorosłych, dzieciaki ciężko tym zaciekawić, za to bardzo łatwo zniechęcić.

      Usuń
  6. pamiętam dobrze pojęcia mitozy i mejozy z liceum, pamiętam, że nawet potrafiłem wykuć i nawet trochę zrozumieć, z pewnością masz racje, że gdyby lekcje byłyby bardziej ciekawe z odniesieniem do rzeczywistości to więcej ludzi zrozumiałoby nie jeden mechanizm

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Też pamiętam, że potrafiłam to wykuć i zrozumieć, jednak po wielu latach nie korzystania z tej wiedzy, dzisiaj, po przeczytaniu artykułu czuję się jak wtórny analfabeta biologiczny :-/

      Usuń
  7. Ze wszystkich bardziej ścisłych przedmiotów lubiłem biologię. Chociaż nie przeczę, że obecnie sporo już zapomniałem, jednak coś niecoś zostało mi w głowie jeszcze. :)

    Jak dla mnie nie ma się co śmiać, człowiek nie jest w stanie w ciągu życia poznać wszystkich słów czy pojęć w danym języku. Też na studiach poznałem masę nowych, czasem trudnych do zapamiętania zwrotów czy pojęć.

    Zieloną Yerbę czy herbatę zieloną pijasz?

    Pozdrawiam!

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Biologia ze wszystkich ścisłych przedmiotów jest też chyba najłatwiejsza :-P.
      Zieloną herbatę :-).

      Usuń
  8. U mnie niestety biologia w liceum także była okrojona, jednak nasza nauczycielka lubiła po prostu podawać nam suche regułki ;) Dobrze, że potem zmieniono nam nauczycielkę, jednak ta ciągle genetykę z nami leciała :)

    OdpowiedzUsuń
  9. Pamiętam bardzo dokładnie mitozę i mejozę. Pamiętam rozkład podręcznika na stronach o tym, układ ramek, obrazki i nawet czcionkę. Do dzisiaj nie wiedziałam, gdzie który podział występuje.

    OdpowiedzUsuń
  10. Ja z biologią nigdy nie byłam (i raczej nie będę) za pan brat, dlatego doskonale pamiętam okres mitozy i mejozy na sprawdzianach... Koszmar, przed którym broniłam się rękami i nogami! Swoją drogą, bardzo ciekawy wpis, ale cały blog. Może gdybym trafiła na ten post kilka lat temu, ta biologia nie byłaby dla mnie tak straszna. :)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Ja w liceum też się bałem mitozy i mejozy, dopiero na studiach zrozumiałem co to w ogóle jest i bez większych problemów weszły mi do głowy te wszystkie fazy po kolei ;-).

      Usuń
  11. Ja na szczęście trafiłam na bardzo dobrych nauczycieli, którzy potrafili prowadzić lekcje w ciekawy sposób. Dzięki temu biologię bardzo lubiłam i nawet gdy pojawiał się trudniejszy temat, to nie osłabiało zapału.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Świetnie :-). Ja bardzo dobrze wspominam moją nauczycielkę od biologii z gimnazjum. Lekcje prowadziła bardzo fajnie, ciekawie, zawsze wymyślała fajne skojarzenia by łatwiej wchodziły różne pojęcia. Wiele z nich pamiętam do dzisiaj.

      Usuń
  12. nudna nie jest. jest trudna do ogarnięcia. pozdrawiam ciepło.

    OdpowiedzUsuń
  13. Nie mam złych wspomnień z biologii w odniesieniu do tych zagadnień i nie sprawiały mi one problemów - zawsze mnie to ciekawiło (biologię miałam rozszerzoną)

    OdpowiedzUsuń
  14. Pamiętam, pamiętam, ale dziś nie ogarniam. Chociaż przeczytałem jak zawsze z miła chęcią.

    OdpowiedzUsuń
  15. Bardzo lubiłam anatomię (człowieka). Biologia...hm...może to zależało do wykładowcy? Jeśli wykład prowadzi się monotonnie, nie ma możliwości zainteresowania ucznia.

    Pozdrawiam serdecznie :)

    OdpowiedzUsuń
  16. ja kończyłam liceum profilowane i nie miałam juz biologii - więc chętnie czytam takie wpisy :)

    OdpowiedzUsuń
  17. W liceum biologii miałem pół semestru (genetyka i ochrona środowiska). Profile humanistyczne mają "przyrodę" jako przedmiot uzupełniający, ale z tego co słyszałem strasznie nudno prowadzony.
    Biologia jako taka była dość ciekawym przedmiotem (może miałem szczęście trafiać zawsze na dobre nauczycielki? :) ), wyklinałem chyba tylko na anatomię w gimnazjum (zresztą później polubiłem ją w kontekście ewolucyjnym). Stęskniłem się nawet za robieniem zielników, choć kiedyś tego nie cierpiałem.
    Z nauk przyrodniczych nie lubiłem tylko chemii, właśnie za takie klepanie suchych regułek. To dotyczy wszystkich przedmiotów, ale tylko do chemii udało się mnie szkole zniechęcić ;)

    A co do mejozy i mitozy to te procesy z grubsza pamiętałem, ale nigdy nie wiem który jest który :)

    OdpowiedzUsuń
  18. A ja trochę nie na temat chyba (chociaż, może i na temat...), ale muszę się pochwalić - wyhodowałam hybrydową fasolkę :) skrzyżowały się Piękny Jaś i fasola czarna, a oto rezultat: http://najlepiej.blox.pl/resource/20160827fasolka.jpg

    OdpowiedzUsuń
  19. Dzięki wielkie, zaczynam coś wreszcie rozumieć! :D

    OdpowiedzUsuń