淺談減數分裂在生物遺傳中的重要意義

劉久良

繁殖與生物體自身相似的后代,這是生命的基本屬性之一。行無性繁殖的單細胞生物,通常以有絲分裂為基本形式,其過程比較簡單。行有性繁殖的生物,必須通過兩性配子的結合形成合子,才能發育成新的個體。配子中遺傳物質的載體——染色體數目如果與個體中的一樣多,雌雄配子結合后代染色體數目就必然比親代個體增加一倍,若干代后,個體中染色體數目相當大,物種將會失去生存能力而被淘汰。減數分裂過程中染色體數目減少一半,非同源染色體自由組合,保證了物種染色體數目恒定和適應環境變化而進化的機制。一、減數分裂是一種特殊的細胞分裂減數分裂的特殊性,首先在于它只發生在有性繁殖的生物體。行無性繁殖的生物在繁殖時,不需要兩性配子的結合,只是用親體的某一部分體細胞經過分裂繁殖形成,因而不需要減數分裂。其次,減數分裂只發生在性細胞形成的某個時期。在有性繁殖的某些低等植物,兩性配子受精,形成合子后不久就發生減數分裂,形成配子體,再由配子體產生配子。在高等生物受精后,合子往往需要經過一段很長時間的個體發育,個體發育期間,細胞增殖的主要方式是有絲分裂,減數分裂一般只發生在配子形成的過程中,經過減數分裂之后,配子即將成熟。第三,減數分裂只發生在生殖腺、生殖器官內的某些部位,而其它部分如根、莖、葉、果實,軀體、四肢、內臟則一般只發生有絲分裂。因而在個體的體細胞中,染色體數目都能保持恒定,保持與合子的染色體數一樣多。第四,一個完整的減數分裂過程包含減數第一分裂和減數第二分裂。在減數第一分裂之前,有一次DNA復制,在減數第一、第二分裂之間就沒有DNA復制。整個減數分裂過程中,細胞分裂兩次,染色體從前I期開始,兩臂縱裂而著絲點不分裂,由一個著絲點連有兩條姐妹染色單體的狀況一直維持到中II期,中II期以后,著絲點才分離,姐妹染色單體才成為姐妹染色體,因此染色體只分裂了一次。由于經過了減數分裂過程的兩個細胞周期,一個初級性母細胞通過兩次分裂,形成了四個性細胞,細胞數目增加到四倍,但染色體只有一次分裂和加倍,所以形成的性細胞中染色體數目比初級性母細胞減少了一半。一個正常兩倍體(2n)的初級性母細胞經過減數分裂后,形成的性細胞為單倍體(n),完成了減數分裂的性細胞不會再次發生減數分裂。第五,減數分裂過程中的細胞核,有一系列不同于有絲分裂的形態學上的改變。減數第一分裂前期,同源染色體相互靠攏,實現聯會和互換;減數分裂的中I期,一對對染色體并排排列在赤道板上;進入后I期,每對染色體就分別向細胞兩極移動,同源染色體互相分離,分別進入不同的生殖細胞,而對于每個成熟生殖細胞來說,就只有每對同源染色體中的一條。減數分裂保證了親代與子代染色體數目恒定,為后代正常發育和性狀遺傳提供了物質基礎。二、減數分裂是遺傳三大規律的基礎奧地利遺傳學奠基人孟德爾經過植物雜交試驗后,總結出遺傳學最基本的兩大規律,即分離規律與自由組合規律。他發現雜交種自交后,后代中出現了有規律的分離比,即顯性性狀與隱性性狀之比約等于3:1。因此推測,決定性狀的因子在體細胞中成對存在,而在生殖細胞中只有其中的一個,通過受精作用,決定性狀的因子又恢復成對。在個體形成生殖細胞時,每對因子彼此分離,分別進入不同的生殖細胞。在雜合體中,決定不同性狀的相對因子是獨立存在的,在雜交種形成配子時,這些相對因子互不干擾,獨立分配。不同對的因子之間可以自由組合。這兩大規律是遺傳學上最先發現的基本規律,后來摩爾根等人又發現了連鎖和互換規律。在孟德爾發現這兩大規律時,生物學上還未發現減數分裂的存在。十九世紀末,人們觀察到染色體的減數分裂,發現遺傳因子的傳遞規律與染色體的行為有著驚人相似之處。位于不同源染色體上的非等位基因也隨同它們所在的染色體自由組合,非同源染色體的自由組合,正是位于不同對染色體上非等位基因自由組合的細胞學基礎,是二對性狀雜交,其子二代出現9:3:3:1的根據所在,是后代產生許多組合變異的基礎。每對染色體上都有許多對基因,而遺傳物質是以染色體為單位進行傳遞的,使位于同一染色體上的非等位基因共同遺傳。減數分裂時,同源染色體之間的局部交換,使等位基因發生互換,從而使連鎖的性狀在后代個體中出現了新的組合,這是性狀不完全連鎖和互換規律的細胞學基礎,減數分裂時染色體的行為是遺傳三大規律的基礎。三、減數分裂和染色體畸變 一個二倍體生物,形成的配子中含有n條染色體。這里的n不僅指染色體數,而且它含有每對同源染色體中的一條,是一整套染色體,是一個完整的基因組,它具有一整套遺傳信息。形成這樣的配子,依賴于減數分裂的正常進行,依賴于減數第一分裂后期同源染色體的相互分離和減數第二分裂后期姐妹染色體的正常分離。如果這兩個時期發生了異常情況,應該分離的某一對染色體不分離,共同進入了一個配子中,那么就會形成兩種不同但都是異常的配子:一種配子中多了一條染色體,而另一種配子卻少了這一條染色體。如果成活的話,這兩種配子無論那一種與正常異性配子結合,都會形成染色體數目不正常的合子,前者所形成的合子中多了一條染色體,而后者所形成的合子中卻少了一條染色體。這樣的合子,有的不能發育,能發育的也只能長成一個畸形的個體。如人類先天愚型個體,其核型主要是(47,+21,xy)和(47,+21,xx),都是細胞中多了一條21號染色體即21三體。21三體的形成是由于父親或母親在形成配子時減數分裂期間發生21號染色體不分離,形成具有多了一條21號染色體(24,+21)和少了一條21號染色體(22,—21)的兩種異常配子,前者參加受精作用后形成多了一條21號染色體的合子,這種合子就會發育成以白癡為主要特征的畸形個體,人類染色體畸變個體多數是由于減數分裂時同源染色體不能正常分離造成的。綜上所述,減數分裂過程中染色體間發生的交換與重組,不僅能維持有性繁殖生物染色體數目的穩定性,而且是生物遺傳與變異,生物多樣性的基礎,對生物物種的遺傳與進化具有十分重要的意義。參考文獻:[1]孟德爾:《植物雜交試驗》[2]達爾文《進化論》