5.2 Meioză și gametogeneză
Reproducerea sexuală necesită fertilizare, o uniune a două celule din două organisme individuale. Dacă aceste două celule conțin fiecare un set de cromozomi, atunci celula rezultată conține două seturi de cromozomi. Numărul de seturi de cromozomi dintr-o celulă se numește nivelul său de ploidie. Celulele haploide conțin un set de cromozomi. Celulele care conțin două seturi de cromozomi se numesc diploide. Dacă ciclul reproductiv trebuie să continue, celula diploidă trebuie să-și reducă cumva numărul de seturi de cromozomi înainte ca fertilizarea să poată avea loc din nou, sau va exista o dublare continuă a numărului de seturi de cromozomi în fiecare generație. Deci, pe lângă fertilizare, reproducerea sexuală include o diviziune nucleară, cunoscută sub numele de meioză, care reduce numărul de seturi de cromozomi. Meioza apare în timpul procesului de gametogeneză, care este producția de gameți (ovocite și spermatozoizi).
figura 1 arată un cariotip a unui bărbat uman. Un cariotip este o imagine produsă prin aranjarea imaginilor fiecărui cromozom dintr-o celulă în perechi sistematice. După cum puteți vedea, există 23 de perechi totale de cromozomi, iar 22 dintre ele conțin perechi potrivite de aceeași dimensiune cu modele de bandă similare, indicând faptul că celulele din fiecare pereche conțin aceleași gene. Fiecare dintre aceste 22 de perechi se numește perechi omoloage, iar perechile sunt numerotate în ordinea mărimii, cele două copii ale cromozomului 1 fiind cele mai mari. Perechea finală de cromozomi nu se potrivește în dimensiuni sau tipare de bandă; acestea sunt cromozomii sexuali și se numesc cromozomul X și cromozomul Y. În majoritatea celulelor umane, există 22 de perechi potrivite de cromozomi și 1 pereche de cromozomi sexuali. Aproape toți bărbații au un cromozom sexual X și un cromozom sexual Y și aproape toate femelele au 2 X cromozomi sexuali, în fiecare celulă. Gametii sunt unici prin faptul că au jumătate din cromozomii altor celule: doar un cromozom sexual și doar 22 de alți cromozomi, nu 22 de perechi.
Majoritatea animalelor și plantelor sunt diploide, conținând două seturi de cromozomi; în fiecare celula somatica (celulele nereproductive ale unui organism multicelular), nucleul conține două copii ale fiecărui cromozom care sunt denumite cromozomi omologi. Celulele somatice sunt uneori denumite celule „corp”. Cromozomii omologi sunt perechi potrivite care conțin gene pentru aceleași trăsături în locații identice de-a lungul lungimii lor. Organismele diploide moștenesc câte o copie a fiecărui cromozom omolog de la fiecare părinte; împreună, sunt considerați un set complet de cromozomi. La animale, celulele haploide care conțin o singură copie a fiecărui cromozom omolog se găsesc numai în gamete. Gametele se fuzionează cu un alt gamet haploid pentru a produce o celulă diploidă.
Interfază
Meioza este precedată de o etapă numită interfază. În acest stadiu, ADN-ul cromozomilor este reprodus, astfel încât fiecare celulă conține două copii ale fiecărei cromatide. Aceasta înseamnă că într-o celulă umană, ambele copii ale cromozomului 1 sunt copiate pentru a produce 4 cromatide, ambele copii ale cromozomului 2 sunt copiate pentru a produce 4 cromatide și așa mai departe. De asemenea, celula crește și produce suficient din enzimele și structurile necesare pentru meioză în această perioadă de interfază.
Meioza I
La începutul meiozei I, cromozomii pot fi văzuți clar microscopic. Pe măsură ce învelișul nuclear începe să se descompună, proteinele asociate cromozomilor omologi apropie perechea una de cealaltă. Cromozomii omologi sunt acum aranjați în centrul celulei, cu capetele fiecărei perechi de cromozomi omologi orientate către polii opuși. Orientarea fiecărei perechi de cromozomi omologi în centrul celulei este aleatorie.
Această întâmplare, numită sortiment independent, este baza fizică pentru generarea celei de-a doua forme de variație genetică la descendenți. Luați în considerare faptul că cromozomii omologi ai unui om sunt moșteniți inițial ca două seturi separate, câte unul de la fiecare părinte. Un set de 23 de cromozomi este prezent în ovulul donat de mamă. Tatăl asigură celălalt set de 23 de cromozomi din sperma care fertilizează ovulul. Aceste perechi se aliniază la jumătatea distanței dintre cei doi poli ai celulei, iar dispunerea lor în raport cu cei doi poli este aleatorie. Orice cromozom moștenit matern se poate confrunta cu oricare pol. Orice cromozom moștenit paternal poate face față oricărui pol. Orientarea fiecărei perechi este independentă de orientarea celorlalte 22 de perechi.
În fiecare celulă care suferă meioză, dispunerea cromozomilor este diferită. Există două posibilități de orientare (pentru fiecare pereche); astfel, numărul posibil de alinieri este egal cu 2 n unde n este numărul de cromozomi pe set. Oamenii au 23 de perechi de cromozomi, ceea ce duce la peste opt milioane (2 23) de posibilități. Alte mecanisme care nu sunt discutate în această clasă pot crește și variația fiecărei celule produse. Având în vedere atât sortimentul independent, cât și aceste alte mecanisme, este foarte puțin probabil ca oricare două celule haploide care rezultă din meioză să aibă aceeași compoziție genetică.
Apoi, fibrele proteice din celulă separă cromozomii legați. Fibrele trag cromozomul către polii opuși ai celulei. La fiecare pol, există doar un membru din fiecare pereche de cromozomi omologi, deci este prezent un singur set complet de cromozomi. Acesta este motivul pentru care celulele sunt considerate haploide - există un singur set de cromozomi, chiar dacă există copii duplicate ale setului, deoarece fiecare omolog este încă format din două „surori: cromatide care sunt încă atașate una de cealaltă. Citokineza, în cazul în care membrana celulară se prinde în centrul celulei pentru a o separa în două, acum apare, împărțind fiecare celulă în două celule care conțin un set complet de cromozomi.