
在回答这个问题之前,我们先达成一个共识。专业术语为解释现象服务,所代表的含义会随着人类的认知水平和科学体系的不断完善而变化。但是,我们不能被词语本身所限制,“吾不知其名,字之曰道”,“三十二相,即是非相,是名三十二相”。这些词,也只是个名字。
有丝分裂也一样,这个词的含义也在变化。
1.有丝分裂
高中生物旧版课本(人教版2004年初审通过版)中将有丝分裂分为“间期、前期、中期、后期、末期”5各时期[1],但是在2019年新版教材中,有丝分裂概念发生了变化,有丝分裂包括“前期、中期、后期、末期”4个时期,分裂间期不再归到有丝分裂的过程中(图1)[2]。
分裂间期可以视作有丝分裂前的准备过程,有丝分裂是细胞分裂的过程,这个过程因为“有丝”而得名。
在分裂间期, DNA复制加倍,相关蛋白质合成好,酶也要准备就位;除了物质上要准备好,状态上也要准备好,做好准备,接下来就要分裂了。各就位,预备。分……
等等这里有个小问题我们要先弄清楚,那就是遗传物质DNA长又长,就像一条条长长的细线,绕在一起了怎么办?
采取的策略很有效,变成一个线团再去分配就好了。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搞事情,要搞也只能在外圈很有限的来几下。
细胞核中的遗传物质也有长长毛线和小小线团两种存在形式,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。
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。
进行有丝分裂的细胞分裂过程是这样的: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。工作状态下,染色质分布在被核膜包被的细胞核中。核膜的存在并不利于遗传物质分配,因此,在有丝分裂过程中需要先突破核膜的束缚,结束后再回归正常,重归细胞核内。也就是说,有丝分裂过程伴随着细胞核结构的破坏和重建:分裂前期核膜消失,分裂末期核膜重新出现。
如果用秋水仙素处理植物细胞,使其无法形成“丝”,以上过程会变成这个样子。
染色质状态DNA复制,螺旋化为染色体状态方便分配,没有“丝”,染色体只能散乱分布,到了规定的时间,染色体的着丝点正常分裂,但是无法移向两极。虽然整个过程染色体与染色质依然正常变化,核膜也会正常消失和出现,但是遗传物质无法分配,细胞无法正常分裂。结果,细胞中的染色体数目加倍了。
可以看得出来,“丝”的作用是帮助染色体排列整齐和移向两极,保证染色体遗传物质平均分配到两个细胞中。
而无丝分裂没有“丝”,这样的分裂方式能保证遗传物质平均分配吗?
2.无丝分裂对遗传物质均分的要求比较低
如果细胞中有些细胞并不太需要遗传物质均分,或者说遗传物质是否均分对细胞的生命活动并无太大影响,细胞随便分分就好了。
无丝分裂在高等植物的营养丰富部位普遍存在,最明显的就是表皮细胞与胚乳细胞等,肿瘤细胞在快速分裂过程中也存在无丝分裂[3]。除此之外,有些高度分化的细胞,如蛙的红细胞等,也可以进行无丝分裂[4]。
有丝分裂要确保核遗传物质均分,但这并不是无丝分裂的目的。无丝分裂不直接服务于遗传,不太在乎遗传物质是否精准分配。
无丝分裂对遗传物质均分的要求比较低[5]。但是要求低有要求低的好处。两个人聊天都用拼音输入法,如果开启了模糊输入,甚至允许使用错别字的话,打字交流的速度会提升。目的不同,采取的策略也不同。对生物来说,不用最好,够用就行。
3.原核细胞的二分裂
原核细胞的分裂方式一般被简单称为二分裂。二分裂过程没有丝,也没有染色质染色体形态的变化过程,也可以认为是无丝分裂的一种(有资料会这样处理,但是高中习题大都把无丝分裂视为真核细胞特有的细胞分裂方式之一[6])。
那么,原核细胞的无丝分裂(二分裂)过程能保证拟核遗传物质均分吗?
答:可以。
虽然原核细胞的细胞分裂过程中更没有丝,但是原核细胞的拟核是一个大的环状的DNA分子[7],其拟核遗传物质也能精准分配。
想象一个过程,一个碗中有等量的红豆和绿豆,现在要求平均分到两个碗里。原核生物拟核这个碗里只有一红一绿两个(复制得到的2个DNA分子)豆子,要平均分到两个碗里也不是什么难事。
小结一下。
有丝分裂是有“丝”的细胞分裂方式,整个过程的核心是染色体在丝的牵引下最终得到了核遗传物质相同的子细胞。无丝分裂过程没有“丝”,真核生物的无丝分裂既没有染色质和染色体的动态变化,也没有核膜的消失与出现,不能保障核遗传物质平均分配到子细胞中。
参考文献:
